振動時效工藝在飛機制造中的應用研究

馬永波

(西安飛機工業(集團)有限責任公司 制造工程部，陜西 西安 710089)

振動時效技術起源于二戰以后的歐美國家。在20世紀50年代前后，隨著現代科學技術的發展，振動理論、檢測技術和激振設備都得到迅速的發展。在工件的共振頻率下進行振動，可以縮短振動處理時間，消除應力和穩定尺寸精度的效果更好，能源消耗也最少。

由于這種工藝日趨成熟，振動和控制設備日臻完善，振動時效技術已經在十多個工業發達國家得到廣泛應用。許多國家已將振動時效定為某些機械構件必須采用的標準工藝[1]。美國某應力消除公司擁有350臺振動時效設備，進行過5 000多項振動時效處理。英國和德國對飛機裝配型架的焊接梁和框架普遍采用了振動時效。英國某公司曾對飛機發動機葉片進行振動時效處理，以控制加工變形并提高其尺寸穩定性。

振動時效技術于20世紀70年代被引進到我國。我國機械制造業對振動時效技術進行了大量的工程化應用研究[2-8]。“七五”后，我國振動時效工藝技術成熟，設備也達到世界先進水平；“八五”期間，振動時效技術被國家科委、機電部、國務院生產辦列為“八五”六大重點推廣技術之一。在我國航空航天領域，602所、301所、182廠和5703廠相繼開展振動時效研究，取得了一系列重要成果，并于1993年制定頒布了HB/Z 229—1993《振動時效主要參數及技術要求》[9]。

目前，我國航空制造業中振動時效工藝的應用僅限于地面設備。根據生產現場調查，很多飛機零件在機械加工過程中變形非常嚴重。目前多采用手工方法來校正變形，導致零件校形工作量很大，且零件質量很難保證，甚至造成報廢，嚴重影響零件按期交付。另外，焊接件和鈑金件也存在同樣問題，使生產成本提高，交付節點難以保證[10]。為了滿足生產現場的需求，開展了振動時效在飛機零件制造中的應用研究。

1 振動時效和人工時效工藝試驗

1.1 振動時效設備

計算機控制的振動時效設備是此類設備中的高端設備，具有操作簡單、重現性好等特點。目前市場上有多種品牌，如海倫、美國最時和北京翔博等。本文選用北京翔博公司的LH2508Ⅱ型振動消除應力專家系統進行振動時效工藝試驗。

1.2 振動試驗臺設計

在振動試驗臺設計階段，根據試板及試驗件的結構特點，經過多次優化，確定最終方案如圖1所示。

圖1 振動時效試驗臺

1.3 試板及試驗件的裝卡和加速度計安裝

試板及試驗件通過雙頭螺柱、螺母及壓板剛性固定在試驗臺上。根據所租用設備的特點，加速度計的安裝無嚴格要求，在試驗進行過程中一般放在壓板上，以便獲得較為準確的反饋信號。

1.4 試板振動時效工藝試驗

將01、02、03、09及10號試板制成自由鍛件，材料為LD10，CS狀態，外形尺寸為300 mm×180 mm×30 mm。

進行振動時效工藝試驗時，將振動時效試驗臺放置在4個減振膠墊上，然后用雙頭螺柱和特制壓板將試板剛性固定在振動時效試驗臺上，激振器安裝在振動時效試驗臺縱向側面中部，加速度計放在壓板上或試驗臺上靠近試板的位置。由LH2508Ⅱ型振動消除應力專家系統進行頻譜分析，自動選出5個振動頻率(轉速)。手動激振器的偏心值，使至少有2個加速度值在30～70 m/s。完成上述操作后，由LH2508Ⅱ型振動消除應力專家系統自動完成后續的振動時效試驗。

