振動時效在消除鑄鋁合金框架變形中的應用

劉 赫，唐兄彬

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

0 引言

鑄鋁合金的框架產品作為火箭發動機的重要部件，除了承力配合之外，關鍵是配合游機發動機對運載火箭進行調姿入軌，所以設計部門對鑄鋁合金框架的加工要求很高，主要是要求加工變形小，否則，將會影響運載火箭的飛行軌道和衛星的入軌精度。在實際加工過程中，鑄鋁合金由于存在殘余應力，很容易引起工件變形，進而造成鑄鋁合金的框架尺寸不穩定。為此，進行了工藝攻關，通過采用振動時效方法解決了該技術難題。

傳統的消除殘余應力的方法有熱時效和自然時效。熱時效需要專用加熱爐，投資大、能耗大、效率低、污染環境、易產生新的變形和二次應力；自然時效周期長，效率低，導致成本增加。相比之下，振動時效生產周期短，處理地點靈活，生產費用低，且無環境污染，比較可行。

1 鑄鋁合金框架產品的設計要求

框架為鋁合金材料鑄件，屬于空間非對稱撓性結構零件 (見圖1)。

該項產品尺寸精度高，加工工序多，變形嚴重，其中L1尺寸長約200 mm，A面長約150 mm，輕微變形都將會導致尺寸超差。通常工序加工、檢驗合格后，到最終總體檢驗時尺寸往往超差。主要設計指標見表1。

表1 主要設計指標要求Tab.1 Main design specifications

2 殘余應力對產品變形的影響

鑄鋁合金框架殘余應力產生途徑主要為兩部分：一是鑄件產品在凝固過程中，由于冷卻不均勻而產生殘余應力；二是產品在機加過程中產生的殘余應力。

以上兩種殘余應力交互作用于產品上，使產品易于產生扭轉、彎曲等不規則變形；同時，在進行切削加工時，原有的應力平衡被破壞，應力重新分布、釋放，尤其是框架產品的撓性結構限制，導致產品再次產生變形更為嚴重，加工精度難以保證，尺寸穩定性極差。

3 振動時效機理

3.1 宏觀機理

從宏觀上分析，振動時效時所加激振力相當于給工件施以交變應力，如圖2所示的交變應力－應變特性曲線。在周期性振動外載作用下，構件上產生的交變動應力與內部某些點的殘余應力相互疊加，達到或超過材料的屈服極限，即δ動+δ殘≥δS時，這些點處將發生微小塑性變形，改變了構件原有的內應力場，最終使構件的殘余應力降低并得到調整。

經過一定時間循環后，工件材料的當量屈服強度上升，直到與所受的應力相等，工件內部不再產生新的塑性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩定。

3.2 微觀機理

從微觀上分析，振動時效 (VSR)就是給金屬構件提供機械能，因金屬具有將機械能轉變成熱能的性質，即使在δ動+δ殘≤δS時，也會產生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應力集中而產生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯相互釘扎，材料基體得到強化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩定性。

4 鑄鋁合金框架加工工藝流程

為了解決框架零件以上變形問題，現對框架的變形控制進行工藝研究：a)優化工藝流程：對加工過程中變形量大的工序進行細化，合理分配加工余量，降低變形；b)采用振動時效消除應力的方法，控制框架產品的變形。將振動時效工序放在半精鏜后，精鏜前，能有效的將前期的殘余應力消除掉，具體流程見圖3。

5 振動時效工藝的應用

5.1 振動時效設備簡介

三維振動時效裝置由工作臺、激振器、振動參數控制器和振動傳感器組成，其結構如圖4所示。

5.2 振動時效工藝參數選擇

5.2.1 動應力的選擇

振動時效時構件所承受的載荷由兩部分組成：一部分是構件本身的殘余應力；另一部分是施加在構件上的動應力，該應力為對稱循環應力，兩者疊加后應為不對稱循環應力，故構件內各點的應力應為不對稱循環應力（見圖5所示）。

