振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究-衛(wèi)星廠

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1、振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用研究北京衛(wèi)星制造廠趙長喜摘要分析并討論了振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)的基本原理，通過振動(dòng)消除應(yīng)力與傳統(tǒng)的熱處理時(shí)效工藝的對比工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了振動(dòng)消除應(yīng)力在鋁合金零件加工中的消除應(yīng)力控制變形的有效性，對于高強(qiáng)鋁合金小型薄壁結(jié)構(gòu)件和大型結(jié)構(gòu)件，效果優(yōu)于熱處理時(shí)效消除應(yīng)力，并給出了振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)在航天器大型鑄件、精密零部件、大型零部件加工中的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞振動(dòng)應(yīng)力振動(dòng)時(shí)效作者簡介：趙長喜（1970-）,研究員，機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)和通信與信息系統(tǒng)專業(yè)；研究方向：空間飛行器制造工藝。收稿口期：2

2、008-04-021引言衛(wèi)星和飛船等航犬器金屬薄壁結(jié)構(gòu)零部件多采丿1JLY12CZ、LD10CS和LC9CZ等高強(qiáng)度鋁合金，rfl于此類材料加工應(yīng)力鮫大，在加工過程中極易變形。在加工過程中，為了不改變材料的狀態(tài)，不降低材料的性能，在工件消除應(yīng)力時(shí)，不能采川熱處理退火工藝方法，只能采用低溫時(shí)效消除應(yīng)力，而低溫時(shí)效溫度低，應(yīng)力去除效果不理想。目前在半精加工和精加工時(shí)，采用多工序小吃刀量加工，并進(jìn)行多次低溫?zé)崽幚頃r(shí)效的工藝方案。而多次熱處理會(huì)降低材料的性能（原則上熱處理次數(shù)不超過3次）。盡管采取以上措施,仍

3、不能徹底消除零件的殘余應(yīng)力或使應(yīng)力分布均勻化以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，造成零件加工變形，加工精度和表面質(zhì)量差，工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性差,導(dǎo)致零件成品率低，且工時(shí)長,工序繁多，產(chǎn)品生產(chǎn)率低，成為制約產(chǎn)品工藝定型和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)小批量主產(chǎn)和紐批生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。振動(dòng)消除應(yīng)力技術(shù)與常規(guī)的熱處理退火、時(shí)效工藝相比，具有設(shè)備簡單、對環(huán)境無特殊耍求、適應(yīng)范圍廣、可實(shí)現(xiàn)在線消除應(yīng)力、處理時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航天器的研制中具冇廣泛的應(yīng)用前景，特別是對H前航天產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)意義更加重大。2振動(dòng)消除應(yīng)力的機(jī)理對于振動(dòng)過程的機(jī)

4、理，國內(nèi)外己經(jīng)進(jìn)行了人量的研究丄作，取得以下的共識。振動(dòng)就是對金屬構(gòu)件施加周期性的作用力（動(dòng)應(yīng)力o動(dòng)）。在振動(dòng)過程中，丿施加到金屬構(gòu)件各部分的動(dòng)應(yīng)力O動(dòng)與內(nèi)部殘余應(yīng)力O殘疊加，當(dāng)疊加幅值大于金屬構(gòu)件的屈服極限6,即O動(dòng)+O&6時(shí)，這些點(diǎn)晶格滑移，產(chǎn)生微小的塑性變形，達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的冃的。從微觀上看，只要溫度在絕對零度以上，金屬原子始終處于運(yùn)動(dòng)屮，由于殘余應(yīng)力的影響，這些原子處于不平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但它們力求回復(fù)平衡位置，這就需耍能量。振動(dòng)時(shí)效就是給金屬構(gòu)件提供機(jī)械能，使約束金屈原子復(fù)位的殘余應(yīng)力釋放，加

5、快金屈原子回復(fù)平衡位置的速度。從金屬物理學(xué)上看，振動(dòng)時(shí)效的過程，實(shí)質(zhì)上是金屈材料內(nèi)部晶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖、塞積和纏結(jié)的過程。由于金屬材料存在位錯(cuò)，所以在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的交變動(dòng)應(yīng)力與內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互疊加，在應(yīng)力較高的區(qū)域，就可產(chǎn)生位錯(cuò)滑移，出現(xiàn)微小塑性變形。位錯(cuò)滑移是單向進(jìn)行線性累積的，當(dāng)微應(yīng)變累積到一個(gè)宏觀量，金屬組織內(nèi)殘余應(yīng)力較大處的位錯(cuò)塞積得以交替開通，局部較人殘余應(yīng)力得以釋放，構(gòu)件広觀內(nèi)應(yīng)力隨Z松弛，使殘余應(yīng)力的峰值下降，改變了構(gòu)件原有的應(yīng)力場，最終使構(gòu)件的殘余應(yīng)力降低并重新分布，使較低的應(yīng)力達(dá)到

6、平衡。位錯(cuò)塞積后造成位錯(cuò)移動(dòng)受阻，從而強(qiáng)化了基體，提高了構(gòu)件抗變形能力，使構(gòu)件的尺寸精度趨于穩(wěn)定。3振動(dòng)消除應(yīng)力工藝試驗(yàn)3.1試驗(yàn)?zāi)康拈_展振動(dòng)消除應(yīng)力工藝研究和試驗(yàn)工作，旨在尋求一種新的消除應(yīng)力的工藝方法，一是解決大型結(jié)構(gòu)件無法進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力的工藝問題；二是解決小型薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形問題，最終實(shí)現(xiàn)提高薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的加工精度，縮短研制周期的冃的。3.2試驗(yàn)方法由于有色金屬殘余應(yīng)力測量比較困難，目前尚無比較理想的測量方法，因此，采川對比試驗(yàn)法，選擇典型結(jié)構(gòu)試件，進(jìn)行振動(dòng)消除應(yīng)力、熱處理消除應(yīng)力和

7、不進(jìn)行消除應(yīng)力三種情況下的加工試驗(yàn)，實(shí)際測量各種情況下的變形量，并対這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對振動(dòng)消除應(yīng)力進(jìn)行評價(jià)。3.3高強(qiáng)鋁合金小型薄壁結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)選擇加工變形大的結(jié)構(gòu)和材料作為試驗(yàn)件。材料：2A12（LY12）；狀態(tài)：熱軋，C乙結(jié)構(gòu)：薄壁盒形結(jié)構(gòu)（160mmX350mmX10mm,壁厚2mm）,見圖1。圖1高強(qiáng)鋁合金小型薄壁結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)件為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，所有試件均采用相同的材料（同一塊原材料）、相同的加工設(shè)備、相同的刀具、相同的切削參數(shù)。分別在不做消除應(yīng)力、熱處理消除應(yīng)力、振動(dòng)消除應(yīng)力三種狀態(tài)下

8、進(jìn)行對比試驗(yàn)，每種狀態(tài)各収試件3件，試件加工分粗加工（單邊留3nm余量）、半精加工（單邊留1mm余量）、精加工等工序。a.不做消除應(yīng)力加工試驗(yàn)（試件1?1）半精加工試件1?1加工工藝流程如下：下料粗加工精加工圖2試件1?1（粗加工后）b.熱處理消除應(yīng)力加工試驗(yàn)（試件1?2）試件1-2加工工藝流程如下：粘處理消:昧應(yīng)力I熱史理消1tfi力I其中熱處理采用的是鋁合金時(shí)效處理（不能采用退火處理，否則材料性能會(huì)下降很多）。圖3試件1-2（精加工）c.振動(dòng)消除應(yīng)力