飞行器折叠舵扭杆弹簧振动去应力试验与应用

2023-08-10王程霖白凤雪王辰星张泽贤

航天制造技术 2023年3期

王程霖白凤雪王辰星吴娜张泽贤刘健

王程霖白凤雪王辰星吴娜张泽贤刘健

（北京新风航天装备有限公司，北京 100083）

针对飞行器折叠舵扭杆弹簧扭转后残余变形影响产品质量的问题，采用振动时效方法进行过程应力消除，通过设计振动工装、振动控制系统参数，开展扭杆弹簧振动时效试验，通过不同状态扭杆弹簧扭转角对比分析，验证振动环境下应力消除的有效性，为后期飞行器折叠舵扭杆弹簧尺寸稳定性提高提供借鉴。

振动与稳定性；扭杆弹簧；振动时效；尺寸稳定性

1 引言

扭杆弹簧作为动力元件为飞行器折叠舵的展开提供驱动扭矩，随着飞行器体积不断缩小，质量逐渐降低，折叠式舵面设计在飞行器中逐渐普及，尤其是在武器内埋挂载系统中，为实现武器的高密度内埋提供了便利[1]。

扭杆弹簧一般采用优质弹簧钢制造而成，为了提高弹簧扭杆自身的承载能力及缓冲性能，消除使用中的残余变形，扭杆弹簧的生产中会进行强扭试验[2]。试验过程使产品重构自身的应力分布，引起零件发生缓慢的变形，从而影响产品最终性能指标。本文提出振动时效的方式，在不影响材料本身特性的情况下，加速扭杆弹簧强扭处理后的残余应力的释放，解决飞行器折叠舵扭杆弹簧生产过程中缓慢变形的问题，以达到提高产品合格率的目的。

2 振动时效国内外研究现状

2.1 振动时效国外研究现状

很早之前，国外的技术人员就开始了振动时效方面的研究工作。20世纪初，美国物理学家Stratt J W最早开始研究振动时效理论，并第一个提交了振动时效技术的发明专利申请[3]。20世纪中叶，通过振动时效可以消除残余应力的理论被承认，多个西方发达国家强化了对振动时效机理和工艺相关研究的支持。到20世纪70年代，国外相关研究成果指出，当产品承受的动应力与残余应力的叠加结果超过材料的屈服极限时，能够使残余应力减少。到20世纪90年代，金属产品发生位错运动的振动时效数学模型被Walker等技术人员建立并进行试验，通过振动时效技术使圆筒焊接件内部残余应力消减了一部分，应力分布也变得均匀[4]。相关学者选取半成品轮船轴作为振动时效试验对象，试验结果表明残余应力松弛可达48%左右[5]。21世纪，随着传感、测量、网络等领域新兴技术的高速发展，振动时效技术被迅速地推广并应用。Munsi A S M Y等通过试验证明，振动时效相较于热时效处理，对提高产品的疲劳寿命有积极影响，经振动时效处理的产品寿命提升了20%左右[6]。

随着振动和控制设备的不断革新，振动时效工艺也逐渐趋于成熟，已被至少十个国家的企业采用并用于生产制造。其中，美国某企业投资了三百余台用于应力消除的振动设备，曾开展过五千余项振动时效处理。现多国均已将振动时效工艺不同程度地应用于航空、机床、石油运输等各种轻重工业的生产制造中。

2.2 振动时效国内研究现状

20世纪70年代，我国引进了振动时效技术，相关领域的技术人员开展了理论和实验研究[7]。芦亚萍等学者通过分析得出，振动时效和热时效均能通过减少塑性变形达到释放残余应力的目的，并阐述了两种时效处理在产品尺寸稳定性方面的差异，并得出结论，相比于热时效，振动时效在稳定产品尺寸、抗疲劳强度极限方面更具优势[8]。在“七五”期间，振动时效技术的研究逐渐变得成熟，我国发布了国家标准。“八五”以来，国内不断有新的学者开展振动时效的机理研究。振动时效减少残余应力的程度与金属中位错密度变化有关这一论断被上海工程技术大学的焦馥杰应用位错理论进行了分析[9]。21世纪以来，振动时效在节能、环保、高效等方面突显出来的较明显的技术优势得到认可，2002年成为国家经贸委批准的重点技术推广项目之一。

