常維博，宋鑫，王曉燕

（西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，陜西西安710025）

球面型薄壁金屬件殘余應(yīng)力均勻化工藝研究

常維博，宋鑫，王曉燕

（西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，陜西西安710025）

通過(guò)對(duì)殘余應(yīng)力的測(cè)試分析得知，球面型薄壁金屬件成品超差主要是由于殘余應(yīng)力再度均勻化所致。根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用定型工裝，在精加工前和精加工后進(jìn)行兩次低溫時(shí)效，加速了殘余應(yīng)力釋放，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

球面型薄壁金屬件；殘余應(yīng)力；均勻化

在金屬切削加工過(guò)程中，無(wú)論是銑削還是車削等，都會(huì)在零部件表面誘發(fā)殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力無(wú)法消除，只能在產(chǎn)品內(nèi)部趨于一種平衡狀態(tài)。殘余應(yīng)力的狀態(tài)對(duì)零件表面疲勞裂紋的形核與擴(kuò)展行為有著重要的影響，可能會(huì)大幅度降低零件的疲勞壽命[1]。此外，殘余應(yīng)力還能引起的扭曲變形，會(huì)明顯地降低零件的加工制造精度。加工過(guò)程中殘余應(yīng)力的控制及平衡的問(wèn)題，一直是精密、超精密切削領(lǐng)域的重要的研究課題。

在航空、航天工業(yè)中，由于整體結(jié)構(gòu)質(zhì)推比的需求，大量使用了薄壁金屬結(jié)構(gòu)件。因此，該領(lǐng)域也是殘余應(yīng)力控制研究的重點(diǎn)方向。對(duì)于殘余應(yīng)力如何控制，航空、航天方面由于結(jié)構(gòu)、材料、強(qiáng)化方式，加工方式的不同，各有側(cè)重點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究資料，鋁合金可采用預(yù)拉伸板材、振動(dòng)時(shí)效、低熔點(diǎn)金屬增強(qiáng)剛性、切削變形預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)确椒ㄟM(jìn)行殘余應(yīng)力控制。但在高強(qiáng)度鋼方面，由于其材料物理特性與鋁合金有較大區(qū)別，上述的技術(shù)方案使用效果并不明顯。本文擬通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼薄壁金屬件殘余應(yīng)力的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出殘余應(yīng)力控制的技術(shù)方案。

1　工藝分析

在一種球面型薄壁金屬件（材料為高強(qiáng)鋼，經(jīng)熱處理強(qiáng)化，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示）的生產(chǎn)過(guò)程中，精加工完成后，檢測(cè)合格。放置一段時(shí)間，檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)零件大端尺寸變形嚴(yán)重，圓跳超差，無(wú)法滿足產(chǎn)品交付的質(zhì)量要求。

圖1　球面型薄壁金屬件結(jié)構(gòu)尺寸圖

現(xiàn)階段，薄壁金屬件切削變形控制較成熟的工藝控制思路為：通過(guò)技術(shù)方法，逐步地控制產(chǎn)品的變形，使整個(gè)零部件的變形始終在可控的范圍內(nèi)。但是由于殘余應(yīng)力的不可預(yù)測(cè)性，對(duì)于殘余應(yīng)力控制，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證解決。

為了增強(qiáng)零件剛性，減少裝夾力對(duì)變形產(chǎn)生的影響，針對(duì)上述薄壁金屬專門設(shè)計(jì)了一套專用工裝如圖2所示。產(chǎn)品精加工前一直留有工藝夾頭，采用軸向定位，盡量弱化裝夾對(duì)零部件變形的影響。加工時(shí)選用合理的切削刀具，機(jī)床采用高轉(zhuǎn)速、小切深和足量冷卻的方式進(jìn)行加工，盡量減小切削熱和切削力對(duì)產(chǎn)品最終精度的影響。

圖2　專用工裝

2　表面殘余應(yīng)力測(cè)試分析及工藝論證

殘余應(yīng)力是利用西安交通大學(xué)日本理學(xué)MSF-3F新型X射線應(yīng)力分析儀測(cè)定。測(cè)試條件為CrK線輻射，管電壓30 kV，管電流10 mA.采用高精度的PSPC計(jì)數(shù)器，利用測(cè)量精度高、重復(fù)性好的等傾法進(jìn)行檢測(cè)。

