飛行器折疊舵扭桿彈簧振動去應力試驗與應用

王程霖 白鳳雪 王辰星 吳 娜 張澤賢 劉 健

飛行器折疊舵扭桿彈簧振動去應力試驗與應用

王程霖 白鳳雪 王辰星 吳 娜 張澤賢 劉 健

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100083）

針對飛行器折疊舵扭桿彈簧扭轉后殘余變形影響產品質量的問題，采用振動時效方法進行過程應力消除，通過設計振動工裝、振動控制系統參數，開展扭桿彈簧振動時效試驗，通過不同狀態扭桿彈簧扭轉角對比分析，驗證振動環境下應力消除的有效性，為后期飛行器折疊舵扭桿彈簧尺寸穩定性提高提供借鑒。

振動與穩定性；扭桿彈簧；振動時效；尺寸穩定性

1 引言

扭桿彈簧作為動力元件為飛行器折疊舵的展開提供驅動扭矩，隨著飛行器體積不斷縮小，質量逐漸降低，折疊式舵面設計在飛行器中逐漸普及，尤其是在武器內埋掛載系統中，為實現武器的高密度內埋提供了便利[1]。

扭桿彈簧一般采用優質彈簧鋼制造而成，為了提高彈簧扭桿自身的承載能力及緩沖性能，消除使用中的殘余變形，扭桿彈簧的生產中會進行強扭試驗[2]。試驗過程使產品重構自身的應力分布，引起零件發生緩慢的變形，從而影響產品最終性能指標。本文提出振動時效的方式，在不影響材料本身特性的情況下，加速扭桿彈簧強扭處理后的殘余應力的釋放，解決飛行器折疊舵扭桿彈簧生產過程中緩慢變形的問題，以達到提高產品合格率的目的。

2 振動時效國內外研究現狀

2.1 振動時效國外研究現狀

很早之前，國外的技術人員就開始了振動時效方面的研究工作。20世紀初，美國物理學家Stratt J W最早開始研究振動時效理論，并第一個提交了振動時效技術的發明專利申請[3]。20世紀中葉，通過振動時效可以消除殘余應力的理論被承認，多個西方發達國家強化了對振動時效機理和工藝相關研究的支持。到20世紀70年代，國外相關研究成果指出，當產品承受的動應力與殘余應力的疊加結果超過材料的屈服極限時，能夠使殘余應力減少。到20世紀90年代，金屬產品發生位錯運動的振動時效數學模型被Walker等技術人員建立并進行試驗，通過振動時效技術使圓筒焊接件內部殘余應力消減了一部分，應力分布也變得均勻[4]。相關學者選取半成品輪船軸作為振動時效試驗對象，試驗結果表明殘余應力松弛可達48%左右[5]。21世紀，隨著傳感、測量、網絡等領域新興技術的高速發展，振動時效技術被迅速地推廣并應用。Munsi A S M Y等通過試驗證明，振動時效相較于熱時效處理，對提高產品的疲勞壽命有積極影響，經振動時效處理的產品壽命提升了20%左右[6]。

隨著振動和控制設備的不斷革新，振動時效工藝也逐漸趨于成熟，已被至少十個國家的企業采用并用于生產制造。其中，美國某企業投資了三百余臺用于應力消除的振動設備，曾開展過五千余項振動時效處理。現多國均已將振動時效工藝不同程度地應用于航空、機床、石油運輸等各種輕重工業的生產制造中。

2.2 振動時效國內研究現狀

20世紀70年代，我國引進了振動時效技術，相關領域的技術人員開展了理論和實驗研究[7]。蘆亞萍等學者通過分析得出，振動時效和熱時效均能通過減少塑性變形達到釋放殘余應力的目的，并闡述了兩種時效處理在產品尺寸穩定性方面的差異，并得出結論，相比于熱時效，振動時效在穩定產品尺寸、抗疲勞強度極限方面更具優勢[8]。在“七五”期間，振動時效技術的研究逐漸變得成熟，我國發布了國家標準。“八五”以來，國內不斷有新的學者開展振動時效的機理研究。振動時效減少殘余應力的程度與金屬中位錯密度變化有關這一論斷被上海工程技術大學的焦馥杰應用位錯理論進行了分析[9]。21世紀以來，振動時效在節能、環保、高效等方面突顯出來的較明顯的技術優勢得到認可，2002年成為國家經貿委批準的重點技術推廣項目之一。