3 飞行器扭杆弹簧加工工艺特性及变形分析

本文以飞行器折叠舵中的扭杆弹簧为研究对象，主要用于承载飞行器折叠舵的扭转负载，通过扭杆的扭转变形为折叠舵的展开储存能量。

3.1 扭杆弹簧加工工艺分析

本文研究对象的扭杆弹簧材料为60Si2MnA，含有合金Si和Mn，提高了材料的淬透性和屈强比，可提供足够高的弹性变形能力，并可承受较大的载荷。

扭杆弹簧制造工艺包含机加、热表处理及探伤等工序。机械加工工序主要保证图样规定的各部位尺寸、公差及表面粗糙度。热处理调质工序确保扭杆弹簧达到设计的硬度值要求。表面处理使弹簧表面获得完整、均匀、平滑的化学氧化膜层，使之具有较高的稳定性和耐蚀性。高强度扭杆弹簧在表面处理后应注意进行消除脆性处理，并在试加工时进行氢脆试验，氢脆试验未发生断裂或裂纹后，将工艺参数固化，用于正式产品的加工。

变形试验是判定扭杆弹簧是否合格的重要判据，将扭杆弹簧按设计角度向工作方向进行扭转，持续一段时间后进行卸载，测量基准角度变化，由此判断扭杆弹簧的弹性能力和扭矩是否符合设计要求。

3.2 扭杆弹簧加工数据包络分析

扭杆弹簧的弹性能力是折叠舵翼是否能顺利展开的关键指标，根据以往生产经验和飞行器运行状况对扭杆弹簧的残余变形进行成功数据包络分析，形成数据包络分析图，如图1所示。

图1 扭杆弹簧加工成功数据包络分析图

现有加工能力可保证扭杆弹簧合格率达到95%以上，其中不合格原因均为变形试验后的残余变形不合格，包含残余变形大于3°和小于-0.16°（工作方向为“+”，工作反方向为“-”）两种情况。残余变形大于3°为原材料局部性能不满足要求，不再赘述。本文旨在解决残余变形小于-0.16°的问题。

3.3 扭杆弹簧变形分析

扭杆弹簧加工过程中确定残余变形的测量基准，测量基准在加工前，扭杆弹簧经历了强扭试验，强扭试验对扭杆弹簧进行了工作方向的扭转，在对扭杆弹簧施加扭矩时，扭杆弹簧的材料服从弹塑性本构的物理关系，当卸载施加的扭矩后，扭杆弹簧服从弹性应力应变关系。在强扭试验过程中，在扭杆弹簧两端施加扭矩的过程中，在扭杆弹簧截面上产生逐渐增大的纯剪切应力。当扭矩较小时，扭杆弹簧处于弹性阶段，扭矩消失后，扭杆弹簧回到初始位置，扭转角与回弹角相等，不存在残余变形；随着扭矩不断增大，直到扭矩增大到扭杆弹簧到达弹性极限时所能承受的扭矩时，扭杆弹簧开始进入塑性变形，扭矩消失后，回弹角小于扭转角，出现残余变形。

引起塑性变形的扭矩所做的功，以零件内部材料变形的形式贮存在零件内，当扭矩消失后，由于变形而产生的不均匀的能量需要释放，能量释放的过程中，零件缓慢地向残余变形的反方向再次变形，直至能量全部释放出来，使零件内部的应力达到平衡，零件的残余变形达到相对稳定状态。

表1 扭杆弹簧强扭试验后残余变形统计 (°)