其測(cè)定的最基本的思路是，認(rèn)為一定應(yīng)力狀態(tài)引起的晶格應(yīng)變和按彈性理論求出的宏觀應(yīng)變是一致的。而晶格應(yīng)變可以通過(guò)布拉格方程由X射線衍射技術(shù)測(cè)出，這樣就可以從測(cè)得的晶格應(yīng)變來(lái)推知宏觀應(yīng)力[2]。

薄壁金屬件示意圖如圖3所示，定義薄壁金屬件外側(cè)為A面，內(nèi)側(cè)為B面，假設(shè)任意位置為0°，分別在0°、90°、180°、270°位置上進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。為了節(jié)約測(cè)試成本，在A面、B面的0°進(jìn)行4點(diǎn)殘余應(yīng)力測(cè)試，其余位置測(cè)試2點(diǎn)（靠近小徑錐邊的為第1點(diǎn)，靠近大徑的為第2點(diǎn)）。

圖3　薄壁金屬件殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)

隨機(jī)選擇薄壁金屬件中的1#、10#各2件，進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。將這2組薄壁金屬件分成兩組，其中一組在加工后7天內(nèi)完成測(cè)試，另一組在加工15天后開(kāi)始測(cè)試，7天內(nèi)完成測(cè)試，得到測(cè)試數(shù)據(jù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到第一組試件7天內(nèi)和15天后殘余應(yīng)力變化如圖4所示。第二組試件7天內(nèi)和15天后殘余應(yīng)力變化如圖5所示。

圖4　第一組7天內(nèi)和15天后殘余應(yīng)力變化

圖5　第二組7天內(nèi)和15天后殘余應(yīng)力變化

經(jīng)分析，認(rèn)為薄壁金屬件加工后7天內(nèi)完成測(cè)試，工件上殘余應(yīng)力分布不均勻，大部分為張應(yīng)力，個(gè)別位置為壓應(yīng)力，各處的殘余應(yīng)力相差絕對(duì)值比較大。放置15天后測(cè)試，薄壁金屬件殘余應(yīng)力分布趨于均勻化，并且全為張應(yīng)力。

在借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)品精加工完成后殘余應(yīng)力的變化情況，開(kāi)展了薄壁金屬件精加工后的殘余應(yīng)力均勻化技術(shù)研究，設(shè)計(jì)專用定型工裝如圖6所示。在工裝的約束狀態(tài)下，通過(guò)精加工前和精加工后兩次低溫時(shí)效加速殘余應(yīng)力釋放，使得零件完全達(dá)到低應(yīng)力、均衡的狀態(tài)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖6　熱定型工裝

試驗(yàn)結(jié)果表明，球面型高強(qiáng)鋼薄壁金屬件在加工過(guò)程中采用兩次低溫人工時(shí)效，能加速殘余應(yīng)力均勻化，有效的控制變形，達(dá)到尺寸穩(wěn)定的效果。

3　結(jié)束語(yǔ)

球面型薄壁金屬件加工完成后放置15天后，殘余應(yīng)力分布趨于均勻化，并且全為張應(yīng)力。由此推斷，球面型薄壁金屬件成品件的超差主要是由于殘余應(yīng)力再度均勻化所致。

通過(guò)使用專用定型工裝，在精加工前和精加工后對(duì)球面型薄壁金屬件進(jìn)行兩次低溫時(shí)效，可加速殘余應(yīng)力釋放，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]張根保.殘余應(yīng)力消除技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2015，（04）：6-11.

[2]王慶民.殘余應(yīng)力測(cè)試的進(jìn)展與動(dòng)向[J].機(jī)電工程，2011，（1）：12-15.

The Spherical Type Thin Wall Metal Residual Stress Homogenization Process Research

CHANG Wei-bo，SONG Xin，WANG Xiao-yan
（Xi’an Aerospace Power Machine Factory，Xi’an Shaanxi 710025，China）

Through the testing and analysis of the residual stress，it is found that the super difference of the spherical thin wall metal parts is mainly due to the homogeneity ofthe residual strss.According to the characteristics of the above，a special tool is designed，which adopts two times of low temperature aging to accelerate the release of residual stress and improve the quality of product.

spherical thin walled metal parts；residual stress；homogenization

TG54

A

1672-545X（2016）10-0112-02

2016-07-01

常維博（1983-），男，陜西岐山人，工程碩士，工程師，研究方向?yàn)榉菢?biāo)成套工裝模具設(shè)計(jì)制造。