大型铝合金薄壁环探究

1零件的工艺性分析

试验零件为直径5m的超大薄壁环，最小壁厚仅为3mm，圆度等尺寸精度要求高，这种结构的零件加工难度极大，如图1所示。零件在切削热和切削力的作用下，内部会产生内应力的累积。内应力的存在使零件处于一种不稳定的状态，随着时间的推移，内应力会逐步释放，使工件内部发生蠕变，直至内应力均化平衡为止，而在内应力的变化过程中，工件原本的尺寸精度也会逐步丧失，最终导致零件的服役期缩短，甚至报废。为保证零件的加工精度，提高零件尺寸精度稳定性，延长零件的使用寿命，必须要在零件精加工前，最大限度地消除均化内应力。通过对零件进行工艺性分析，决定在零件粗加工和半精加工后分别进行时效处理，以达到消除内应力的效果，但是工件的超大型薄壁结构，使其具有刚性差、易畸变、运输周转困难的特点，并不适合进行传统的热时效，经过反复论证，决定用振动时效来消除和均化零件的残余应力。

2振动时效工艺流程

根据GB/T25712—2010《振动时效工艺参数选择及结果评定方法》确定振动时效的工艺流程为:振前尺寸测量振前应力测量时效处理振后尺寸测量振后应力测量结果评判。

2．1振前尺寸及应力测量

为掌握时效前后零件尺寸精度变化情况，研究振动时效对零件尺寸稳定性的影响，在时效前对零件尺寸进行测量，经测量粗加工后零件振前圆度为0．25mm，振前平面度为0．15mm;半精加工后零件振前圆度为0．15mm，振前平面度为0．03mm。为了掌握时效前后零件内部残余应力的变化情况，研究振动时效对降低和均化残余应力的效果，在时效前采用盲孔法测量零件的内部应力。将零件8等分，在端面和轴向外侧各标记8个数据采集点，共取得16组数据，σ1为主应力、σ2为纵向应力、θ为剪应力。

2．2时效处理

2．2．1设备安装

借鉴已有振动时效工艺方案，根据振动时效使用手册安装设备［2］:1)安放零件:以弹性垫作为安放零件的支撑可以起到一定的减震作用，用吊车将零件平稳地安放在弹性垫上，初步采用3点支撑。逐步取消吊车载荷，直到零件完全落在弹性垫上，检查工件在30m的安全范围内无障碍物。为保持零件平稳，必要时可采用方木等找平。2)安装激振器:将激振器安装在预设激振位置，激振器通过刚性夹与零件刚性加紧(见图2)，连接好电源、主机控制器，调整偏心档。3)安装传感器:为保证传感器反馈的数据良好，需要将传感器安装在零件振幅大，同时又远离振源干扰的位置。连接好传感器信号线。

2．2．2时效处理

打开振动消除应力专家系统主程序，打开激振器电源，按启动键，系统开启智能工作程序，稳定后进入时效处理。1)振前扫频:系统进入主程序后，会自动对零件扫频，给出处理效果最佳的7个振型，其中前5个(黄色)为时效处理的优选方案，后2个(红色)为备选方案。如果未出现振型，或者出现的振型过少，则建议调整时效处理的方案，即调节弹性垫的支撑位置、零件激振位置以及传感器的位置，重新扫频，直到出现满意的振型为止。2)时效处理:根据WJ2696—2008《装甲车辆振动消除应力技术条件》，振型的加速度在30～70m/s2对零件消除应力的效果最为明显，以此作为筛选振型的标准。通过预振动的方式对每个振型进行分析，同时寻找与之匹配的转速、偏心档等，最终确定时效处理的方案。如果一次分析的7个振型均无法满足加速度30～70m/s2的要求，可对零件进行多次分析，直到找到为止。按此方法选择出3个振型，分别对零件进行振动。3)振后扫频:在振动处理后，系统会再次扫频以确定时效的有效性，同时会打印工艺曲线，至此整个振动时效结束。

2．3振后尺寸及应力测量

时效处理后，将零件静置一段时间，待时效效果稳定后，测量零件的圆度和平面度，经测量粗加工后零件振后圆度为0．50mm，振后平面度为0．30mm;半精加工后零件振后圆度为0．85mm，振后平面度为0．15mm利用盲孔法在零件时效后的数据采集点测量残应力，注意要保持时效前后数据采集点相同。

