CN103045844B - 一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，包括步骤：步骤一：进行振动准备工作，具体为：振前测量承力筒尺寸，采用多点均布支撑方式支撑承力筒，用工装固定承力筒，选择激振器的位置、偏心档，选择拾振器的位置，其中，承力筒尺寸包括平面度、平行度、圆度、高度；步骤二：于振动前进行模态试验；步骤三：进行振动时效试验；步骤四：于振动后进行模态试验；步骤五：测量重要工序尺寸，其中，重要工序尺寸包括承力筒的上端框外径、下端框外径、上端框圆度、上端框平面度、以及下端框平面度。本发明可以有效去除铆接承力筒残余应力，使铝合金铆接承力筒结构尺寸稳定；大大缩短卫星铝合金铆接承力筒生产周期，有效保证了生产进度。

Description

一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法

技术领域

本发明涉及去应力方法，尤其是将振动时效技术应用于卫星铝合金铆接承力筒去除残余应力，从而改善应力分布，提高结构稳定性和可靠性，具体涉及一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法。

背景技术

卫星铝合金铆接承力筒结构是卫星结构分系统的重要组成部分，通常由铝合金上、下法兰（锻铝），铝合金蒙皮（硬铝），铆钉（硬铝），桁条（硬铝）等几种零部件构成。法兰与蒙皮，桁条与蒙皮，法兰、桁条与蒙皮之间的连接都是铆接。蒙皮在铆接前进行了拉型成型，上、下法兰进行了机械加工处理，桁条经过了淬火、成型工艺过程。因其结构刚性、稳定性好，制造成本相对较低等优点，一直在各类卫星结构分系统研制中广泛应用。

然而长期以来，铝合金铆接承力筒的制造一直面临残余应力过大导致产品变形的问题。其主要体现在：①端框圆度超差、平面度超差；②总高度超差；③法兰厚度超差等，造成后序加工的难度和质量的不稳定。误差变形将严重影响卫星的整星装配精度，对卫星的研制生产是不利的。经分析得出造成产品变形的主要因素之一就是铆接应力释放与端框机加残余应力的叠加。由于承力筒是由不同材料组成，相同材料的结构尺寸也不均匀，所以不适合对承力筒整体进行热时效。目前，铝合金铆接承力筒的应力改善方法主要有两个措施：①上下端框在机械加工时采用热处理去除应力；②铆接后主要采用自然时效去除应力，这种方法耗时且去应力效果不够理想。

经对现有技术的文献检索发现，目前还没有将振动时效技术应用于卫星铝合金铆接承力筒去应力过程中。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，将振动时效技术应用于卫星铝合金铆接承力筒结构去除残余应力中，分析振动时效后承力筒应力消除效果以及振动时效对承力筒结构和性能的影响，确定振动时效应用于铝合金铆接承力筒的工艺方法及工艺参数，解决卫星铝合金铆接承力筒由于残余应力导致变形的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，包括如下步骤：

步骤一：进行振动准备工作，具体为：振前测量承力筒尺寸，采用多点均布支撑方式支撑承力筒，用工装固定承力筒，选择激振器的位置、偏心档，选择拾振器的位置，其中，承力筒尺寸包括平面度、平行度、圆度、高度；

步骤二：于振动前进行模态试验；

步骤三：进行振动时效试验；

步骤四：于振动后进行模态试验；

步骤五：测量重要工序尺寸，其中，重要工序尺寸包括承力筒的上端框外径、下端框外径、上端框圆度、上端框平面度、以及下端框平面度。

优选地，在所述步骤一中，采取圆周均布的三点或四点弹性支撑方式支撑承力筒，支撑位置应在主振频率的节线处或附近，且每一个支撑位置距离承力筒圆心的距离为支撑位置所在圆周半径的2/3。

优选地，在所述步骤一中，激振器刚性地固定在承力筒的刚度较强或振幅较大处，激振器偏心角度为5°。

优选地，在所述步骤一中，采用加速度传感器做为拾振器，加速度传感器安装在远离激振器的承力筒振幅较大处。

优选地，在所述步骤二和/或步骤四中，采用敲击法进行模态试验，将承力筒和工装作为一个整体的系统进行模态试验，在承力筒上法兰上均布四个测量点，用钢锤沿纵向、横向敲击下裙上法兰，作为激振力输入，数据由四个测量点采集，并输入到计算机。

