黃鵬，錢勝，陳德華，唐勝江，熊雪峰

中國工程物理研究院材料研究所

1 引言

鈮合金材料具有較高的熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度，同時(shí)具有高的延展性、導(dǎo)熱性、比強(qiáng)度以及適中的密度，是與鎳基高溫合金性能接近的超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，在航天等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景[1]。鈮合金圓柱管薄壁件在工作過程中可能經(jīng)歷反復(fù)拆裝、氣氛、溫度循環(huán)、低應(yīng)力循環(huán)和振動(dòng)沖擊等諸多考驗(yàn)，導(dǎo)致對其結(jié)構(gòu)、尺寸及力學(xué)性能穩(wěn)定性的要求高，而鈮合金材料具有隨時(shí)間自然老化、滯彈性、高內(nèi)耗和形狀記憶等特性以及零部件中元素成分的宏觀偏析，使得鈮合金圓柱管薄壁件在工作條件下的穩(wěn)定性問題變得更為復(fù)雜，從而影響鈮合金部件的結(jié)構(gòu)可靠性。

振動(dòng)時(shí)效又稱為振動(dòng)消除應(yīng)力法，是將工件在其固有頻率下進(jìn)行一定時(shí)間的振動(dòng)處理，減小和均勻化殘余應(yīng)力，提升其尺寸精度的穩(wěn)定性。振動(dòng)時(shí)效具有使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)約能源、環(huán)保、時(shí)間短和效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，目前在機(jī)械零部件生產(chǎn)加工中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。對于小型結(jié)構(gòu)件，直接采用激振器進(jìn)行時(shí)效的方式不可行，因此，采用振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)進(jìn)行處理，將激振器產(chǎn)生的激振能量傳遞到工件而達(dá)到共振時(shí)效的效果[2]。

目前，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)通常應(yīng)用于焊接件或大型結(jié)構(gòu)件。振動(dòng)時(shí)效工藝對振動(dòng)時(shí)效的效果影響非常顯著，包括裝夾方式(直接激振和輔助工裝激振)、激振點(diǎn)位置、工件定位夾緊、支撐位置、激振頻率(一階彎曲振動(dòng))、激振力和振動(dòng)時(shí)間等[3]。對于組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能較差的鈮合金材料零部件，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的可行性和有效性還有待深入研究。

2 振動(dòng)時(shí)效工藝優(yōu)化

2.1 振動(dòng)平臺(tái)優(yōu)化分析

相比激振器而言，鈮合金圓柱管薄壁件尺寸較小，不能直接利用激振器來進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，因此選用振動(dòng)平臺(tái)集中處理的方式進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效。將鈮合金圓柱管薄壁件固定在振動(dòng)平臺(tái)上，在激振器的持續(xù)激勵(lì)下一起實(shí)現(xiàn)共振，從而實(shí)現(xiàn)對鈮合金圓柱管薄壁件的振動(dòng)時(shí)效。

實(shí)驗(yàn)所用的振動(dòng)平臺(tái)材料為HT250，尺寸為1800mm×600mm×70mm。為了實(shí)現(xiàn)鈮合金圓柱管薄壁件與振動(dòng)平臺(tái)的有效剛性連接，在振動(dòng)平臺(tái)長度方向加工2個(gè)T型槽，分別位于寬度方向的1/3和2/3位置。

為了優(yōu)化振動(dòng)時(shí)效工藝方案，對振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了有限元仿真分析，同時(shí)在振動(dòng)平臺(tái)的三維模型中保留T型槽結(jié)構(gòu)，以確保仿真結(jié)果的有效性。利用ANSYS Workbench軟件對HT250振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。HT250材料的屬性如下：ρ=7000kg/m3，E=150GPa，v=0.3。通過Mesh模塊對振動(dòng)平臺(tái)模型進(jìn)行高精度六面體劃分，單元格尺寸為70mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為22414個(gè)，單元總數(shù)為4290個(gè)。振動(dòng)平臺(tái)一階振動(dòng)模態(tài)如圖1所示，其振型表現(xiàn)為繞著中心Y軸作一階彎曲擺動(dòng)。

振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)的支撐點(diǎn)位置在一階振型的波節(jié)處(見圖1中的黃色圓點(diǎn))，采用彈性橡膠材料支撐墊四點(diǎn)支撐的方式可以有效保證振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的自由振動(dòng)狀態(tài)。激振器位置位于一階振型的波峰處(紅色圓點(diǎn))，通過專用卡具與振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行剛性連接，可以給予振動(dòng)系統(tǒng)最高的激勵(lì)能量。工件位于一階振型的另一個(gè)波峰處(紫色圓點(diǎn)處)，可以獲得更高的激勵(lì)能量。振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)現(xiàn)場如圖2所示，加速度傳感器位于靠近鈮合金圓柱管薄壁件的波峰處，能有效測量工件在共振激勵(lì)時(shí)的響應(yīng)，用于評(píng)估振動(dòng)時(shí)效的效果。

圖1 振動(dòng)平臺(tái)模態(tài)分析及振動(dòng)時(shí)效工藝優(yōu)化

圖2 振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)

