劉 赫，唐兄彬

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

0 引言

鑄鋁合金的框架產(chǎn)品作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，除了承力配合之外，關(guān)鍵是配合游機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行調(diào)姿入軌，所以設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)鑄鋁合金框架的加工要求很高，主要是要求加工變形小，否則，將會(huì)影響運(yùn)載火箭的飛行軌道和衛(wèi)星的入軌精度。在實(shí)際加工過(guò)程中，鑄鋁合金由于存在殘余應(yīng)力，很容易引起工件變形，進(jìn)而造成鑄鋁合金的框架尺寸不穩(wěn)定。為此，進(jìn)行了工藝攻關(guān)，通過(guò)采用振動(dòng)時(shí)效方法解決了該技術(shù)難題。

傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力的方法有熱時(shí)效和自然時(shí)效。熱時(shí)效需要專(zhuān)用加熱爐，投資大、能耗大、效率低、污染環(huán)境、易產(chǎn)生新的變形和二次應(yīng)力；自然時(shí)效周期長(zhǎng)，效率低，導(dǎo)致成本增加。相比之下，振動(dòng)時(shí)效生產(chǎn)周期短，處理地點(diǎn)靈活，生產(chǎn)費(fèi)用低，且無(wú)環(huán)境污染，比較可行。

1 鑄鋁合金框架產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求

框架為鋁合金材料鑄件，屬于空間非對(duì)稱撓性結(jié)構(gòu)零件 (見(jiàn)圖1)。

該項(xiàng)產(chǎn)品尺寸精度高，加工工序多，變形嚴(yán)重，其中L1尺寸長(zhǎng)約200 mm，A面長(zhǎng)約150 mm，輕微變形都將會(huì)導(dǎo)致尺寸超差。通常工序加工、檢驗(yàn)合格后，到最終總體檢驗(yàn)時(shí)尺寸往往超差。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求Tab.1 Main design specifications

2 殘余應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品變形的影響

鑄鋁合金框架殘余應(yīng)力產(chǎn)生途徑主要為兩部分：一是鑄件產(chǎn)品在凝固過(guò)程中，由于冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余應(yīng)力；二是產(chǎn)品在機(jī)加過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

以上兩種殘余應(yīng)力交互作用于產(chǎn)品上，使產(chǎn)品易于產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲等不規(guī)則變形；同時(shí)，在進(jìn)行切削加工時(shí)，原有的應(yīng)力平衡被破壞，應(yīng)力重新分布、釋放，尤其是框架產(chǎn)品的撓性結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致產(chǎn)品再次產(chǎn)生變形更為嚴(yán)重，加工精度難以保證，尺寸穩(wěn)定性極差。

3 振動(dòng)時(shí)效機(jī)理

3.1 宏觀機(jī)理

從宏觀上分析，振動(dòng)時(shí)效時(shí)所加激振力相當(dāng)于給工件施以交變應(yīng)力，如圖2所示的交變應(yīng)力－應(yīng)變特性曲線。在周期性振動(dòng)外載作用下，構(gòu)件上產(chǎn)生的交變動(dòng)應(yīng)力與內(nèi)部某些點(diǎn)的殘余應(yīng)力相互疊加，達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限，即δ動(dòng)+δ殘≥δS時(shí)，這些點(diǎn)處將發(fā)生微小塑性變形，改變了構(gòu)件原有的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，最終使構(gòu)件的殘余應(yīng)力降低并得到調(diào)整。

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強(qiáng)度上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，工件的彈性性能得到強(qiáng)化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。

3.2 微觀機(jī)理

從微觀上分析，振動(dòng)時(shí)效 (VSR)就是給金屬構(gòu)件提供機(jī)械能，因金屬具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在δ動(dòng)+δ殘≤δS時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機(jī)理為：由振動(dòng)輸入的活化能使位錯(cuò)移動(dòng)，在位錯(cuò)塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時(shí)，遷移的位錯(cuò)切割位錯(cuò)群，以致使位錯(cuò)相互釘扎，材料基體得到強(qiáng)化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

4 鑄鋁合金框架加工工藝流程

為了解決框架零件以上變形問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)框架的變形控制進(jìn)行工藝研究：a)優(yōu)化工藝流程：對(duì)加工過(guò)程中變形量大的工序進(jìn)行細(xì)化，合理分配加工余量，降低變形；b)采用振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的方法，控制框架產(chǎn)品的變形。將振動(dòng)時(shí)效工序放在半精鏜后，精鏜前，能有效的將前期的殘余應(yīng)力消除掉，具體流程見(jiàn)圖3。

5 振動(dòng)時(shí)效工藝的應(yīng)用

5.1 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備簡(jiǎn)介

三維振動(dòng)時(shí)效裝置由工作臺(tái)、激振器、振動(dòng)參數(shù)控制器和振動(dòng)傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5.2 振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇

5.2.1 動(dòng)應(yīng)力的選擇

振動(dòng)時(shí)效時(shí)構(gòu)件所承受的載荷由兩部分組成：一部分是構(gòu)件本身的殘余應(yīng)力；另一部分是施加在構(gòu)件上的動(dòng)應(yīng)力，該應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，兩者疊加后應(yīng)為不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，故構(gòu)件內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)為不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力（見(jiàn)圖5所示）。