3 飛行器扭桿彈簧加工工藝特性及變形分析

本文以飛行器折疊舵中的扭桿彈簧為研究對象，主要用于承載飛行器折疊舵的扭轉負載，通過扭桿的扭轉變形為折疊舵的展開儲存能量。

3.1 扭桿彈簧加工工藝分析

本文研究對象的扭桿彈簧材料為60Si2MnA，含有合金Si和Mn，提高了材料的淬透性和屈強比，可提供足夠高的彈性變形能力，并可承受較大的載荷。

扭桿彈簧制造工藝包含機加、熱表處理及探傷等工序。機械加工工序主要保證圖樣規定的各部位尺寸、公差及表面粗糙度。熱處理調質工序確保扭桿彈簧達到設計的硬度值要求。表面處理使彈簧表面獲得完整、均勻、平滑的化學氧化膜層，使之具有較高的穩定性和耐蝕性。高強度扭桿彈簧在表面處理后應注意進行消除脆性處理，并在試加工時進行氫脆試驗，氫脆試驗未發生斷裂或裂紋后，將工藝參數固化，用于正式產品的加工。

變形試驗是判定扭桿彈簧是否合格的重要判據，將扭桿彈簧按設計角度向工作方向進行扭轉，持續一段時間后進行卸載，測量基準角度變化，由此判斷扭桿彈簧的彈性能力和扭矩是否符合設計要求。

3.2 扭桿彈簧加工數據包絡分析

扭桿彈簧的彈性能力是折疊舵翼是否能順利展開的關鍵指標，根據以往生產經驗和飛行器運行狀況對扭桿彈簧的殘余變形進行成功數據包絡分析，形成數據包絡分析圖，如圖1所示。

圖1 扭桿彈簧加工成功數據包絡分析圖

現有加工能力可保證扭桿彈簧合格率達到95%以上，其中不合格原因均為變形試驗后的殘余變形不合格，包含殘余變形大于3°和小于-0.16°（工作方向為“+”，工作反方向為“-”）兩種情況。殘余變形大于3°為原材料局部性能不滿足要求，不再贅述。本文旨在解決殘余變形小于-0.16°的問題。

3.3 扭桿彈簧變形分析

扭桿彈簧加工過程中確定殘余變形的測量基準，測量基準在加工前，扭桿彈簧經歷了強扭試驗，強扭試驗對扭桿彈簧進行了工作方向的扭轉，在對扭桿彈簧施加扭矩時，扭桿彈簧的材料服從彈塑性本構的物理關系，當卸載施加的扭矩后，扭桿彈簧服從彈性應力應變關系。在強扭試驗過程中，在扭桿彈簧兩端施加扭矩的過程中，在扭桿彈簧截面上產生逐漸增大的純剪切應力。當扭矩較小時，扭桿彈簧處于彈性階段，扭矩消失后，扭桿彈簧回到初始位置，扭轉角與回彈角相等，不存在殘余變形；隨著扭矩不斷增大，直到扭矩增大到扭桿彈簧到達彈性極限時所能承受的扭矩時，扭桿彈簧開始進入塑性變形，扭矩消失后，回彈角小于扭轉角，出現殘余變形。

引起塑性變形的扭矩所做的功，以零件內部材料變形的形式貯存在零件內，當扭矩消失后，由于變形而產生的不均勻的能量需要釋放，能量釋放的過程中，零件緩慢地向殘余變形的反方向再次變形，直至能量全部釋放出來，使零件內部的應力達到平衡，零件的殘余變形達到相對穩定狀態。

表1 扭桿彈簧強扭試驗后殘余變形統計 (°)

根據以上分析的扭桿彈簧扭轉、卸載的殘余變形規律，在強扭試驗后，扭桿彈簧會產生工作方向的殘余變形，抽測強扭試驗后扭桿彈簧的殘余變形如表1所示。抽測的20根扭桿彈簧在強扭試驗后內部產生了14.778°～19.583°不穩定變形，隨著時間的推移，不穩定的內部殘余應力做功，使強扭試驗產生的殘余變形向工作的反方向靜置28d后對扭桿彈簧的殘余變形進行測量，具體數值如表2所示。

如表2所示，在28d中，扭桿彈簧發生了-2°～-0.51°的角度變化，扭桿彈簧加工至變形試驗工序時，經歷了相對較長的一段時間，扭桿彈簧的彈性性能趨于穩定，如果變形試驗中產生的殘余變形較小，小于這段時間殘余應力做功而產生的工作反方向的殘余變形，則出現了殘余變形為負值的情況。

