振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力消除可靠性探討

徐練光 吳本興 楊 濤 高源傳崎 劉 川 梁多銘

振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力消除可靠性探討

徐練光 吳本興 楊 濤 高源傳崎 劉 川 梁多銘

（四川航天燎原科技有限公司，成都 610100）

通過(guò)分析熱處理與振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的原理，開(kāi)展了對(duì)同一試驗(yàn)件在初始狀態(tài)、振動(dòng)時(shí)效后和熱處理后三種狀態(tài)下的對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)了三種應(yīng)力消除方式試驗(yàn)后具體應(yīng)力值，得出三種消除應(yīng)力方式的應(yīng)力消除率，驗(yàn)證了振動(dòng)消除應(yīng)力在零件加工中的消除應(yīng)力和控制零件變形的有效性。

振動(dòng)時(shí)效；殘余應(yīng)力；應(yīng)力消除率

1 引言

鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好及易加工等特點(diǎn)，目前已廣泛運(yùn)用于航天產(chǎn)品零部件中。但硬鋁合金在切削加工時(shí)機(jī)械加工應(yīng)力較大，導(dǎo)致零件加工后變形大。我公司承制的航天產(chǎn)品中，70%以上采用2A12硬鋁合金材料，在加工過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力大，變形嚴(yán)重，需要經(jīng)過(guò)時(shí)效消減應(yīng)力和校形，才能保證尺寸要求。目前，主要通過(guò)熱處理方式消除零件在機(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，但熱處理耗時(shí)較多且需要跨車間，導(dǎo)致零件的生產(chǎn)進(jìn)度往往不能滿足生產(chǎn)周期要求，且熱處理并不能充分消除應(yīng)力，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。因此尋求另外一種消除應(yīng)力方式作為熱處理方式的補(bǔ)充或部分替代成為必然。

2 振動(dòng)時(shí)效的工作原理

振動(dòng)時(shí)效設(shè)備主要包括減震器、控制器、傳感器和振動(dòng)平臺(tái)等，如圖1所示。工作時(shí)將工件安裝于振動(dòng)平臺(tái)上，在工件的各個(gè)方向安裝傳感器，再通過(guò)控制激振器產(chǎn)生激振頻率。利用傳感器反饋的數(shù)據(jù)，選擇使工件發(fā)生共振的頻率，讓工件隨振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)，使工件內(nèi)部組織產(chǎn)生微觀變化，從而使工件內(nèi)部應(yīng)力得到降低，最終保證產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性。

圖1 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備

3 振動(dòng)消除應(yīng)力工藝試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)流程

由于零件之間存在個(gè)體差異，為了更好地對(duì)比各種失效應(yīng)力后零件殘余應(yīng)力的變化，采用X射線衍射法檢測(cè)并記錄。設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)，對(duì)同一零件的相同部位在不消除應(yīng)力、振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力和熱處理消除應(yīng)力三種處理后檢測(cè)殘余應(yīng)力，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的具體效果。工藝試驗(yàn)方案流程如圖2所示。

圖2 工藝試驗(yàn)方案總流程

3.2 工藝試驗(yàn)方案實(shí)施

3.2.1 試件的制作

依據(jù)航天產(chǎn)品的特點(diǎn)，選擇變形大的硬鋁鋁合金作為此次試驗(yàn)材料，并設(shè)計(jì)制作試驗(yàn)件。材料：鋁板2A12-T1；規(guī)格：45mm×205mm×205mm；數(shù)量：4件，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 試件的加工及檢測(cè)流程

為盡可能地確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，此次試驗(yàn)的4 件試驗(yàn)件為同一批次加工，加工工藝流程及參數(shù)等均相同。對(duì)同一零件的相同部位在不消除應(yīng)力、振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力和熱處理消除應(yīng)力三種處理后檢測(cè)殘余應(yīng)力，取試驗(yàn)件4件，試驗(yàn)工藝流程為：銑外形→淬火（將零件材料由T1狀態(tài)改成T4狀態(tài)）→銑內(nèi)腔→線切割清根→在指定的2塊區(qū)域標(biāo)記位置用X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力值并記錄→振動(dòng)時(shí)效→在指定的2塊區(qū)域標(biāo)記位置用X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力值并記錄→熱處理→在指定的2塊區(qū)域標(biāo)記位置用X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力值并記錄。