2．4结果判定

根据GB/T25712—2010对时效效果的评价方法的规定，残余应力判据法、精度稳定性判据法是判定振动时效结果的有效方法［3］。

2．4．1残余应力判据法

时效处理前后用盲孔法测量了零件16个数据采集点的残余应力，根据式(1)计算时效前后等效应力均化消除率。通过分析等效应力均化消除率发现，除去2个无效点外，其余各点的残余应力消除率的平均值达到20%以上，该结果完全符合GB/T25712—2010中关于锻件工艺合格的评审要求，达到了预期的效果。

2．4．2精度稳定性判据法

根据GB/T25712—2010对精度稳定性判据法的规定，对振前、振后零件圆度和平面度的对比分析发现，振动时效前后零件的尺寸没有明显变化，满足后续精加工的余量要求，同时零件表面质量良好，没有出现裂纹等质量缺陷。由此判断振动时效取得了良好的效果。

3试验成果

3．1数据分析

1)在应力均化消除率方面:各个测试点的均化消除率达到了20%以上，个别点的消除率达到了76．4%和81．3%。这说明在高应力集中部分的应力消除效果明显，在低应力集中部分的应力消除效果不明显。这是由振动时效的机理导致的。振动时效通过施加在零件上的周期动应力与零件内的残余应力叠加，导致位错移动，使零件发生塑性变形，最终达到了降低残余应力的峰值、均化残余应力、提高工件精度稳定性和畸变抗力的目的。另外，应力消除率的大小从侧面表明了零件中残余应力集中的位置，这为以后解决机加工过程中的应力集中问题提供了数据支持。2)在精度稳定性方面:通过对振动时效前后零件的圆度和平面度分析发现，粗加工振动时效后零件的椭圆度为0．25mm，平面度变形增加了0．15mm，半精加工后零件的椭圆度增加了0．7mm，平面度畸变量增加了0．12mm。对于5m直径的超大型薄壁铝锻环，零件最重要的尺寸———椭圆度的最大变化率仅为0．014%，这说明振动时效后零件尺寸的变化微乎其微。以上述数据为基础，优化工艺方案，使精加工端面加工余量可控制在1mm以内，精加工径向余量可控制在1mm以内，提高了加工效率。同时对于刚性差、容易畸变的零件来说，振动时效无疑是一个新的选择。

3．2支撑点和激振点

支撑位置和激振位置的确定往往要根据零件的结构、材质、质量等多方面因素才能确定，在实施的过程中需要丰富的经验反复调试才能达到最优状态。借鉴典型工件的工艺方案，支撑点选在零件的波节处，激振点选在零件的波峰处，以达到用较小的激振能量获得零件较大振幅的效果。在阵前扫频确定了零件共振点位置的前提下，根据零件的结构、刚性等特点采取不同的支撑方式，用手感法分析振型，将手或者工具放在零件的重点部位，感觉振动的大小，振动大的位置即为波峰，振动小的位置即为波节。反复确定波峰、波节位置，使选择支撑位置和激振位置更加合理。根据试验结果发现采取弹性垫块3点对称支撑，激振位置设在两个垫块中间效果最好，传感器放置在激振器的同一侧，距离激振器160°～175°的位置最佳。

3．3激振载荷

激振载荷是降低均化残余应力，促使材料发生塑性变形的动力。激振载荷是激振器通过偏心轮和变速电机共同作用产生，大小可通过偏心距来调节。对于不同材料、不同结构的零件，其激振载荷差异很大。

3．4振动时间

振动时间对于时效效果起到至关重要的作用，振动时间一般情况下是根据零件的质量凭经验确定的，同时也要兼顾零件的结构和应力分布而做适当的调整，因此给出振动时间的经验参考，见表4。最终根据零件的实际质量以及结构，确定处理时间为30min。

4结论

振动时效在超大薄壁铝合金环框上的成功应用说明振动时效对于消除零件残余应力具有非常好的效果，同时也为我公司其他零件的去应力要求提供了新的途径。振动时效以工艺为基础，设备为手段，它不受场地和环境的限制，是一种有效、快捷的工艺技术，值得推广使用。

作者：李名扬 单位：天津航天长征制造有限公司