由圖 5 可見(jiàn)：1) 當(dāng) δm＞0 時(shí)，δa＜δmax；當(dāng) δm＜0時(shí)，δm＜0，δa＞δmax。故在考慮產(chǎn)品在振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中受應(yīng)力循環(huán)水平時(shí)，不僅要考慮動(dòng)應(yīng)力的振幅，同時(shí)還要考慮其平均應(yīng)力（殘余應(yīng)力）水平，在同一δa條件下，δm值越大，δmax值越高，則構(gòu)件的疲勞壽命越短；2)δmin≠δmax，故應(yīng)力比（循環(huán)特征）r=δmin/δmax≠-1。綜合上述兩點(diǎn)及振動(dòng)宏觀機(jī)理，動(dòng)應(yīng)力選取條件應(yīng)為δ動(dòng)+δ殘≥δS，且 δ動(dòng)+δ殘≤δr。

5.2.2 激振頻率的選擇

根據(jù)振動(dòng)時(shí)效原理，一般選擇在工件固有頻率附近激振較好，采用幅頻特性曲線上的亞共振區(qū)的頻率激振工件。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可將共振峰值的4/5處對(duì)應(yīng)的頻率作為激振頻率，這樣可避免在工件固有頻率上共振，出現(xiàn)振動(dòng)不穩(wěn)定。共振頻率：

式中：ans為邊界常數(shù)；h為產(chǎn)品平均厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；Pa為單位面積質(zhì)量；A為產(chǎn)品表面長(zhǎng)寬度。

在本工藝過(guò)程中，使用設(shè)備本身先進(jìn)的頻率自動(dòng)掃描功能，得到框架產(chǎn)品的固有頻率。在保證裝卡數(shù)量一致 (均為4件)的前提下，掃描得到的固有頻率在7200～7700 rpm。

5.2.3 激振時(shí)間的選擇

振動(dòng)時(shí)效效果與振動(dòng)時(shí)間有關(guān)。構(gòu)件在一定激振力和激振頻率作用下，在最初的一段振動(dòng)時(shí)間內(nèi)，內(nèi)部應(yīng)力變化較明顯，其后內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)趨于穩(wěn)定。研究表明，振動(dòng)處理的前5 min殘余應(yīng)力變化最快，15 min以后基本處于穩(wěn)定。在對(duì)鋁合金的振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，根據(jù)JB5926-2005推薦和經(jīng)驗(yàn)，一般振動(dòng)時(shí)效時(shí)間為30 min。

5.2.4 工件的支承

工件支承位置和裝夾位置都是依據(jù)工件的振型來(lái)確定的?？偟脑瓌t是，支承墊應(yīng)放在工件振型的節(jié)線處，支承墊應(yīng)具有彈性 (如橡膠、墊木、剛性彈簧等)；激振器應(yīng)放在工件振型的振幅處，用專(zhuān)用卡具與工件剛性地卡在一起；加速度計(jì)應(yīng)放在遠(yuǎn)離激振器的另一個(gè)振幅處。

5.3 振動(dòng)時(shí)效后加工情況對(duì)比結(jié)果

隨機(jī)選3件未經(jīng)振動(dòng)時(shí)效的框架與經(jīng)振動(dòng)時(shí)效后的3件框架產(chǎn)品一起，經(jīng)過(guò)精加工各尺寸后，待靜置約一周后 (此時(shí)各項(xiàng)尺寸已穩(wěn)定)，分別對(duì)其開(kāi)檔尺寸L1、A面與基準(zhǔn)B面的尺寸L2、兩孔間的同軸度、O-O線和O1-O1線與ΦN孔組的中心偏移和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量，將結(jié)果與以往沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何變形控制措施的產(chǎn)品的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2和表3所示。

表2 尺寸公差測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between measured results of dimensional tolerance mm

表3 各項(xiàng)形位公差測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison between measured results of geometric tolerance mm

表中：A類(lèi)代表無(wú)變形控制措施的產(chǎn)品；B類(lèi)代表僅做了優(yōu)化工藝流程的產(chǎn)品；C類(lèi)代表既優(yōu)化流程又做了振動(dòng)時(shí)效的產(chǎn)品。

對(duì)比結(jié)果顯示，C類(lèi)即經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效的產(chǎn)品，精加工后各項(xiàng)尺寸公差得到保證，未出現(xiàn)尺寸超差現(xiàn)象；且各項(xiàng)尺寸公差相對(duì)穩(wěn)定，尺寸跳動(dòng)范圍較小，較為穩(wěn)定。

6 振動(dòng)時(shí)效效果評(píng)定

6.1 效果評(píng)定理論依據(jù)

根據(jù)振動(dòng)時(shí)效原理，本工藝過(guò)程中使用的設(shè)備是利用旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量使構(gòu)件產(chǎn)生受迫振動(dòng) (即使用激振器給工件施加動(dòng)應(yīng)力使工件振動(dòng))，構(gòu)件振動(dòng)方程為：