試件及檢測(cè)具體位置分別見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 試件

圖5 試樣測(cè)點(diǎn)位置

3.2.3 檢測(cè)參數(shù)

采用X射線衍射法檢測(cè)殘余應(yīng)力，檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 X射線應(yīng)力測(cè)試儀檢測(cè)參數(shù)（Cr靶）

3.3 振動(dòng)時(shí)效殘余應(yīng)力的影響試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 振動(dòng)時(shí)效殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)

振動(dòng)時(shí)效前后的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2～表5，其中正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。應(yīng)力消除率的計(jì)算方法為：

表2 1#鋁板表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

表3 2#鋁板表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

表4 3#鋁板表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

表5 4#鋁板表面殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

如表2～表5所示的振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為曲線圖如圖6～圖9所示。

圖6 1#試樣曲線圖

圖7 2#試樣曲線圖

圖8 3#試樣曲線圖

圖9 4#試樣曲線圖

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2～表5、圖6～圖9的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：

a. 經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理后，相對(duì)于原始狀態(tài)，2A12-T4鋁板表面殘余應(yīng)力整體有一定程度的降低，應(yīng)力的總體水平相對(duì)于振動(dòng)時(shí)效處理前更趨于均勻化，說(shuō)明振動(dòng)時(shí)效工藝起到了一定程度消除鋁板應(yīng)力的作用；

b. 1#試樣振動(dòng)時(shí)效平均應(yīng)力消除率為39.9%，2#試樣振動(dòng)時(shí)效平均應(yīng)力消除率為42.2%，3#試樣振動(dòng)時(shí)效平均應(yīng)力消除率為39.3%，4#試樣振動(dòng)時(shí)效平均應(yīng)力消除率為43.7%；

c. 經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效+熱處理后，相對(duì)于原始狀態(tài)，2A12-T4鋁板表面殘余應(yīng)力整體分布變得更為均勻，基本上為拉應(yīng)力，應(yīng)力絕對(duì)值峰值降低。1#～4#試樣熱處理態(tài)平均應(yīng)力消除率分別為26.6%、26.2%、27.9%和26.8%；

d. 對(duì)比振動(dòng)時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效+熱處理的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)效態(tài)的平均應(yīng)力消除率要高于振動(dòng)時(shí)效+熱處理態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力消除情況工藝試驗(yàn)，并結(jié)合X射線衍射法檢測(cè)試驗(yàn)件具體的應(yīng)力值，摸清了振動(dòng)時(shí)效具體的應(yīng)力消除水平。本次試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)經(jīng)振動(dòng)時(shí)效后試驗(yàn)件的應(yīng)力消除率相對(duì)于熱處理狀態(tài)時(shí)更高，可以采用振動(dòng)時(shí)效替代常規(guī)的熱處理時(shí)效消除應(yīng)力工藝。另外，如果采用振動(dòng)時(shí)效與熱處理時(shí)效相結(jié)合方式消除應(yīng)力，工件應(yīng)力的總體水平將更趨于均勻化，有利于產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定。

1 湯小牛，劉久明. 振動(dòng)時(shí)效[M]. 濟(jì)南：機(jī)械工業(yè)部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所，1999

The Reliability Discussion of Vibrating Stress Relief

Xu Lianguang Wu Benxing Yang Tao Gao Yuanchuanqi Liu Chuan Liang Duoming

(Sichuan Aerospace Liaoyuan Science and Technology Co., Ltd., Chengdu610100)

By analyzing the principle of stress relief by heat treatment and vibration stress relief, the comparative tests of the same test piece under three states of initial state, vibration stress relief and heat treatment are carried out. The specific stress values of three stress relief methods after test are tested, and the stress relief rates of three stress relief methods are obtained, which verify the elimination of stress in part processing and effectiveness of controlling part deformation by vibration stress relief.

vibrating stress relief；stress relief rate；residual stress

徐練光（1988），工程師，機(jī)械專業(yè)；研究方向：機(jī)加工藝。

2019-09-09