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振动消除应力技术应用研究

北京卫星制造厂赵长喜

摘要：分析并讨论了振动消除应力技术的基本原理，通过振动消除应力与传统的热处理时效工艺的对比工艺试验，验证了振动消除应力在铝合金零件加工中的消除应力控制变形的有效性，对于高强铝合金小型薄壁结构件和大型结构件，效果优于热处理时效消除应力，并给出了振动消除应力技术在航天器大型铸件、精密零部件、大型零部件加工中的应用实例。

关键词：振动应力振动时效

1 引言

卫星和飞船等航天器金属薄壁结构零部件多采用LY12CZ、LD10CS和LC9CZ等高强度铝合金，由于此类材料加工应力较大，在加工过程中极易变形。在加工过程中，为了不改变材料的状态，不降低材料的性能，在工件消除应力时，不能采用热处理退火工艺方法，只能采用低温时效消除应力，而低温时效温度低，应力去除效果不理想。目前在半精加工和精加工时，采用多工序小吃刀量加工，并进行多次低温热处理时效的工艺方案。而多次热处理会降低材料的性能（原则上热处理次数不超过3次）。

尽管采取以上措施，仍不能彻底消除零件的残余应力或使应力分布均匀化以保证产品质量的稳定性，造成零件加工变形，加工精度和表面质量差，工艺稳定性和产品一致性差，导致零件成品率低，且工时长，工序繁多，产品生产率低，成为制约产品工艺定型和卫星结构小批量生产和组批生产的关键问题。

振动消除应力技术与常规的热处理退火、时效工艺相比，具有设备简单、对环境无特殊要求、适应范围广、可实现在线消除应力、处理时间短、成本低等优点，在航天器的研制中具有广泛的应用前景，特别是对目前航天产品的小批量生产意义更加重大。

2 振动消除应力的机理

对于振动过程的机理，国内外已经进行了大量的研究工作，取得以下的共识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力（动应力σ动）。在振动过程中，施加到金属构件各部分的动应力σ动与内部残余应力σ残叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限σｓ，即σ动+σ残≥σｓ时，这些点晶格滑移，产生微小的塑性变形，达到释放残余应力的目的。

从微观上看，只要温度在绝对零度以上，金属原子始终处于运动中，由于残余应力的影响，这些原子处于不平衡运动状态。但它们力求回复平衡位置，这就需要能量。振动时效就是给金属构件提供机械能，使约束金属原子复位的残余应力释放，加快金属原子回复平衡位置的速度。

从金属物理学上看，振动时效的过程，实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错，所以在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加，在应力较高的区域，就可产生位错滑移，出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的，当微应变累积到一个宏观量，金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开通，局部较大残余应力得以释放，构件宏观内应力随之松弛，使残余应力的峰值下降，改变了构件原有的应力场，最终使构件的残余应力降低并重新分布，使较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻，从而强化了基体，提高了构件抗变形能力，使构件的尺寸精度趋于稳定。

3 振动消除应力工艺试验

3.1试验目的

开展振动消除应力工艺研究和试验工作，旨在寻求一种新的消除应力的工艺方法，一是解决大型结构件无法进行热处理消除应力的工艺问题；二是解决小型薄壁结构件加工变形问题，最终实现提高薄壁复杂结构零部件的加工精度，缩短研制周期的目的。

3.2试验方法

由于有色金属残余应力测量比较困难，目前尚无比较理想的测量方法，因此，采用对比试验法，选择典型结构试件，进行振动消除应力、热处理消除应力和不进行消除应力三种情况下的加工试验，实际测量各种情况下的变形量，并对这些数据进行分析，对振动消除应力进行评价。

3.3高强铝合金小型薄壁结构件试验

选择加工变形大的结构和材料作为试验件。

材料：2A12（LY12）；

状态：热轧，CZ；

结构：薄壁盒形结构（160mm×350mm×10mm，壁厚2mm），见图1。

（图片）

图1 高强铝合金小型薄壁结构件试验件

为了保证试验数据的有效性，所有试件均采用相同的材料（同一块原材料）、相同的加工设备、相同的刀具、相同的切削参数。分别在不做消除应力、热处理消除应力、振动消除应力三种状态下进行对比试验，每种状态各取试件3件，试件加工分粗加工（单边留3mm余量）、半精加工（单边留1mm余量）、精加工等工序。

a. 不做消除应力加工试验（试件1-1）

试件1-1加工工艺流程如下：

（图片）

图2 试件1-1（粗加工后）

b. 热处理消除应力加工试验（试件1-2）

试件1-2加工工艺流程如下：

（图片）

其中热处理采用的是铝合金时效处理（不能采用退火处理，否则材料性能会下降很多）。

（图片）

图3 试件1-2（精加工）

c. 振动消除应力加工试验（试件1-3）

试件1-3加工工艺流程如下：

（图片）

图4 试件1-3（精加工）

通过测量加工后自由状态试件的变形量（平面度）反映应力消除的效果，试验结果见表1。

表1 小型薄壁结构件不同状态下的变形对比表

（图片）

由于在半精加工和精加工没有进行振动消除应力，因此变形量有所增大，后又补充进行试验，在半精加工后增加振动消除应力，经加工后变形量为0.1～0.15mm。

从表1可以看出，振动消除应力效果明显优于热处理消除应力。

3.4高强铝合金大型承力构件试验

选择加工变形大、应用最广泛的大梁类零件为试验件。

材料：5A90（1420铝锂合金，加工性能与LD10相当，是其替代材料）；

状态：锻造，CZ；

结构：薄壁复杂长梁结构，典型壁厚5mm，外形尺寸为2200mm×160mm×120mm，见图5。

（图片）

图5 高强铝合金大型承力构件试验件

为了保证试验数据的有效性，所有试件均采用相同的材料（同一批次原材料）、相同的加工设备、相同的刀具、相同的切削参数。分别在热处理消除应力、振动消除应力两种状态进行对比试验，每种状态各取试件1件，试件加工分粗加工（单边留5mm余量）、半精加工（单边留2mm余量）、精加工等工序。

