球面型薄壁金属件残余应力均匀化工艺研究

常维博，宋鑫，王晓燕

（西安航天动力机械厂，陕西西安710025）

球面型薄壁金属件残余应力均匀化工艺研究

常维博，宋鑫，王晓燕

（西安航天动力机械厂，陕西西安710025）

通过对残余应力的测试分析得知，球面型薄壁金属件成品超差主要是由于残余应力再度均匀化所致。根据上述特点，设计了专用定型工装，在精加工前和精加工后进行两次低温时效，加速了残余应力释放，提高产品质量。

球面型薄壁金属件；残余应力；均匀化

在金属切削加工过程中，无论是铣削还是车削等，都会在零部件表面诱发残余应力。残余应力无法消除，只能在产品内部趋于一种平衡状态。残余应力的状态对零件表面疲劳裂纹的形核与扩展行为有着重要的影响，可能会大幅度降低零件的疲劳寿命[1]。此外，残余应力还能引起的扭曲变形，会明显地降低零件的加工制造精度。加工过程中残余应力的控制及平衡的问题，一直是精密、超精密切削领域的重要的研究课题。

在航空、航天工业中，由于整体结构质推比的需求，大量使用了薄壁金属结构件。因此，该领域也是残余应力控制研究的重点方向。对于残余应力如何控制，航空、航天方面由于结构、材料、强化方式，加工方式的不同，各有侧重点。根据相关研究资料，铝合金可采用预拉伸板材、振动时效、低熔点金属增强刚性、切削变形预测补偿等方法进行残余应力控制。但在高强度钢方面，由于其材料物理特性与铝合金有较大区别，上述的技术方案使用效果并不明显。本文拟通过对高强钢薄壁金属件残余应力的检测数据分析，提出残余应力控制的技术方案。

1　工艺分析

在一种球面型薄壁金属件（材料为高强钢，经热处理强化，具体结构如图1所示）的生产过程中，精加工完成后，检测合格。放置一段时间，检测时发现零件大端尺寸变形严重，圆跳超差，无法满足产品交付的质量要求。

图1　球面型薄壁金属件结构尺寸图

现阶段，薄壁金属件切削变形控制较成熟的工艺控制思路为：通过技术方法，逐步地控制产品的变形，使整个零部件的变形始终在可控的范围内。但是由于残余应力的不可预测性，对于残余应力控制，只能通过实验方法来验证解决。

为了增强零件刚性，减少装夹力对变形产生的影响，针对上述薄壁金属专门设计了一套专用工装如图2所示。产品精加工前一直留有工艺夹头，采用轴向定位，尽量弱化装夹对零部件变形的影响。加工时选用合理的切削刀具，机床采用高转速、小切深和足量冷却的方式进行加工，尽量减小切削热和切削力对产品最终精度的影响。

图2　专用工装

2　表面残余应力测试分析及工艺论证

残余应力是利用西安交通大学日本理学MSF-3F新型X射线应力分析仪测定。测试条件为CrK线辐射，管电压30 kV，管电流10 mA.采用高精度的PSPC计数器，利用测量精度高、重复性好的等倾法进行检测。

其测定的最基本的思路是，认为一定应力状态引起的晶格应变和按弹性理论求出的宏观应变是一致的。而晶格应变可以通过布拉格方程由X射线衍射技术测出，这样就可以从测得的晶格应变来推知宏观应力[2]。

薄壁金属件示意图如图3所示，定义薄壁金属件外侧为A面，内侧为B面，假设任意位置为0°，分别在0°、90°、180°、270°位置上进行残余应力测试。为了节约测试成本，在A面、B面的0°进行4点残余应力测试，其余位置测试2点（靠近小径锥边的为第1点，靠近大径的为第2点）。

图3　薄壁金属件残余应力测试点

随机选择薄壁金属件中的1#、10#各2件，进行残余应力测试。将这2组薄壁金属件分成两组，其中一组在加工后7天内完成测试，另一组在加工15天后开始测试，7天内完成测试，得到测试数据。

通过数据对比，得到第一组试件7天内和15天后残余应力变化如图4所示。第二组试件7天内和15天后残余应力变化如图5所示。

图4　第一组7天内和15天后残余应力变化

图5　第二组7天内和15天后残余应力变化

经分析，认为薄壁金属件加工后7天内完成测试，工件上残余应力分布不均匀，大部分为张应力，个别位置为压应力，各处的残余应力相差绝对值比较大。放置15天后测试，薄壁金属件残余应力分布趋于均匀化，并且全为张应力。

在借鉴国外先进经验的基础上，针对产品精加工完成后残余应力的变化情况，开展了薄壁金属件精加工后的残余应力均匀化技术研究，设计专用定型工装如图6所示。在工装的约束状态下，通过精加工前和精加工后两次低温时效加速残余应力释放，使得零件完全达到低应力、均衡的状态，提高产品质量。

图6　热定型工装

试验结果表明，球面型高强钢薄壁金属件在加工过程中采用两次低温人工时效，能加速残余应力均匀化，有效的控制变形，达到尺寸稳定的效果。

3　结束语

球面型薄壁金属件加工完成后放置15天后，残余应力分布趋于均匀化，并且全为张应力。由此推断，球面型薄壁金属件成品件的超差主要是由于残余应力再度均匀化所致。

通过使用专用定型工装，在精加工前和精加工后对球面型薄壁金属件进行两次低温时效，可加速残余应力释放，提高产品质量。

[1]张根保.残余应力消除技术[J].制造技术与机床，2015，（04）：6-11.

[2]王庆民.残余应力测试的进展与动向[J].机电工程，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

常维博（1983-），男，陕西岐山人，工程硕士，工程师，研究方向为非标成套工装模具设计制造。