式中：A為振動(dòng)位移，mm；M為振動(dòng)總質(zhì)量，kg；m為轉(zhuǎn)子偏心質(zhì)量，kg；e為偏心距，mm；λ為振動(dòng)頻率ω和固有頻率ω0之比；ζ為阻尼比。

當(dāng)發(fā)生共振時(shí)λ=1，由式（2）可得共振時(shí)的振幅A，系統(tǒng)頻帶寬Δω和共振頻率ω。

可知，當(dāng)阻尼比減小時(shí)，系統(tǒng)共振的振幅將增加，頻帶寬將變窄，共振頻率將下降。因此，在振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中，隨著阻尼比的逐漸減小，直到穩(wěn)定的過(guò)程，在宏觀上將伴隨發(fā)生共振幅值增大、頻率變窄和共振頻率下降的現(xiàn)象。這正是實(shí)際操作中振動(dòng)時(shí)效效果的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。JB/T10375-2002中給出如下評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，滿足任意一項(xiàng)，即表明達(dá)到時(shí)效效果。

1)a—t曲線上升后變平；

2)a—t曲線上升后下降然后變平；

3)a—n曲線的峰值振后的比振前的升高；

4)a—n曲線的峰值點(diǎn)振后的比振前的左移；

5)a—n曲線的帶寬振后的比振前的變窄；

6)a—n曲線共振峰有裂變現(xiàn)象發(fā)生。

6.2 試驗(yàn)件的振動(dòng)效果評(píng)定和分析

在同一加工批次中選取了幾件框架產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)。其振動(dòng)a-n曲線和a-t曲線如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，本試驗(yàn)符合了上述條件中的2)，3)及4)三項(xiàng)，可以斷定：針對(duì)框架產(chǎn)品的振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)達(dá)到了時(shí)效效果，框架產(chǎn)品的殘余應(yīng)力應(yīng)該得到消除。

7 振動(dòng)時(shí)效產(chǎn)品可靠性分析

7.1 金相組織情況對(duì)比

抽取1件經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效的框架 (編號(hào)為1)和2件未做過(guò)振動(dòng)時(shí)效的框架 (編號(hào)分別為2和3)，分別對(duì)三件產(chǎn)品的3處受力部位剖切下大小相同的一塊試件 (約為40 mm×30 mm×20 mm)。為明確對(duì)比結(jié)果，三件剖切部位應(yīng)相同，具體位置參考圖8所示。同時(shí)對(duì)剖切試件予以鋼印編號(hào)。編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

部位Ⅰ：1Ⅰ#(振過(guò))，2Ⅰ#(未振)，3Ⅰ#(未振)；

部位Ⅱ：1Ⅱ#(振過(guò))，2Ⅱ#(未振)，3Ⅱ#(未振)；

部位Ⅲ：1Ⅲ#(振過(guò))，2Ⅲ#(未振)，3Ⅲ#(未振)。

經(jīng)理化分析后，其三件產(chǎn)品的3個(gè)剖切部位試件的金相組織結(jié)構(gòu)并無(wú)差異，即證明振動(dòng)時(shí)效過(guò)程對(duì)框架的金相組織結(jié)構(gòu)無(wú)影響。各試件的金相組織結(jié)構(gòu)對(duì)比情況見(jiàn)圖8中 (1)～(6)所示。僅列Ⅰ和Ⅱ兩組部位為例。

上述所有對(duì)比結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)效確實(shí)達(dá)到了消除內(nèi)應(yīng)力的效果，對(duì)控制后續(xù)加工的變形量，保證加工質(zhì)量起到了良好效果；同時(shí)不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的金相組織結(jié)造成影響，滿足了產(chǎn)品的使用強(qiáng)度，保證了產(chǎn)品的可靠性。

7.2 試車(chē)及飛行情況對(duì)比

按本文論述的內(nèi)容和方法加工的框架產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)了大量試車(chē)及飛行考驗(yàn)，調(diào)姿入軌精準(zhǔn)，可靠性高，表明鑄鋁合金框架產(chǎn)品的變形與尺寸不穩(wěn)定已經(jīng)得到了很好解決。

8 結(jié)論

綜上所述，采用振動(dòng)時(shí)效對(duì)鑄造鋁合金框架件類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行消除應(yīng)力，合理選擇激振力、振動(dòng)時(shí)間等一系列振動(dòng)參數(shù)，能有效降低產(chǎn)品的變形量，使產(chǎn)品的各項(xiàng)尺寸公差得到保證，從而很好的保證產(chǎn)品的質(zhì)量；組織結(jié)構(gòu)上經(jīng)分析得出，振動(dòng)時(shí)效過(guò)程對(duì)產(chǎn)品的金相組織結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生影響，產(chǎn)品的使用強(qiáng)度得以保證，證明經(jīng)過(guò)振動(dòng)時(shí)效工藝方法后加工的產(chǎn)品質(zhì)量可靠，同時(shí)本文的研究成果也為航空、海軍、微波應(yīng)用等領(lǐng)域的高精度薄壁類(lèi)產(chǎn)品的變形控制，提供了有力的技術(shù)參考依據(jù)。

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