根据以上分析的扭杆弹簧扭转、卸载的残余变形规律，在强扭试验后，扭杆弹簧会产生工作方向的残余变形，抽测强扭试验后扭杆弹簧的残余变形如表1所示。抽测的20根扭杆弹簧在强扭试验后内部产生了14.778°～19.583°不稳定变形，随着时间的推移，不稳定的内部残余应力做功，使强扭试验产生的残余变形向工作的反方向静置28d后对扭杆弹簧的残余变形进行测量，具体数值如表2所示。

如表2所示，在28d中，扭杆弹簧发生了-2°～-0.51°的角度变化，扭杆弹簧加工至变形试验工序时，经历了相对较长的一段时间，扭杆弹簧的弹性性能趋于稳定，如果变形试验中产生的残余变形较小，小于这段时间残余应力做功而产生的工作反方向的残余变形，则出现了残余变形为负值的情况。

表2 强扭试验28d后扭杆弹簧的残余变形统计(°)

3.4 扭杆弹簧残余应力消除

为解决强扭试验后扭杆弹簧残余变形为负值的问题，需探讨强扭试验后加速扭杆弹簧残余应力重新分布的速度，使扭杆弹簧在短时间内释放内部残余应力。回火、喷丸、振动时效均能有效去除零件内的残余应力，使零件内部的组织达到稳定，但扭杆弹簧在强扭试验后，表面尺寸和粗糙度、硬度和强度要求均已达到设计要求，喷丸处理会破坏零件的表面质量，回火时，随着回火温度的提升，材料的硬度和强度均会产生不同程度的降低，这两种方式均不适用于扭杆弹簧，振动时效技术相较于传统时效技术，其操作时间短，成本低，节能环保，且残余应力降低效果好，所以本文将着重探讨振动时效对强扭试验后扭杆弹簧的残余应力变化的影响[10]。

4 飞行器扭杆弹簧振动时效试验设计

根据前面的分析可知，消除残余应力的必要条件是使材料受力或者温度等变化，从而消除零件因加工工艺产生的内部应力。如果要内部应力得到宏观范围的释放，可以通过叠加扭杆弹簧的残余应力与振动设备激振产生的动应力的方式，当叠加的结果超过材料的屈服极限时，材料的形变就会停止，从而达到工件时效的目的。但是，激振产生的动应力具有两面性，动应力过小时，则无法达到快速振动时效的目的；动应力过大时，疲劳损伤会使工件产生开裂等现象。因此，在振动时效试验设计时，最大动应力的选择应小于工件的疲劳极限，确保工件可以经历无限次数的循环而不发生损伤。

工件时效处理的效果与选择激振力的大小息息相关，但同时振动实现过程中选择的振动类型、频率范围同样重要。当激振频率与工件的固有频率接近时，工件与振动设备会发生共振现象，较大的动应力会作用于工件上，从而使降低残余应力的效果更好。因此，选择正确的振动时效试验参数可以获得相对较好的振动时效效果。

4.1 选择激振力

振动时效过程中，振动设备施加的激振力会使工件获得附加的交变应力，工件因加工产生的残余应力叠加附加的交变应力，工件的局部或整体会产生塑性变形，从而使工件内部的残余应力更加松弛、均化，甚至消除，这种塑性变形成为工件状态趋于稳定的关键。

研究表明，过载系数是所受外力与自身应力之比，对于时效试验来说是工件受到的附加动应力和工件残余应力之比，即=附加动应力/残余应力，过载系数是鉴定振动时效处理有效性的依据之一。但是过载系数的值并不是绝对的，如果选择通过振动时效试验释放工件内部的残余应力，使残余应力得到宏观范围的释放，需要保证两个条件。第一个条件是激振动应力与残余应力的叠加结果高于材料的屈服极限，第二个条件是过载系数大于1，此时激振动应力与残余应力消除效果呈正比。同时需要注意的是，过大的动应力会使工件因疲劳造成不可逆的损伤。目前查询到的资料都显示动应力不能超过工件的疲劳极限，因此，设计振动时效试验时，激振力的选择应同时满足以下条件：

a. 工件受到的动应力与残余应力之和必须大于工件材料的屈服极限；

b. 工件受到的动应力小于工件疲劳极限。根据以上内容分析，选择的扭杆弹簧的屈服强度为1411MPa，按照动应力10～50MPa的范围内取值，满足动应力值不超过材料的疲劳极限值要求。