由圖 5 可見：1) 當 δm＞0 時，δa＜δmax；當 δm＜0時，δm＜0，δa＞δmax。故在考慮產品在振動時效過程中受應力循環水平時，不僅要考慮動應力的振幅，同時還要考慮其平均應力（殘余應力）水平，在同一δa條件下，δm值越大，δmax值越高，則構件的疲勞壽命越短；2)δmin≠δmax，故應力比（循環特征）r=δmin/δmax≠-1。綜合上述兩點及振動宏觀機理，動應力選取條件應為δ動+δ殘≥δS，且 δ動+δ殘≤δr。

5.2.2 激振頻率的選擇

根據振動時效原理，一般選擇在工件固有頻率附近激振較好，采用幅頻特性曲線上的亞共振區的頻率激振工件。根據理論計算及實驗驗證，可將共振峰值的4/5處對應的頻率作為激振頻率，這樣可避免在工件固有頻率上共振，出現振動不穩定。共振頻率：

式中：ans為邊界常數；h為產品平均厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；Pa為單位面積質量；A為產品表面長寬度。

在本工藝過程中，使用設備本身先進的頻率自動掃描功能，得到框架產品的固有頻率。在保證裝卡數量一致 (均為4件)的前提下，掃描得到的固有頻率在7200～7700 rpm。

5.2.3 激振時間的選擇

振動時效效果與振動時間有關。構件在一定激振力和激振頻率作用下，在最初的一段振動時間內，內部應力變化較明顯，其后內部的應力狀態趨于穩定。研究表明，振動處理的前5 min殘余應力變化最快，15 min以后基本處于穩定。在對鋁合金的振動時效過程中，根據JB5926-2005推薦和經驗，一般振動時效時間為30 min。

5.2.4 工件的支承

工件支承位置和裝夾位置都是依據工件的振型來確定的。總的原則是，支承墊應放在工件振型的節線處，支承墊應具有彈性 (如橡膠、墊木、剛性彈簧等)；激振器應放在工件振型的振幅處，用專用卡具與工件剛性地卡在一起；加速度計應放在遠離激振器的另一個振幅處。

5.3 振動時效后加工情況對比結果

隨機選3件未經振動時效的框架與經振動時效后的3件框架產品一起，經過精加工各尺寸后，待靜置約一周后 (此時各項尺寸已穩定)，分別對其開檔尺寸L1、A面與基準B面的尺寸L2、兩孔間的同軸度、O-O線和O1-O1線與ΦN孔組的中心偏移和扭轉進行測量，將結果與以往沒有經過任何變形控制措施的產品的尺寸數據進行對比，對比結果見表2和表3所示。

表2 尺寸公差測量結果對比Tab.2 Comparison between measured results of dimensional tolerance mm

表3 各項形位公差測量結果對比Tab.3 Comparison between measured results of geometric tolerance mm

表中：A類代表無變形控制措施的產品；B類代表僅做了優化工藝流程的產品；C類代表既優化流程又做了振動時效的產品。

對比結果顯示，C類即經過振動時效的產品，精加工后各項尺寸公差得到保證，未出現尺寸超差現象；且各項尺寸公差相對穩定，尺寸跳動范圍較小，較為穩定。

6 振動時效效果評定

6.1 效果評定理論依據

根據振動時效原理，本工藝過程中使用的設備是利用旋轉偏心質量使構件產生受迫振動 (即使用激振器給工件施加動應力使工件振動)，構件振動方程為：

式中：A為振動位移，mm；M為振動總質量，kg；m為轉子偏心質量，kg；e為偏心距，mm；λ為振動頻率ω和固有頻率ω0之比；ζ為阻尼比。

當發生共振時λ=1，由式（2）可得共振時的振幅A，系統頻帶寬Δω和共振頻率ω。

可知，當阻尼比減小時，系統共振的振幅將增加，頻帶寬將變窄，共振頻率將下降。因此，在振動時效過程中，隨著阻尼比的逐漸減小，直到穩定的過程，在宏觀上將伴隨發生共振幅值增大、頻率變窄和共振頻率下降的現象。這正是實際操作中振動時效效果的評定標準。JB/T10375-2002中給出如下評定標準，滿足任意一項，即表明達到時效效果。