a. 热处理消除应力加工试验（试件2-1）

试件2-1加工工艺流程如下：

（图片）

图6 试验件2-1（精加工）

b. 振动消除应力加工试验（试件2-2）

试件2-2加工工艺流程如下：

（图片）

图7 试验件2-2（精加工）

通过测量加工后自由状态试件的变形量（平面度）反映应力消除的效果，试验结果见表2。

表2 大型承力构件不同状态下的变形对比表

变形量状态	热处理消除应力/mm	振动消除应力/mm
粗加工状态	7	2
半精加工状态	15	1.5
精加工状态	13	0.5

从表2可以看出，振动消除应力效果明显优于热处理消除应力。

3.5试验结论

根据试验结果和分析，可以得出如下结论：

a. 振动消除应力效果明显优于热处理消除应力；

b. 振动消除应力可以有效控制小型薄壁结构件的加工变形；

c. 振动消除应力可以有效控制大型结构件的加工变形；

d. 振动消除应力可以取代或部分取代热处理时效消除应力工艺。

4 振动消除应力工艺应用

4.1振动消除应力技术在大型铸件中的应用

在卫星、飞船等航天器结构中经常采用大型铸造镁合金、铝合金零件，如：遥感卫星的相机大梁、载荷舱底板、肼瓶支架、动量轮支架等。航天器研制需要的大量地面工装中，大型铝合金铸件等更是普遍。这些零件在铸造后，会产生很大的内应力，这些应力若不及时处理，就会产生裂纹倾向，并且在机械加工过程中，产生较大的变形，产品在贮存和使用过程中，也会产生精度降低和结构变形。

采用振动消除应力技术，则不受铸件尺寸和重量的限制，对设备和场地要求也大大降低。图8为高强铸造铝合金零件，材料为ZL205，外形尺寸为Ф1500mm×800mm，壁厚25mm。在加工过程中，分别在铸造毛坯状态、粗加工后和半精加工后安排振动消除应力处理，加工完成后，工件的平面度达到0.02mm。

（图片）

a 铸件毛坯振动处理 b 半成品加工振动处理

（图片）

c 加工后的产品

图8振动消除应力处理的铸造毛坯工件

4.2振动消除应力技术在精密零部件加工中的应用

在航天器结构、机构中有大量精密零部件，如：太阳翼展开机构、陀螺、相机等，材料多选用LY12CZ、LD10CS等高强铝合金材料。这类材料在加工中极易变形，特别是薄壁复杂零件的加工变形更是难于控制，主要原因为，材料在加工前存在很大且分布不均匀的残余应力，由于切削加工，材料残余应力部分释放并重新分布，从而引起加工变形。这个变形，很大程度上并不是因为切削力引起的变形，而更多是由于材料中在加工前就存在残余应力。

采用振动消除应力技术，则不会受温度和处理次数的限制，可以实现多次振动消除应力，达到控制变形的目的。图9为典型薄壁结构精密零件，其外形尺寸为300mm×280mm×140mm，壁厚为2mm，材料为LD10CS。经过振动消除应力，加工变形得到了很好的控制，加工后垂直度小于0.10mm，平面度为0.08mm。

（图片）

a 振动处理中的半成品 b 加工后的产品

图9 振动消除应力处理的薄壁精密工件

4.3振动消除应力技术在航天器大型零部件加工中的应用

航天器中的大型零部件为满足轻量化要求，设计为典型的弱刚性结构，直径尺寸达到5m，壁厚尺寸3～5mm。在加工前和加工过程中，为了保证产品的尺寸精度和形状位置精度，需要对产品进行消除应力。而对大型零部件而言，热处理时效设备的容积很难满足。

采用振动消除应力技术，则不受产品尺寸的限制，有利于保证产品的尺寸精度和形状位置精度，同时，会大大提高产品精度的稳定性，延长产品的贮存周期。图10为应用振动消除应力技术处理的大型框类薄壁工件。

（图片）

图10 振动消除应力处理的大型框类薄壁工件

5 结束语

经过工艺试验和应用实践，充分显示了振动消除应力技术的优势，在很大程度上可以替代常规的热处理时效消除应力工艺，对于大型工件、高强铝合金薄壁结构件，以及热处理需要真空环境的钛合金工件，优势尤为明显，在航天器结构和机构研制中具有很好的推广价值。

另外，振动消除应力技术在黑色金属材料的焊接变形控制、焊后部件焊缝的消除应力也有很好的应用，但对于铝合金等有色金属的焊接结构的消除应力应用甚少，在航天器焊接结构中应用，还需要开展大量的可靠性工艺验证和试验工作。

参考文献

1Vibratory stress relieving–It’s advantages as an alternative to thermal treatment. J. S Hornsey VSR(Africa)cc 2004，12

2 石德珂. 位错与材料强度. 西安：西安交通大学出版社，1998，11 6/19/2010


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