振动时效在薄壁件加工中的试验探究
高强度铝合金精密薄壁支架类零件由于强度高、相对重量较轻等优点，广泛应用于卫星和飞船等航天器中。由于该类零件材料加工量大，以至于加工应力大，容易产生加工变形，加工精度难以保证。零件在加工过程中需进行消除应力处理，以减小加工变形。
有些薄壁件在以往的加工中，通常采用多工序间多次进行热时效消除应力的方式。由于多次热时效后材料性能将发生改变，影响零件使用。而零件进行热时效次数少，则应力去除效果不理想，不能彻底消除零件的残余应力或使应力分布匀化，无法满足加工精度要求。因此，探寻一种有效的时效方式，对薄壁件加工具有非常重要的意义。
本文以大型薄壁铝合金锻环消除残应力为例，对振动时效对薄壁件残余应力的去除效果进行了定性和定量的分析，以此研究振动时效在薄壁件加工过程中的应用。
零件的工艺性分析
构件名称：铝合金锻环
构件尺寸：直径5m的超大薄壁环，最小壁厚仅为3mm。如图1所示。
图1试验铝合金薄壁环形貌
存在问题：
该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。
解决方案：
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。
振动时效工艺流程
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. 25 mm，振前平面度为 0. 15 mm；半精加工后零件振前圆度为0. 15 mm，振前平面度为 0. 03 mm。
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，在时效前对零件的内部应力进行了测量。
图2试验铝合金薄壁环振前应力( MPa)
2、时效处理
借鉴已有振动时效工艺方案，对时效设备进行安装。安装完成后，进入时效处理。
图 3 振动时效设备安装示意图
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. 50 mm，振后平面度为0. 30 mm；半精加工后零件振后圆度为 0. 85 mm，振后平面度为 0. 15 mm。利用盲孔法在零件时效后的数据采集点测量残应力，保持时效前后数据采集点相同，结果见图4。
图 4 试验铝合金薄壁环振后应力( MPa)
结论：
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% ，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，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，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 1 mm 以内，精加工径向余量可控制在 1 mm 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。
参考文献：
【振动时效在大型铝合金薄壁环中的应用】 作者：天津航天长征制造有限公司 李名扬，张朋朋，王德廷，杜华鹏；首都航天机械公司 郑 骥
