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振动时效振动辅助成形消除残余应力

更新时间:2020/12/11  点击数:286


铝合金结构件在航天中应用广泛,但是在太空中,结构件由于受到高低温循环作用,内部残余应力容易发生松弛,破坏了工件的尺寸稳定性,无法满足长时间的精度保持要求。
此外,板材局部的高残余应力集中区域由于内部组织和结构的不均匀性易成为应力腐蚀的活性点,最终导致应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC),从而造成构件开裂。所以,在航天领域,大幅消除构件的残余应力显得非常必要。

振动时效一直是消除残余应力的有效手段。熊冠华等对7075铝合金薄壁构件进行振动时效处理,在30和60 min的时效时间内,表面残余应力分别下降了22%和32%。刘晓丹等采用振动时效来消除波纹管中的残余应力,振动后膨胀波纹管的轴向和环向残余应力分别下降了44.6%和17.6%。此外,有学者发现,振动时效消除残余应力的效果与零件成形后的静置时间有关,构件组织内部越不稳定,残余应力的消除效果越好。而材料在成形过程中,其组织和应力状态均处于不稳定状态,如果在冲压成形中引入振动,既能够有效地缩短制造工艺流程、提高生产效率,又能够起到降低残余应力的作用。

目前,振动辅助成形应用较多的是超声波振动辅助成形。受限于振动力的大小,其主要应用在微成形领域。现在,随着伺服控制技术的发展,具有较大成形力的伺服压力机已经得到了广泛应用。本研究采用高精度伺服压力机作为振动源,能够产生0~40 Hz的低频振动。同时,由于经典的3点弯曲模型的残余应力分布规律能够很好地采用解析方法算出,且能方便地验证后续实验过程中残余应力测量的准确性,所以,本研究采用振动辅助弯曲成形实验,以振动频率、振幅以及下压速率作为变量,研究不同振动参数对残余应力的影响规律,并采用有限元模拟分析和微观位错理论对其进行分析与解释。

结论
(1)低频振动辅助成形能够降低材料残余应力以及位错密度,相比于无振动成形,残余应力降幅可达36.96%。

(2)当振幅在0~0.15 mm范围内,随着振幅增大,内弯面的残余应力和位错密度均呈现先下降、后上升的趋势,在0.04~0.07 mm处出现残余应力最低点,这是因为:随着振幅的增大,模具与板料表面会发生分离,进而影响位错密度和残余应力的变化。

(3)振动频率在0~30 Hz振动范围内,残余应力随着频率的增加先降低,超过临界频率之后,频率对残余应力的影响不明显。

(4)在0.1~1.0 mm·s-1的下压速率范围内,随着下压速率的增大,残余应力呈现上升趋势。

(5)弯曲截面的平均位错密度与内、外弯曲表面的残余应力随振动参数变化规律一致。

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