振动时效在铝型材上的应用

振动时效在铝材上的应用发布者：admin发布时间：2012-7-25阅读：1169次振动时效在铝材上的应用2010-12-29振动时效在铝合金零件加工中的应用张晓,杜战峰(西安电子工程研究所,陕西西安710100)摘要:高强度铝合金在加工过程中的变形问题广泛存在,而残余应力是引起变形的关键因素。因此,研究如何去除残余应力、稳定铝合金零件尺寸具有重要的理论意义和工程应用价值。关键词:铝合金;残余应力;振动时效分类号:TH161文献标志码:A本文首先介绍了去除残余应力的常用方法及其特点,然后详述了振动时效去除残余应力的工艺和原理。然后在试验中通过检测刚加工完成时和放置90d时,零件表面的平面度变化的方法比较了人工时效法、深冷处理法和振动时效法在去除实例零件残余应力时的效果。最后结果表明:振动时效在去除铝合金残余应力时较其它方法具有更好的效果。7075、2024、6061、6063等变形铝合金由于比强度高,广泛地用于航空、航天、电子等工业中。这些铝合金的强化都是通过热处理(固溶处理+时效处理)的途径得以实现。但这些铝合金结构件毛坯在成形(冷变形、焊接等)与热处理过程中常常产生很大的残余应力,造成在后续的机械加工过程中,随着材料的不断去除,原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破,残余应力将重新分布直至达到内力平衡,此时往往产生很大的加工变形,使零件失去应有的加工精度。另外,残余拉应力还增加铝合金结构件应力腐蚀开裂(StressCorrosionCracking)的敏感性,导致早期疲劳失效。因此,在铝合金加工过程中去除残余应力,稳定零件尺寸具有重要的意义。1去除残余应力的常用方法1.1自然时效法把构件露天放置于室外,经过几个月至几年的风吹、日晒、雨淋和季节的温度变化,给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下,促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。自然时效方法虽然简单易行,但降低残余应力的效果不明显,并且生产周期长,占用场地大,已逐渐被淘汰。1.2人工时效法人工时效处理法是降低残余应力的传统方法。人工时效是指把铝合金加热到某一温度,保温一定的时间,然后缓慢冷却到室温的热处理方法。但如果时效温度过高,时效时间过长,将使铝合金软化,谓之过时效。因而,人工时效通常在较低温度(小于200～250℃)下进行,从而使得消除应力的效果仅为10%～35%,非常有限。同时人工时效存在能耗高,生产成本高的问题。1.3深冷处理法深冷处理法也称冷稳定处理法,按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法2种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入-196℃的液氮中深冷,待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射,通过急热与急冷产生方向相反的热应力,借此抵消原来的残余应力场。而冷热循环法是指在慢速交换条件下在低温液氮与高温液体之间进行冷热交换,适合于内含线膨胀系数差别很大金相组织的铝合金。由于深冷处理对零件的尺寸与形状没有限制,因此,适合于形状复杂的模锻件与铸件。然而,深冷处理的局限性也显而易见,他只能消除热处理温度梯度产生的残余应力,而不能有效消除机械加工、冷成形等不均匀塑性变形产生的残余应力,对焊接残余应力的消除效果也不佳[3]。1.4振动时效法振动时效,在国外称之为“VSR”技术,它是“VibratoryStressRelief”的缩写。它是根据工艺要求控制激振器的转速和偏心使工件发生共振,让工件需时效部位产生一定幅度、一定周数的交变运动并吸收能量,从而让工件内部发生一定的微观黏弹塑性金属力学变化,从而在一定程度上降低和均化工件内部的残余应力,提高工件将来的尺寸稳定性及疲劳寿命等性能。2振动时效的工艺振动时效的一般工艺过程:用胶垫支撑工件—将激振器和拾振器固定在工件上—振前扫频搜寻共振峰—选择亚共振峰振动时效—振后扫频检查时效效果。