4.2 激振频率确定

在共振状态下，工件可以在振动设备提供的较小激振力下产生最大的振幅，受到更大的动应力，工件在此种状态时可以快速地消除残余应力，在最短的时间内使工件获得最佳的尺寸稳定性。为了达到提高振动时效效率的目的，可以通过设置振动设备提供的频率与工件的固有频率一致，使工件处于共振状态。工件的固有频率与自身的很多特点有关系，比如外形尺寸、阻尼、密度、质量等。一般多自由度振动系统会有多个固有频率，操作过程中可以选取其中一个。单自由度振动系统通常选取一阶共振频率。除了一阶频率太低的情况，振动设备的能量不易被有效利用，可采用二阶或三阶共振频率，一般选取一阶共振频率当作主激振频率，可以在较低的频率获得较大振幅。除此之外，选择的激振频率应小于振前固有频率和振后固有频率，且激振频率靠近振后固有频率时，更有益于残余应力的再次释放。

但是在工件处于共振状态下时，因工件产生大幅度振动，振动设备的工作条件较差，若共振幅度超出振动设备极限范围，振动的设备激振器甚至可能被损坏，因此为了避免此种情况的发生，振动频率一般选择工件固有频率附近频率用于激振工件，降低共振带来的破坏风险。试验过程中，随着振动时间的不断增加，因工件参与应力逐步释放，其固有频率还有降低的可能，因此通常选用工件的亚共振区的频率作为激振频率。

对试验件进行扫描，以样件及工装组合进行频率确定。

图2 振动驱动图谱

如图2所示，一阶固有频率为1800Hz，选择亚共振频率1670Hz作为试验工件振动时效的激振频率。

4.3 激振时间确定

振动时效消除残余应力时，工件内金属材料产生位错运动，发生不断攀移的现象，直至最后到达稳定状态，因此虽然通过振动时效的方式消除残余应力可以加速时效过程，但是也需要一定的处理时间。残余应力的分布和大小与工件的结构和重量有关，所以各类工件的振动时间也会有所不同。不同的振动时间会产生不同的效果，在振动时效的时间选择中，可以通过3个方面确定振动时效时间。

a. 工件质量：工件质量与振动时效参考时间见表3。

表3 工件质量与振动时效参考时间对应关系

b. 塑性变形状态：残余应力消除、零件状态稳定性的重要表征之一为工件塑性变形的变化，因此可以将塑性变形趋于稳定的时间作为振动时效时间。

c. 振动响应：通过工件的共振峰、振幅确定振动时效时间。

从实际生产的角度看，振动时效时间有一定范围，在一定的激振力下，振动时效的时间一旦超出范围就会产生疲劳损伤。虽然在激振力小于材料的疲劳极限时，可以忽略此问题，认为振动时效处理时间可以无限延长，但是，当位工件不再产生错稳运动后，继续施加激振力，振动时效的效果极差。此时，振幅不再因共振产生变化，在原参数下继续振动，残余应力不会再发生明显的变化。但是，通常在振幅—时间曲线变平后会再延长3～5min的振动时效时间，可稳定振动时效的效果。