試板振動時效工藝試驗參數見表1。

表1 試板振動時效工藝試驗參數

在試驗過程中屢次出現試驗臺橫向移動現象，迫使試驗終止。分析認為，造成這種現象的原因在于試驗臺質量太輕。這個結論在后續的前緣蒙皮振動時效工藝試驗中得到了驗證。

1.5 熱時效(人工時效)工藝試驗

將04、05及06號試板制成自由鍛件，材料為LD10，CS狀態，外形尺寸為300 mm×180 mm×30 mm。04、05及06號試板熱時效(人工時效)工藝試驗的執行標準為XYS2201變形鋁合金零件熱處理。具體工藝參數為加熱溫度160 ℃，保溫時間7 h。

2 試驗結果及分析

2.1 殘余應力檢測

殘余應力檢測在清華大學進行，檢測方法為盲孔法，檢測設備為Power Series殘余應力檢測儀。殘余應力檢測分別在01、02、03號試板振動時效前后及04、05、06號試板人工時效前后進行，每次測5個點，測量結果如圖2～圖7所示。

圖2 01號試板振動時效前后殘余應力變化情況

圖3 02號試板振動時效前后殘余應力變化情況

圖4 03號試板振動時效前后殘余應力變化情況

圖5 04號試板人工時效前后殘余應力變化情況

圖6 05號試板人工時效前后殘余應力變化情況

圖7 06號試板人工時效前后殘余應力變化情況

從圖2可以看出，振動時效后殘余應力呈現均化現象。從圖3可以看出，振動時效后殘余應力呈現顯著減小及均化現象。從圖4可以看出，振動時效后殘余應力呈現增大現象。從圖5可以看出，人工時效后殘余應力呈現不均勻現象。從圖6可以看出，除1個測點外，人工時效后殘余應力呈現均化現象。從圖7可以看出，人工時效后殘余應力呈現非均化現象。

2.2 電導率檢測

電導率檢測在西飛公司檢測中心進行，振動時效和人工時效前后各測10個點，結果見表2。

表2 振動時效和人工時效前后電導率檢測結果 (%IACS)

從表2可以看到，01號試板振動時效前后電導率平均值分別為35.14% IACS和34.91% IACS，振動時效后減小0.65%；02號試板振動時效前后電導率平均值分別為35.41% IACS和34.99% IACS，振動時效后減小1.19%；03號試板振動時效前后電導率平均值分別為36.10% IACS和35.97% IACS，振動時效后減小0.36%；04號試板人工時效前后電導率平均值分別為35.45% IACS和34.70% IACS，人工時效后減小2.12%；05號試板人工時效前后電導率平均值分別為35.44% IACS和34.33% IACS，人工時效后減小0.31%；06號試板人工時效前后電導率平均值分別為35.23% IACS和35.82% IACS，人工時效后增大1.67%。由此可見，振動時效對鋁合金電導率的影響非常小，人工時效對鋁合金電導率的影響也非常小。

2.3 試板加工變形檢測

試板加工變形檢測結果見表3。根據表3可得出T6+振動時效狀態、T6+人工時效狀態及T6狀態的試板在機械加工過程中的變形情況(見圖8～圖10)。

表3 試板加工變形檢測結果 (mm)

圖8 T6+振動時效狀態的試板在機械加工過程中的變形情況

圖9 T6+人工時效狀態的試板在機械加工過程中的變形情況

圖10 T6狀態的試板在機械加工過程中的變形情況

從圖8可以看出，第4次檢測前，T6+振動時效狀態的3塊試板的變形較小(<0.35 mm)，其后，由于機械加工應力增加而呈現變形增大的趨勢。由此可見，在適當的工序增加振動時效可控制工件機械加工過程中的變形。

從圖9可以看出，04和06號試板在機械加工過程中變形較小(<0.5 mm)，人工時效工藝消除應力的效果比較明顯；05號試板在機械加工過程中變形較大。由此可知，人工時效工藝消除應力的作用不太穩定。