2.2 振動(dòng)平臺(tái)+工件的模態(tài)分析

如圖3所示，利用UG軟件對振動(dòng)平臺(tái)和鈮合金圓柱管薄壁件進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。鈮合金圓柱管薄壁件與振動(dòng)平臺(tái)的連接工裝采用2個(gè)L型的鋁合金壓板進(jìn)行固定，壓板的圓弧段與工件一端的凸臺(tái)位置接觸，并通過4個(gè)M20螺栓與T型槽固定連接。振動(dòng)平臺(tái)+工件系統(tǒng)的有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示，前三階模態(tài)的共振頻率分別為85.3Hz，134.9Hz和231.9Hz，其振型分別表現(xiàn)為繞Y軸作一階彎曲擺動(dòng)、繞X軸作扭轉(zhuǎn)和繞Y軸作二階彎曲擺動(dòng)。

圖3 振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的三維模型

搭建的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)偏心電機(jī)激勵(lì)頻率在0～100Hz范圍內(nèi)，結(jié)合有限元仿真模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)平臺(tái)+工件的一階共振激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)對鈮合金圓柱管薄壁件的振動(dòng)時(shí)效處理。

圖4 振動(dòng)平臺(tái)+工件模態(tài)分析

3 振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)分析

振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)系統(tǒng)主要由頻譜時(shí)效中央處理器、偏心電機(jī)、傳感器、振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)及工裝組成。中央處理器型號(hào)采用華云豪克能HK2010，能夠?qū)崿F(xiàn)三種模式的振動(dòng)時(shí)效，即諧波共振技術(shù)、亞共振和手動(dòng)共振時(shí)效模式。通過自主設(shè)計(jì)加工的專用工裝將鈮合金圓柱管薄壁件固定在振動(dòng)時(shí)效平臺(tái)上，中央處理器驅(qū)動(dòng)偏心電機(jī)對振動(dòng)平臺(tái)及工件系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描，通過加速度傳感器獲得工件的振幅等信息，用傅里葉分析在100Hz內(nèi)尋找低次諧波，然后用合適的能量在7個(gè)諧波頻率振動(dòng)，引起高次諧波累積振動(dòng)產(chǎn)生多方向動(dòng)應(yīng)力，與多維分布的殘余應(yīng)力疊加，造成塑性屈服，從而降低峰值殘余應(yīng)力，同時(shí)使殘余應(yīng)力分布均化。

工件頻譜掃描分析和頻譜振動(dòng)時(shí)效過程如圖5所示。比較振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)中的7個(gè)峰值頻率和有限元仿真的低階共振頻率發(fā)現(xiàn)，在83～85Hz區(qū)間有良好的一致性，證明了振動(dòng)平臺(tái)處理鈮合金圓柱管薄壁件的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的可行性與有效性。在鈮合金圓柱管薄壁件振動(dòng)時(shí)效過程中，進(jìn)行頻譜掃描分析后，選擇接近85Hz的掃描頻率進(jìn)行手動(dòng)振動(dòng)時(shí)效，振動(dòng)時(shí)效時(shí)間為10min。研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中的加速度響應(yīng)可達(dá)50m/s2，表明該系統(tǒng)有著良好的共振響應(yīng)。

圖5 工件頻譜掃描分析和振動(dòng)時(shí)效過程

4 振動(dòng)時(shí)效的有效性評(píng)估

振動(dòng)時(shí)效的效果主要是檢測鈮合金圓柱管薄壁件中殘余應(yīng)力是否得到減小或均勻化。目前，測量機(jī)械零部件殘余應(yīng)力的方法分為兩大類：一類是定量測量，如盲孔法、X射線法和中子衍射法等；第二類是定性測量，如振動(dòng)參數(shù)曲線法和尺寸精度穩(wěn)定性法等。鈮合金圓柱管薄壁件具有較大的幾何尺寸和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此選用定量測量尺寸精度穩(wěn)定性方法來定性評(píng)估振動(dòng)時(shí)效的效果。

鈮合金圓柱管薄壁件尺寸精度的測量設(shè)備為西安愛德華公司PICO655三坐標(biāo)測量機(jī)，測量精度優(yōu)于4μm。對鈮合金圓柱管薄壁件振動(dòng)時(shí)效前后的內(nèi)外型面不同位置的形狀誤差進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 鈮合金圓柱管薄壁件振動(dòng)時(shí)效的效果評(píng)估

結(jié)果表明，鈮合金圓柱管薄壁件靠近端面不同位置的內(nèi)外型面圓度均明顯減小，并保持了良好的一致性，優(yōu)化效果約為20%。試驗(yàn)結(jié)果證明，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)對于鈮合金圓柱管薄壁件尺寸精度的穩(wěn)定性具有明顯的作用和效果。

5 結(jié)語

針對鈮合金圓柱管薄壁件開展了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)研究，結(jié)合有限元仿真分析方法優(yōu)化了振動(dòng)時(shí)效工藝方案，利用三坐標(biāo)測量機(jī)對工件振動(dòng)時(shí)效前后的尺寸精度進(jìn)行測量，結(jié)果表明，內(nèi)外型面的圓度改善高達(dá)20%，證明了振動(dòng)時(shí)效方法可以有效地提升鈮合金圓柱管薄壁件尺寸的穩(wěn)定性，這對鈮合金材料零部件在航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了切實(shí)有效的指導(dǎo)依據(jù)。