优选地，在所述步骤三中，振动时效试验的振动方式具体为：将激振器和拾振器刚性地固定在为共振时的相邻节线的角平分位置处，进行第一次激振试验，第一次激振试验包括振前扫描、激振、振后扫描；将激振器偏移15°，进行第二次激振试验，第二次激振试验同样包括振前扫描、激振、振后扫描。

优选地，在所述步骤三中，振动时效试验的振动力度与时间具体为：每一次振动试验的振动时间为15分钟，当处理器采集的数据曲线符合A-t曲线上升后变平，A-n曲线振后比振前的峰值升高时，即停止振动。

优选地，在所述步骤三中，振动时效试验的扫频速度采用200r/min的升速进行扫频。

更为具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明采用振动时效技术，振动时效简称VSR（Vibratory Stress Relief），是利用一种严格受控的振动能量，让工件发生共振，使施加于工件上的交变动应力与工件中的残余应力叠加。当应力叠加达到一定数值后，在应力集中最严重部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形，这种塑性变形降低了局部残余应力峰值，均化了工件的残余应力场，并强化了金属基体，提高了工件抗动载、抗变形能力，稳定了工件尺寸精度。

通过对卫星铝合金铆接承力筒残余应力的振动时效工艺试验，分析振动时效后承力筒应力消除效果以及振动时效对承力筒结构和性能的影响，并应用“模态试验+外形尺寸测量”的方法对振动时效效果进行评定。通过采用模态试验方法分析铝合金铆接承力筒振动时效前后的频率、带宽可知：铝合金铆接承力筒振动后频率变化不大，共振峰带宽变窄，说明其均化了应力分布，对刚度的稳定有效果；通过测量铝合金铆接承力筒振动时效前后的上下端框尺寸变化量可知：其尺寸变化量较大，放置一段时间后，其外形尺寸变化量趋于稳定状态，这说明振动时效对铝合金铆接承力筒的应力释放和其尺寸稳定有很好的作用。经测量其上下端框圆度尺寸和高度尺寸变化量满足我们的要求。通过以上一系列的试验，最终确定了振动时效应用于铝合金铆接承力筒的工艺方法及工艺参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用振动时效方法有效去除铝合金铆接承力筒残余应力，使产品结构尺寸稳定，满足产品指标要求，提高产品质量；大大缩短卫星铝合金铆接承力筒生产周期，有效保证了生产进度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为卫星铝合金铆接承力筒结构示意图；

图2为振动时效设备；

图3为振动时效试验安装图，图3中，子图（a）为第一次激振时的装夹位置，子图（b）为第二次激振时的装夹位置；

图4为卫星铝合金铆接承力筒振动时效试验工艺流程图。

图中：1为上端框，2为蒙皮，3为桁条，4为铆钉，5为下端框，6为拾振器，7为偏心轮激振器，8为工件，9为弹性橡胶垫，10为工装。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

如图1所示为某型号卫星的铝合金铆接承力筒，其主要包括材料为2A14T6的上下端框、2A12T4的蒙皮及桁条，铆接采用材料为2A01的各类铆钉。

如图2所示为振动时效设备，其主要由处理器、工件、工装、激振电机、弹性橡胶垫、拾振器等组成。试验设备放在水平面较好的地面上进行，系统由数据采集模块、激振器、拾振器等组成振动回路，从而对工件、工装系统进行激振和数据分析。如图3所示为振动时效试验安装图。首先橡胶垫120均布，将铝合金铆接承力筒放于橡胶垫上。

按图3（a）要求安装激振器和拾振器，用工装夹具装夹好，进行第一次激振试验，按图3（b）要求安装激振器和拾振器，用工装夹具装夹好，进行第二次激振试验。

如图4所示为卫星铝合金铆接承力筒振动时效试验方法的工艺流程。首先对卫星铝合金铆接承力筒进行振动时效，采用“模态试验+外形尺寸测量”的方法，测得其振动时效试验前后的变化。目的是通过对比试验，对振动时效方法应用于下裙铆接件进行定性评价。

