分析并讨论了振动消除应力技术的基本原理，通过振动消除应力与传统的热处理时效工艺的对比工艺试验，验证了振动消除应力在铝合金零件加工中的消除应力控制变形的有效性，对于高强铝合金小型薄壁结构件和大型结构件，效果优于热处理时效消除应力，并给出了振动消除应力技术在航天器大型铸件、精密零部件、大型零部件加工中的应用实例。
关键词：振动应力振动时效

1 引言

卫星和飞船等航天器金属薄壁结构零部件多采用LY12CZ、LD10CS和LC9CZ等高强度铝合金，由于此类材料加工应力较大，在加工过程中极易变形。在加工过程中，为了不改变材料的状态，不降低材料的性能，在工件消除应力时，不能采用热处理退火工艺方法，只能采用低温时效消除应力，而低温时效温度低，应力去除效果不理想。目前在半精加工和精加工时，采用多工序小吃刀量加工，并进行多次低温热处理时效的工艺方案。而多次热处理会降低材料的性能（原则上热处理次数不超过3次）。

尽管采取以上措施，仍不能彻底消除零件的残余应力或使应力分布均匀化以保证产品质量的稳定性，造成零件加工变形，加工精度和表面质量差，工艺稳定性和产品一致性差，导致零件成品率低，且工时长，工序繁多，产品生产率低，成为制约产品工艺定型和卫星结构小批量生产和组批生产的关键问题。

振动消除应力技术与常规的热处理退火、时效工艺相比，具有设备简单、对环境无特殊要求、适应范围广、可实现在线消除应力、处理时间短、成本低等优点，在航天器的研制中具有广泛的应用前景，特别是对目前航天产品的小批量生产意义更加重大。

2 振动消除应力的机理

对于振动过程的机理，国内外已经进行了大量的研究工作，取得以下的共识。振动就是对金属构件施加周期性的作用力（动应力σ动）。在振动过程中，施加到金属构件各部分的动应力σ动与内部残余应力σ残叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限σｓ，即σ动＋σ残≥σｓ时，这些点晶格滑移，产生微小的塑性变形，达到释放残余应力的目的。

从微观上看，只要温度在绝对零度以上，金属原子始终处于运动中，由于残余应力的影响，这些原子处于不平衡运动状态。但它们力求回复平衡位置，这就需要能量。振动时效就是给金属构件提供机械能，使约束金属原子复位的残余应力释放，加快金属原子回复平衡位置的速度。

从金属物理学上看，振动时效的过程，实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错，所以在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加，在应力较高的区域，就可产生位错滑移，出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的，当微应变累积到一个宏观量，金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开通，局部较大残余应力得以释放，构件宏观内应力随之松弛，使残余应力的峰值下降，改变了构件原有的应力场，最终使构件的残余应力降低并重新分布，使较低的应力达到平衡。位错塞积后造成位错移动受阻，从而强化了基体，提高了构件抗变形能力，使构件的尺寸精度趋于稳定。

3 振动消除应力工艺试验

3.1试验目的

开展振动消除应力工艺研究和试验工作，旨在寻求一种新的消除应力的工艺方法，一是解决大型结构件无法进行热处理消除应力的工艺问题；二是解决小型薄壁结构件加工变形问题，最终实现提高薄壁复杂结构零部件的加工精度，缩短研制周期的目的。

3.2试验方法

由于有色金属残余应力测量比较困难，目前尚无比较理想的测量方法，因此，采用对比试验法，选择典型结构试件，进行振动消除应力、热处理消除应力和不进行消除应力三种情况下的加工试验，实际测量各种情况下的变形量，并对这些数据进行分析，对振动消除应力进行评价