表2 強扭試驗28d后扭桿彈簧的殘余變形統計(°)

3.4 扭桿彈簧殘余應力消除

為解決強扭試驗后扭桿彈簧殘余變形為負值的問題，需探討強扭試驗后加速扭桿彈簧殘余應力重新分布的速度，使扭桿彈簧在短時間內釋放內部殘余應力。回火、噴丸、振動時效均能有效去除零件內的殘余應力，使零件內部的組織達到穩定，但扭桿彈簧在強扭試驗后，表面尺寸和粗糙度、硬度和強度要求均已達到設計要求，噴丸處理會破壞零件的表面質量，回火時，隨著回火溫度的提升，材料的硬度和強度均會產生不同程度的降低，這兩種方式均不適用于扭桿彈簧，振動時效技術相較于傳統時效技術，其操作時間短，成本低，節能環保，且殘余應力降低效果好，所以本文將著重探討振動時效對強扭試驗后扭桿彈簧的殘余應力變化的影響[10]。

4 飛行器扭桿彈簧振動時效試驗設計

根據前面的分析可知，消除殘余應力的必要條件是使材料受力或者溫度等變化，從而消除零件因加工工藝產生的內部應力。如果要內部應力得到宏觀范圍的釋放，可以通過疊加扭桿彈簧的殘余應力與振動設備激振產生的動應力的方式，當疊加的結果超過材料的屈服極限時，材料的形變就會停止，從而達到工件時效的目的。但是，激振產生的動應力具有兩面性，動應力過小時，則無法達到快速振動時效的目的；動應力過大時，疲勞損傷會使工件產生開裂等現象。因此，在振動時效試驗設計時，最大動應力的選擇應小于工件的疲勞極限，確保工件可以經歷無限次數的循環而不發生損傷。

工件時效處理的效果與選擇激振力的大小息息相關，但同時振動實現過程中選擇的振動類型、頻率范圍同樣重要。當激振頻率與工件的固有頻率接近時，工件與振動設備會發生共振現象，較大的動應力會作用于工件上，從而使降低殘余應力的效果更好。因此，選擇正確的振動時效試驗參數可以獲得相對較好的振動時效效果。

4.1 選擇激振力

振動時效過程中，振動設備施加的激振力會使工件獲得附加的交變應力，工件因加工產生的殘余應力疊加附加的交變應力，工件的局部或整體會產生塑性變形，從而使工件內部的殘余應力更加松弛、均化，甚至消除，這種塑性變形成為工件狀態趨于穩定的關鍵。

研究表明，過載系數是所受外力與自身應力之比，對于時效試驗來說是工件受到的附加動應力和工件殘余應力之比，即=附加動應力/殘余應力，過載系數是鑒定振動時效處理有效性的依據之一。但是過載系數的值并不是絕對的，如果選擇通過振動時效試驗釋放工件內部的殘余應力，使殘余應力得到宏觀范圍的釋放，需要保證兩個條件。第一個條件是激振動應力與殘余應力的疊加結果高于材料的屈服極限，第二個條件是過載系數大于1，此時激振動應力與殘余應力消除效果呈正比。同時需要注意的是，過大的動應力會使工件因疲勞造成不可逆的損傷。目前查詢到的資料都顯示動應力不能超過工件的疲勞極限，因此，設計振動時效試驗時，激振力的選擇應同時滿足以下條件：

a. 工件受到的動應力與殘余應力之和必須大于工件材料的屈服極限；

b. 工件受到的動應力小于工件疲勞極限。根據以上內容分析，選擇的扭桿彈簧的屈服強度為1411MPa，按照動應力10～50MPa的范圍內取值，滿足動應力值不超過材料的疲勞極限值要求。

4.2 激振頻率確定

在共振狀態下，工件可以在振動設備提供的較小激振力下產生最大的振幅，受到更大的動應力，工件在此種狀態時可以快速地消除殘余應力，在最短的時間內使工件獲得最佳的尺寸穩定性。為了達到提高振動時效效率的目的，可以通過設置振動設備提供的頻率與工件的固有頻率一致，使工件處于共振狀態。工件的固有頻率與自身的很多特點有關系，比如外形尺寸、阻尼、密度、質量等。一般多自由度振動系統會有多個固有頻率，操作過程中可以選取其中一個。單自由度振動系統通常選取一階共振頻率。除了一階頻率太低的情況，振動設備的能量不易被有效利用，可采用二階或三階共振頻率，一般選取一階共振頻率當作主激振頻率，可以在較低的頻率獲得較大振幅。除此之外，選擇的激振頻率應小于振前固有頻率和振后固有頻率，且激振頻率靠近振后固有頻率時，更有益于殘余應力的再次釋放。