振动时效工艺布置图如图1所示。首先,根据工件结构、尺寸、材质、时效要求和残余应力场分布分析判断所需有效振型;在预测的有效振型的节线附近平稳地弹性支撑工件(为了使工件处于自由状态,支点应尽量少);把激振器固定装在工件刚性较大且振幅较大处;把拾振器固定装在远离激振器且在振幅较大处。然后,选择激振器偏心距,将固定在工件上的激振器的电机转速(频率)由小调大,寻找共振峰,确定主、附振频率;按主振频率的振型调整支撑点、激振点、拾振点。最后,在亚共振区选择频率主振工件,一般累计振动时间不超过40min。3振动时效的原理振动时效(VSR)消除残余应力使工件获得尺寸稳定性的机理可以从宏观和微观两方面解释:宏观上,当σ动+σ残≥σS时(σ动—激振器施加给工件的周期性动应力,σ残为残余应力,σS为材料屈服强度极限),工件会产生少量的塑性变形,使残余应力峰值下降,原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化。同时由于包辛格效应,经一定时间的循环后,工件材料的当量屈服强度由原来的σS上升,直到与所受的应力相等,工件内部不再产生新的塑性变形,此时塑性变形变成弹性变形,工件的弹性性能得到强化,从而使工件的几何尺寸趋于稳定。微观上,因金属具有将机械能转变成热能的性质,即使在σ动+σ残≤σS时,也会产生微观的塑性变形。其机理为:由振动输入的活化能使位错移动,在位错塞积群的前沿引起应力集中而产生塑性变形;同时,迁移的位错切割位错群,以致使位错钉扎,材料基体得到强化,使松弛刚度增大,工件获得尺寸稳定性。4各种去应力方法比较图2所示零件是某相控阵雷达天线框架中的激励器安装梁,其结构特点是又窄又长、壁薄、槽多,加工复杂、精度要求高。此零件毛坯采用高强度铝型材(LY12CZ-XC311-59),加工过程容易产生变形,主要以翘曲变形和侧弯变形为主,扭曲变形为辅。翘曲变形是指在零件主平面上沿垂向产生的弯曲变形;侧弯变形是指在零件主平面上沿横向产生的弯曲变形,多发生在细长件上;扭曲变形是指绕零件中轴线产生的扭转变形(类似麻花状);复合变形则是指几种变形叠加在一起的变形。试验分别采用人工时效法、深冷处理法、振动时效法处理下料后的毛坯铝型材,然后进行机械加工。其中,人工时效时,使工件在195℃的井式热处理炉中保温6h,然后在空气中冷却到室温。深冷处理时,采用冷热循环法,使工件在-70℃与+90℃之间冷热循环处理3次。振动时效时,为了达到更好的振动效果,用钢板制作1件40mm×1000mm×2000mm的平板工装。先把下料后的铝型材刚性固定在工装上;然后按照振动时效工艺要求,在合适的位置安装激振器和拾振器,再振动时效40min。在零件加工刚刚完成时和放置90d时通过检测A、B面的平面度来衡量零件尺寸的稳定性。试验数据如表1所示。表1各种去应力方法比较数据mm处理方法试件编号检测面平面度(加工完)平面度(90d后)平面度变化量人工时效01A面0.100.820.72B面0.150.460.3102A面0.140.720.58B面0.220.460.24深冷处理03A面0.151.411.26B面0.110.590.4804A面0.141.221.08B面0.090.510.42振动时效05A面0.280.520.24B面0.100.180.0806A面0.130.380.25B面0.100.240.144.1试验分析通过以上试验数据我们可以看出:1)从零件刚加工完成到放置90d后,6件试件都有不同程度的变形。2)深冷处理过的试件平面度变化最大,说明其效果最差;振动时效过的试件平面度变化最小,说明其效果最好。4.2试验结论振动时效对降低LY12铝合金型材残余应力的效果明显好于其他几种时效方法。5结语振动时效与其他几种去除应力方法相比较,具有下述的优点。1)经过振动时效后的铝合金构件具有良好的尺寸稳定性,在后续的机械加工中不易产生加工变形。2)适用性强。由于工艺简单,设备灵活,因此可以在任何场地上进行现场处理。他不受构件大小和材料的限制,从几十公斤到几十吨的构件都可以使用振动时效技术。3)节省时间、能源和费用。