從圖10可以看出，T6狀態的試板在機械加工過程中的變形呈現逐漸增大的趨勢。

2.4 尺寸精度穩定性檢測

機械加工后的試板每2周測1次變形，共測6次，以觀察其尺寸精度穩定性。尺寸精度穩定性檢測結果見表4。根據表4可得出T6+振動時效狀態、T6+人工時效狀態及T6狀態的試板尺寸精度穩定性(見圖11～圖13)。

表4 尺寸精度穩定性檢測結果

圖11 T6+振動時效狀態試板尺寸精度穩定性

圖12 T6+人工時效狀態試板尺寸精度穩定性

圖13 T6狀態試板尺寸精度穩定性

從圖11可以看出，T6+振動時效狀態試板機械加工后，01號試板第2次檢測后保持穩定，不再發生變形；02號試板第3次檢測后保持穩定，不再發生變形；03號試板第4次檢測后保持穩定，不再發生變形。

從圖12可以看出，T6+人工時效狀態試板機械加工后，04號試板一直保持穩定，沒有發生變形；05號試板第3次檢測后保持穩定，不再發生變形；06號試板第2次檢測后保持穩定，不再發生變形。

從圖13可以看出，T6狀態試板機械加工后，11號試板不穩定，不斷發生變形；12號試板第2次檢測后保持穩定，不再發生變形；13號試板第4次檢測后保持穩定，不再發生變形。由此可知，T6+振動時效狀態及T6+人工時效狀態的試板比較穩定，尺寸精度穩定性較好；相對來說，T6狀態的試板穩定性不好，尺寸精度穩定性較差。

2.5 力學性能檢測

力學性能檢測在西飛檢測中心進行，檢測結果見表5。從表5可以看出，振動時效及人工時效后，抗拉強度及屈服強度(規定非比例延伸強度)略有提高，塑性略有下降，韌性略有提高。

表5 力學性能檢測結果

3 典型試驗件振動時效試驗

3.1 LD10數控加工件振動時效試驗

某型機的一種零件采用數控加工，毛料為LD10自由鍛件，CS狀態。該零件在數控加工過程中，經常因加強筋斷裂而造成報廢。經分析認為，造成斷裂的原因是鍛件中存在的內應力和數控加工產生的應力在加強筋處疊加后超過了抗拉強度。課題組在數控加工前就該零件的1件毛料進行了振動時效工藝試驗。在隨后的數控加工過程中，沒有出現斷裂現象。

3.2 前緣蒙皮振動時效試驗

一批轉包生產的前緣蒙皮在進行最后的切割工序后發生嚴重的扭曲變形，面臨報廢的結果。一旦報廢，將面臨重大經濟損失。經分析認為，該批前緣蒙皮在生產過程中內應力很大，導致在最后的切割工序后因應力釋放而產生嚴重的扭曲變形。

課題組采用振動時效工藝進行了試驗。在第1次振動時效工藝試驗后，蒙皮前緣母線直線度為8 mm，回彈力較大，效果不太理想。經過5次改進后，蒙皮前緣母線直線度達到2 mm, 回彈力明顯減小，但扭曲變形依然存在。根據第1次振動時效工藝試驗的結果，課題組決定調整前緣蒙皮制造流程，振動時效工藝試驗在化銑后切割前進行，因為此時零件尚未產生扭曲變形。前緣蒙皮第2次振動時效工藝試驗后全部順利交付。

4 結語

振動時效工藝可消除及均化殘余應力，其作用不亞于人工時效。進行振動時效及人工時效處理后，LD10鋁合金的強度略有提高，塑性略有下降，沖擊韌性略有提高，電導率基本不變，尺寸精度穩定性提高。

我國的航空制造企業中，鋁合金鍛件在機械加工過程中存在變形嚴重及開裂現象，部分鈑金類零件也存在嚴重的扭曲變形；飛機裝配型架也存在變形問題。上述問題的存在，使航空制造成本增加，制造周期延長。本文研究表明，采用振動時效工藝能有效解決上述技術難題，具有很大的推廣應用價值。