本试验以工装及组件为试验对象，重量为14kg，小于227kg，振动时效时间10min。

4.4 其他因素确定

振动时效效果除与上述描述的激振力、激振频率和激振时间有密切关系外，其它因素也对振动时效的效果有一定的影响，比如工件的支撑、激振点的选择、激振器的固定等。

4.4.1 工件的支撑

工件在振动设备上通过工装进行合理支撑，可以有效保证产品得到良好的激振力，使工件快速达到激振频率。应选择在共振状态下工件自身的振幅为零的点，即工件振动的节点处，作为工件的支撑位置，防止施加的能量过多流失，振动效率得到提高，工装与工件不会因为彼此之间的相对位移而导致撞击，也不会造成工件滑动影响加速度信号的稳定性。

本次试验选择压板式固定方式，单次可实现2件产品装夹，分为2个振动检测点及2个振动控制点。振动装夹方式、振动控制点及监测点设置位置如图3所示。

图3 振动装夹、振动控制点及监测点示意图

4.4.2 激振点的选择和激振器的固定

振动时效处理中，激振点的选择直接影响振动时效的效果。以满足工件内产生尽量大的动应力为目的，通常将激振点定在波峰附近。如果将激振点选择在振动的节点位置，激振力在工件内产生交变的动应力为0，无法达到时效的目的。但一定要避免选择在工件结构薄弱处，防止因激振力造成损坏。

研究表明，在相同的振动工况下，工件与激振器的相对位置直接影响着振动时效的效果。因此，在实际操作过程中，可以多次调整激振器的位置，观察振幅的变化情况，选择最优的激振器位置。

工件与激振器一般刚性连接，这种连接方式可以极大限度地保证激振器对工件的能量传递。通常连接夹具采用“C”型，如果工件结构不能实现“C”型夹具紧固，可考虑在工件上钻孔攻丝后再采用螺纹连接。

4.4.3 扫频速率

工件因其固有特性存在阻尼，在振动提供的激振应力下达到稳态需要一定的时间。在实际操作中，扫频升速是连续的，工件没有充足的响应时间达到稳态。因此，扫频过程中升速不同，在共振区达到共振的频率就会不一样，如果扫频速率过大，得到的可能不是工件固有特性的响应，而是基于激振力的强迫响应。

5 试验结果分析

从图4可以看出，振动时效工艺在扭杆弹簧残余变形稳定性方面优于自然时效，自然时效3d的扭杆弹簧的残余变形恢复了0.03°～0.266°，残余变形的平均值为-0.09°，而振动时效10min的扭杆弹簧的残余变形恢复了0.396°～0.962°，残余变形的平均值为-0.55°，超过自然时效残余变形变化的6倍，因此判定振动时效可在相对较短的时间内使扭杆弹簧的残余应力到达较为稳定的状态，在效率和效果两方面均优胜于自然失效，通过振动时效的方法降低残余应力，可有效缩短生产周期。

图4 振动时效与自然时效残余变形角度变化对比

6 结束语

本文对飞行器扭杆弹簧加工工艺进行分析，得出零件变形的原因，并对振动时效试验中的激振力、激振频率、激振时间等相关要素进行设计，通过振动时效和自然时效试验结果的对比发现，振动时效可以在较短的时间内使扭杆弹簧的残余应力降低至较为稳定的水平，在效率和效果方面均有明显的优势，可以为该类零件加工去应力提供借鉴。

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Test and Application of Vibration Stress Relief for Torsion Bar Spring of Aircraft Rudder

Wang ChenglinBai FengxueWang ChenxingWu NaZhang ZexianLiu Jian

(Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100083)

In this paper, aiming at the problem that the residual deformation of torsion bar spring of aircraft rudder affects the product quality after torsion, the vibration aging method is used to eliminate the process stress. By designing the vibration tooling and vibration control system parameters, the torsion bar spring vibration aging test is carried out. Through the comparative analysis of torsion angle of torsion bar spring in different states, the effectiveness of stress elimination in vibration environment is verified. It provides a reference for improving the dimension stability of torsion bar spring of aircraft rudder in the later stage.

stability and vibration；torsion bar spring；vibration aging；dimension stability