球面型薄壁金屬件殘余應力均勻化工藝研究

常維博，宋鑫，王曉燕

（西安航天動力機械廠，陜西西安710025）

球面型薄壁金屬件殘余應力均勻化工藝研究

常維博，宋鑫，王曉燕

（西安航天動力機械廠，陜西西安710025）

通過對殘余應力的測試分析得知，球面型薄壁金屬件成品超差主要是由于殘余應力再度均勻化所致。根據上述特點，設計了專用定型工裝，在精加工前和精加工后進行兩次低溫時效，加速了殘余應力釋放，提高產品質量。

球面型薄壁金屬件；殘余應力；均勻化

在金屬切削加工過程中，無論是銑削還是車削等，都會在零部件表面誘發殘余應力。殘余應力無法消除，只能在產品內部趨于一種平衡狀態。殘余應力的狀態對零件表面疲勞裂紋的形核與擴展行為有著重要的影響，可能會大幅度降低零件的疲勞壽命[1]。此外，殘余應力還能引起的扭曲變形，會明顯地降低零件的加工制造精度。加工過程中殘余應力的控制及平衡的問題，一直是精密、超精密切削領域的重要的研究課題。

在航空、航天工業中，由于整體結構質推比的需求，大量使用了薄壁金屬結構件。因此，該領域也是殘余應力控制研究的重點方向。對于殘余應力如何控制，航空、航天方面由于結構、材料、強化方式，加工方式的不同，各有側重點。根據相關研究資料，鋁合金可采用預拉伸板材、振動時效、低熔點金屬增強剛性、切削變形預測補償等方法進行殘余應力控制。但在高強度鋼方面，由于其材料物理特性與鋁合金有較大區別，上述的技術方案使用效果并不明顯。本文擬通過對高強鋼薄壁金屬件殘余應力的檢測數據分析，提出殘余應力控制的技術方案。

1　工藝分析

在一種球面型薄壁金屬件（材料為高強鋼，經熱處理強化，具體結構如圖1所示）的生產過程中，精加工完成后，檢測合格。放置一段時間，檢測時發現零件大端尺寸變形嚴重，圓跳超差，無法滿足產品交付的質量要求。

圖1　球面型薄壁金屬件結構尺寸圖

現階段，薄壁金屬件切削變形控制較成熟的工藝控制思路為：通過技術方法，逐步地控制產品的變形，使整個零部件的變形始終在可控的范圍內。但是由于殘余應力的不可預測性，對于殘余應力控制，只能通過實驗方法來驗證解決。

為了增強零件剛性，減少裝夾力對變形產生的影響，針對上述薄壁金屬專門設計了一套專用工裝如圖2所示。產品精加工前一直留有工藝夾頭，采用軸向定位，盡量弱化裝夾對零部件變形的影響。加工時選用合理的切削刀具，機床采用高轉速、小切深和足量冷卻的方式進行加工，盡量減小切削熱和切削力對產品最終精度的影響。

圖2　專用工裝

2　表面殘余應力測試分析及工藝論證

殘余應力是利用西安交通大學日本理學MSF-3F新型X射線應力分析儀測定。測試條件為CrK線輻射，管電壓30 kV，管電流10 mA.采用高精度的PSPC計數器，利用測量精度高、重復性好的等傾法進行檢測。

其測定的最基本的思路是，認為一定應力狀態引起的晶格應變和按彈性理論求出的宏觀應變是一致的。而晶格應變可以通過布拉格方程由X射線衍射技術測出，這樣就可以從測得的晶格應變來推知宏觀應力[2]。

薄壁金屬件示意圖如圖3所示，定義薄壁金屬件外側為A面，內側為B面，假設任意位置為0°，分別在0°、90°、180°、270°位置上進行殘余應力測試。為了節約測試成本，在A面、B面的0°進行4點殘余應力測試，其余位置測試2點（靠近小徑錐邊的為第1點，靠近大徑的為第2點）。

圖3　薄壁金屬件殘余應力測試點

隨機選擇薄壁金屬件中的1#、10#各2件，進行殘余應力測試。將這2組薄壁金屬件分成兩組，其中一組在加工后7天內完成測試，另一組在加工15天后開始測試，7天內完成測試，得到測試數據。

通過數據對比，得到第一組試件7天內和15天后殘余應力變化如圖4所示。第二組試件7天內和15天后殘余應力變化如圖5所示。

圖4　第一組7天內和15天后殘余應力變化

圖5　第二組7天內和15天后殘余應力變化

經分析，認為薄壁金屬件加工后7天內完成測試，工件上殘余應力分布不均勻，大部分為張應力，個別位置為壓應力，各處的殘余應力相差絕對值比較大。放置15天后測試，薄壁金屬件殘余應力分布趨于均勻化，并且全為張應力。

在借鑒國外先進經驗的基礎上，針對產品精加工完成后殘余應力的變化情況，開展了薄壁金屬件精加工后的殘余應力均勻化技術研究，設計專用定型工裝如圖6所示。在工裝的約束狀態下，通過精加工前和精加工后兩次低溫時效加速殘余應力釋放，使得零件完全達到低應力、均衡的狀態，提高產品質量。

圖6　熱定型工裝

試驗結果表明，球面型高強鋼薄壁金屬件在加工過程中采用兩次低溫人工時效，能加速殘余應力均勻化，有效的控制變形，達到尺寸穩定的效果。

3　結束語

球面型薄壁金屬件加工完成后放置15天后，殘余應力分布趨于均勻化，并且全為張應力。由此推斷，球面型薄壁金屬件成品件的超差主要是由于殘余應力再度均勻化所致。

通過使用專用定型工裝，在精加工前和精加工后對球面型薄壁金屬件進行兩次低溫時效，可加速殘余應力釋放，提高產品質量。

[1]張根保.殘余應力消除技術[J].制造技術與機床，2015，（04）：6-11.

[2]王慶民.殘余應力測試的進展與動向[J].機電工程，2011，（1）：12-15.

The Spherical Type Thin Wall Metal Residual Stress Homogenization Process Research

CHANG Wei-bo，SONG Xin，WANG Xiao-yan
（Xi’an Aerospace Power Machine Factory，Xi’an Shaanxi 710025，China）

Through the testing and analysis of the residual stress，it is found that the super difference of the spherical thin wall metal parts is mainly due to the homogeneity ofthe residual strss.According to the characteristics of the above，a special tool is designed，which adopts two times of low temperature aging to accelerate the release of residual stress and improve the quality of product.

spherical thin walled metal parts；residual stress；homogenization

TG54

A

1672-545X（2016）10-0112-02

2016-07-01

常維博（1983-），男，陜西岐山人，工程碩士，工程師，研究方向為非標成套工裝模具設計制造。