但是在工件處于共振狀態下時，因工件產生大幅度振動，振動設備的工作條件較差，若共振幅度超出振動設備極限范圍，振動的設備激振器甚至可能被損壞，因此為了避免此種情況的發生，振動頻率一般選擇工件固有頻率附近頻率用于激振工件，降低共振帶來的破壞風險。試驗過程中，隨著振動時間的不斷增加，因工件參與應力逐步釋放，其固有頻率還有降低的可能，因此通常選用工件的亞共振區的頻率作為激振頻率。

對試驗件進行掃描，以樣件及工裝組合進行頻率確定。

圖2 振動驅動圖譜

如圖2所示，一階固有頻率為1800Hz，選擇亞共振頻率1670Hz作為試驗工件振動時效的激振頻率。

4.3 激振時間確定

振動時效消除殘余應力時，工件內金屬材料產生位錯運動，發生不斷攀移的現象，直至最后到達穩定狀態，因此雖然通過振動時效的方式消除殘余應力可以加速時效過程，但是也需要一定的處理時間。殘余應力的分布和大小與工件的結構和重量有關，所以各類工件的振動時間也會有所不同。不同的振動時間會產生不同的效果，在振動時效的時間選擇中，可以通過3個方面確定振動時效時間。

a. 工件質量：工件質量與振動時效參考時間見表3。

表3 工件質量與振動時效參考時間對應關系

b. 塑性變形狀態：殘余應力消除、零件狀態穩定性的重要表征之一為工件塑性變形的變化，因此可以將塑性變形趨于穩定的時間作為振動時效時間。

c. 振動響應：通過工件的共振峰、振幅確定振動時效時間。

從實際生產的角度看，振動時效時間有一定范圍，在一定的激振力下，振動時效的時間一旦超出范圍就會產生疲勞損傷。雖然在激振力小于材料的疲勞極限時，可以忽略此問題，認為振動時效處理時間可以無限延長，但是，當位工件不再產生錯穩運動后，繼續施加激振力，振動時效的效果極差。此時，振幅不再因共振產生變化，在原參數下繼續振動，殘余應力不會再發生明顯的變化。但是，通常在振幅—時間曲線變平后會再延長3～5min的振動時效時間，可穩定振動時效的效果。

本試驗以工裝及組件為試驗對象，重量為14kg，小于227kg，振動時效時間10min。

4.4 其他因素確定

振動時效效果除與上述描述的激振力、激振頻率和激振時間有密切關系外，其它因素也對振動時效的效果有一定的影響，比如工件的支撐、激振點的選擇、激振器的固定等。

4.4.1 工件的支撐

工件在振動設備上通過工裝進行合理支撐，可以有效保證產品得到良好的激振力，使工件快速達到激振頻率。應選擇在共振狀態下工件自身的振幅為零的點，即工件振動的節點處，作為工件的支撐位置，防止施加的能量過多流失，振動效率得到提高，工裝與工件不會因為彼此之間的相對位移而導致撞擊，也不會造成工件滑動影響加速度信號的穩定性。

本次試驗選擇壓板式固定方式，單次可實現2件產品裝夾，分為2個振動檢測點及2個振動控制點。振動裝夾方式、振動控制點及監測點設置位置如圖3所示。

圖3 振動裝夾、振動控制點及監測點示意圖

4.4.2 激振點的選擇和激振器的固定

振動時效處理中，激振點的選擇直接影響振動時效的效果。以滿足工件內產生盡量大的動應力為目的，通常將激振點定在波峰附近。如果將激振點選擇在振動的節點位置，激振力在工件內產生交變的動應力為0，無法達到時效的目的。但一定要避免選擇在工件結構薄弱處，防止因激振力造成損壞。

研究表明，在相同的振動工況下，工件與激振器的相對位置直接影響著振動時效的效果。因此，在實際操作過程中，可以多次調整激振器的位置，觀察振幅的變化情況，選擇最優的激振器位置。