1)a—t曲線上升后變平；

2)a—t曲線上升后下降然后變平；

3)a—n曲線的峰值振后的比振前的升高；

4)a—n曲線的峰值點振后的比振前的左移；

5)a—n曲線的帶寬振后的比振前的變窄；

6)a—n曲線共振峰有裂變現象發生。

6.2 試驗件的振動效果評定和分析

在同一加工批次中選取了幾件框架產品進行振動時效試驗。其振動a-n曲線和a-t曲線如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，本試驗符合了上述條件中的2)，3)及4)三項，可以斷定：針對框架產品的振動時效試驗達到了時效效果，框架產品的殘余應力應該得到消除。

7 振動時效產品可靠性分析

7.1 金相組織情況對比

抽取1件經過振動時效的框架 (編號為1)和2件未做過振動時效的框架 (編號分別為2和3)，分別對三件產品的3處受力部位剖切下大小相同的一塊試件 (約為40 mm×30 mm×20 mm)。為明確對比結果，三件剖切部位應相同，具體位置參考圖8所示。同時對剖切試件予以鋼印編號。編號的對應關系如下：

部位Ⅰ：1Ⅰ#(振過)，2Ⅰ#(未振)，3Ⅰ#(未振)；

部位Ⅱ：1Ⅱ#(振過)，2Ⅱ#(未振)，3Ⅱ#(未振)；

部位Ⅲ：1Ⅲ#(振過)，2Ⅲ#(未振)，3Ⅲ#(未振)。

經理化分析后，其三件產品的3個剖切部位試件的金相組織結構并無差異，即證明振動時效過程對框架的金相組織結構無影響。各試件的金相組織結構對比情況見圖8中 (1)～(6)所示。僅列Ⅰ和Ⅱ兩組部位為例。

上述所有對比結果表明，振動時效確實達到了消除內應力的效果，對控制后續加工的變形量，保證加工質量起到了良好效果；同時不會對產品的金相組織結造成影響，滿足了產品的使用強度，保證了產品的可靠性。

7.2 試車及飛行情況對比

按本文論述的內容和方法加工的框架產品，經過了大量試車及飛行考驗，調姿入軌精準，可靠性高，表明鑄鋁合金框架產品的變形與尺寸不穩定已經得到了很好解決。

8 結論

綜上所述，采用振動時效對鑄造鋁合金框架件類產品進行消除應力，合理選擇激振力、振動時間等一系列振動參數，能有效降低產品的變形量，使產品的各項尺寸公差得到保證，從而很好的保證產品的質量；組織結構上經分析得出，振動時效過程對產品的金相組織結構不會產生影響，產品的使用強度得以保證，證明經過振動時效工藝方法后加工的產品質量可靠，同時本文的研究成果也為航空、海軍、微波應用等領域的高精度薄壁類產品的變形控制，提供了有力的技術參考依據。

[1]焦馥杰,茅鵬,沈瑜書.振動時效機理研究[J].焊接學報,1992(3):171-174.

[2]高瑛，馬敬仲.鑄件的變形與時效[M].北京:機械工業出版社,1985.

[3]陳國杰.振動時效技術[J].大學物理,1997,16(4):40-42.

[4]朱世根,劉峰，顧偉生,等.振動時效的應用[J].焊接技術,2002,31(6):25-27.

[5]房德馨.金屬的殘余應力與振動處理技術[M].大連:大連理工大學出版社,1989.

[6]王祝堂,田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙:中南大學出版社,2000.

[7]龔磊清.鑄造鋁合金金相圖譜[M].長沙:中南工業大學出版社,1987.