振动时效只需30min即可进行下道工序,且节省了大量的电、水等能源。振动时效在铝材上的应用发布者：admin发布时间：2012-7-25阅读：1169次振动时效在铝材上的应用2010-12-29振动时效在铝合金零件加工中的应用张晓,杜战峰(西安电子工程研究所,陕西西安710100)摘要:高强度铝合金在加工过程中的变形问题广泛存在,而残余应力是引起变形的关键因素。因此,研究如何去除残余应力、稳定铝合金零件尺寸具有重要的理论意义和工程应用价值。关键词:铝合金;残余应力;振动时效分类号:TH161文献标志码:A本文首先介绍了去除残余应力的常用方法及其特点,然后详述了振动时效去除残余应力的工艺和原理。然后在试验中通过检测刚加工完成时和放置90d时,零件表面的平面度变化的方法比较了人工时效法、深冷处理法和振动时效法在去除实例零件残余应力时的效果。最后结果表明:振动时效在去除铝合金残余应力时较其它方法具有更好的效果。7075、2024、6061、6063等变形铝合金由于比强度高,广泛地用于航空、航天、电子等工业中。这些铝合金的强化都是通过热处理(固溶处理+时效处理)的途径得以实现。但这些铝合金结构件毛坯在成形(冷变形、焊接等)与热处理过程中常常产生很大的残余应力,造成在后续的机械加工过程中,随着材料的不断去除,原来毛坯中残余应力的“平衡状态”被打破,残余应力将重新分布直至达到内力平衡,此时往往产生很大的加工变形,使零件失去应有的加工精度。另外,残余拉应力还增加铝合金结构件应力腐蚀开裂(StressCorrosionCracking)的敏感性,导致早期疲劳失效。因此,在铝合金加工过程中去除残余应力,稳定零件尺寸具有重要的意义。1去除残余应力的常用方法1.1自然时效法把构件露天放置于室外,经过几个月至几年的风吹、日晒、雨淋和季节的温度变化,给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下,促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。自然时效方法虽然简单易行,但降低残余应力的效果不明显,并且生产周期长,占用场地大,已逐渐被淘汰。1.2人工时效法人工时效处理法是降低残余应力的传统方法。人工时效是指把铝合金加热到某一温度,保温一定的时间,然后缓慢冷却到室温的热处理方法。但如果时效温度过高,时效时间过长,将使铝合金软化,谓之过时效。因而,人工时效通常在较低温度(小于200～250℃)下进行,从而使得消除应力的效果仅为10%～35%,非常有限。同时人工时效存在能耗高,生产成本高的问题。1.3深冷处理法深冷处理法也称冷稳定处理法,按工艺可划分为深冷急热法与冷热循环法2种。其中深冷急热法是将含有残余应力的零件浸入-196℃的液氮中深冷,待内外温度均匀后又迅速地用热蒸汽喷射,通过急热与急冷产生方向相反的热应力,借此抵消原来的残余应力场。而冷热循环法是指在慢速交换条件下在低温液氮与高温液体之间进行冷热交换,适合于内含线膨胀系数差别很大金相组织的铝合金。由于深冷处理对零件的尺寸与形状没有限制,因此,适合于形状复杂的模锻件与铸件。然而,深冷处理的局限性也显而易见,他只能消除热处理温度梯度产生的残余应力,而不能有效消除机械加工、冷成形等不均匀塑性变形产生的残余应力,对焊接残余应力的消除效果也不佳[3]。1.4振动时效法振动时效,在国外称之为“VSR”技术,它是“VibratoryStressRelief”的缩写。它是根据工艺要求控制激振器的转速和偏心使工件发生共振,让工件需时效部位产生一定幅度、一定周数的交变运动并吸收能量,从而让工件内部发生一定的微观黏弹塑性金属力学变化,从而在一定程度上降低和均化工件内部的残余应力,提高工件将来的尺寸稳定性及疲劳寿命等性能。2振动时效的工艺振动时效的一般工艺过程:用胶垫支撑工件—将激振器和拾振器固定在工件上—振前扫频搜寻共振峰—选择亚共振峰振动时效—振后扫频检查时效效果。振动时效工艺布置图如图1所示。首先,根据工件结构、尺寸、材质、时效要求和残余应力场分布分析判断所需有效振型;在预测的有效振型的节线附近平稳地弹性支撑工件(为了使工件处于自由状态,支点应尽量少);把激振器固定装在