工件與激振器一般剛性連接，這種連接方式可以極大限度地保證激振器對工件的能量傳遞。通常連接夾具采用“C”型，如果工件結構不能實現“C”型夾具緊固，可考慮在工件上鉆孔攻絲后再采用螺紋連接。

4.4.3 掃頻速率

工件因其固有特性存在阻尼，在振動提供的激振應力下達到穩態需要一定的時間。在實際操作中，掃頻升速是連續的，工件沒有充足的響應時間達到穩態。因此，掃頻過程中升速不同，在共振區達到共振的頻率就會不一樣，如果掃頻速率過大，得到的可能不是工件固有特性的響應，而是基于激振力的強迫響應。

5 試驗結果分析

從圖4可以看出，振動時效工藝在扭桿彈簧殘余變形穩定性方面優于自然時效，自然時效3d的扭桿彈簧的殘余變形恢復了0.03°～0.266°，殘余變形的平均值為-0.09°，而振動時效10min的扭桿彈簧的殘余變形恢復了0.396°～0.962°，殘余變形的平均值為-0.55°，超過自然時效殘余變形變化的6倍，因此判定振動時效可在相對較短的時間內使扭桿彈簧的殘余應力到達較為穩定的狀態，在效率和效果兩方面均優勝于自然失效，通過振動時效的方法降低殘余應力，可有效縮短生產周期。

圖4 振動時效與自然時效殘余變形角度變化對比

6 結束語

本文對飛行器扭桿彈簧加工工藝進行分析，得出零件變形的原因，并對振動時效試驗中的激振力、激振頻率、激振時間等相關要素進行設計，通過振動時效和自然時效試驗結果的對比發現，振動時效可以在較短的時間內使扭桿彈簧的殘余應力降低至較為穩定的水平，在效率和效果方面均有明顯的優勢，可以為該類零件加工去應力提供借鑒。

1 李智，楊雷，段麗華，等. 組合扭桿式折疊舵展開性能研究[J]. 兵器裝備工程學報，2022，43(8)：164～169

2 王振峰，董明明，趙凱，等. 扭轉精度對扭桿彈簧強扭工藝的影響[J]. 東北大學學報，2016，37(10)：1446～1454

3 張鴻. 振動時效與精密工件尺寸穩定性研究[D]. 河北：燕山大學，2022

4 Munsi A S M Y, Waddell A J, Walker C A. Vibratory stress relief: an investigation of the torsional stress effect in welded shafts[J]. Journal of Strain Analysis, 2001, 36(5): 453～463

5 FaridT, Anouar N, Hartmut F, et al. X-ray diffraction measurement of residual stress in epitaxial ZnO/α-Al2O3thin film[J]. Mechanics research communications, 2011, 38(3): 186～191

6 Munsi A S M Y, Waddell A J, Walker C A. The influence of vibratory treatment on the fatigue life of welds：a comparison with thermal stress relief [J]. Strain, 2001, 37(4): 141～149

7 饒德林，陳立功，倪純珍，等. 振動時效技術的研究狀況[J]. 焊接，2004 (11)：5～7

8 蘆亞萍，馬振宇，賈權仕，等.振動時效機理研究[J]. 機械科學與技術，2001，20(4)：587～589

9 辛鵬. 振動時效法消除結構殘余應力技術研究[D]. 北京：北京理工大學，2015

10 劉春澤，楊雪梅，周紅生，等. 振動時效技術研究進展[J]. 聲學技術，2017，36(1)：42～49

Test and Application of Vibration Stress Relief for Torsion Bar Spring of Aircraft Rudder

Wang ChenglinBai FengxueWang ChenxingWu NaZhang ZexianLiu Jian

(Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100083)

In this paper, aiming at the problem that the residual deformation of torsion bar spring of aircraft rudder affects the product quality after torsion, the vibration aging method is used to eliminate the process stress. By designing the vibration tooling and vibration control system parameters, the torsion bar spring vibration aging test is carried out. Through the comparative analysis of torsion angle of torsion bar spring in different states, the effectiveness of stress elimination in vibration environment is verified. It provides a reference for improving the dimension stability of torsion bar spring of aircraft rudder in the later stage.

stability and vibration；torsion bar spring；vibration aging；dimension stability

TH142.75；V448

A

王程霖（1987），高級工程師，機械工程專業；研究方向：隨機振動試驗技術。

2023-05-17