本发明具体流程如下：

如图4所示，采用两个结构材料相同的卫星铝合金铆接承力筒，其中一个为组合加工完毕的承力筒，命名为工艺件，另一个处在组合加工前的状态，命名为试验件。在同样的环境条件下进行振动时效试验，并且相应提高了工艺件的激振力和激振频率，详细步骤为：

（1）振动准备工作

①振前测量工件尺寸（包括平面度、平行度、圆度、高度等）。

②采用三点均布支撑方式支撑。

为了使工装处于自由状态，应采取三点或四点弹性支撑工装。在保持工装静动态平稳的前提下，支撑的数目越少越好。支撑位置应在主振频率的节线处或附近。因此，采用三点均布支撑，且每一个支撑距离圆心的距离为半径的2/3。

③选择激振器的位置、偏心档

激振器应刚性地固定在工件的刚度较强或振幅较大处，但不准固定在工件的强度和刚度很低部位。激振力随着偏心角度的增大而增大。分别采用5°、10°、15°、20°、30°的偏心角度对其扫频试验。通过试验得出其偏心角度为5°即可满足要求。

④选择拾振器的位置

本系统采用加速度传感器做为拾振器。加速度传感器应安装在远离激振器并且振幅较大处。

（2）振动时效试验

①振动方式

将激振器和加速度传感器刚性地固定在如图3（a）所示的位置，其中虚线所示位置为共振时的节线（波谷）位置，即振动盲区。第一次激振试验，包括振前扫描，激振，振后扫描；如图3（b）所示，激振器偏移15°，进行第二次激振试验，同样包括振前扫描，激振，振后扫描。其目的在于，涵盖第一次试验中没有达到的振动盲区。

②振动力度与时间

工艺件和毛坯件的第一次激振和第二次激振参数依照JB/T5926-2005标准的振动时效的工艺效果评定方法。每一次振动的时间为15分钟。当处理器采集的数据曲线符合A-t曲线上升后变平，A-n曲线振后比振前的峰值升高时，即可说明工件已达到振动时效效果，从而停止振动。

③扫频速度

由于工件有阻尼，在强迫振动下要达到其稳态是需要时间的，而实际情况下VSR扫频升速时是连续升速的。这样就没有给工件留下足够的响应时间来达到稳态。故扫频速率不同，工件响应时间就不同，在共振区达到共振的频率就不同。采用200r/min的升速进行扫频。

（3）模态试验

采用敲击法进行模态试验，将承力筒和工装作为一个整体的系统进行模态试验，在承力筒上法兰上均布四个测量点，用钢锤沿纵向、横向敲击下裙上法兰，作为激振力输入，数据由四个测量点采集，并输入到计算机。

经过两个试验件振动前后模态试验，发现振动试验后，铆接承力筒的主频没有出现变化，结构特性曲线也基本相同。因此，可以认为该铆接承力筒振动前后的结构特性没有出现变化。即亚共振点的振动时效试验对铆接结构件无大的伤害。

（4）重要工序尺寸测量

为了全面考察振动时效前后尺寸的变化，对其中的重要工序进行尺寸测量。具体的测量尺寸包括上、下端框外径，上端框圆度和上、下端框平面度。

在工件上标记四个点，通过对各点振动前后圆度的测量数据可以看出：振动前后其上端框外径尺寸变化量最大为0.26mm，其下端框外径尺寸变化量最大为0.7mm，其高度方向尺寸变化量为0.22mm，因此，可以说明振动时效对卫星铝合金铆接承力筒残余应力的消除起到了很好的作用。

因此本方法采用振动时效技术，可以有效去除铆接承力筒残余应力，使铝合金铆接承力筒结构尺寸稳定，满足产品指标要求，提高产品质量；大大缩短卫星铝合金铆接承力筒生产周期，降低生产成本，有效保证了生产进度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：进行振动准备工作，具体为：振前测量承力筒尺寸，采用多点均布支撑方式支撑承力筒，用工装固定承力筒，选择激振器的位置、偏心档，选择拾振器的位置，其中，承力筒尺寸包括平面度、平行度、圆度、高度；

步骤二：于振动前进行模态试验；

步骤三：进行振动时效试验；

步骤四：于振动后进行模态试验；

步骤五：测量重要工序尺寸，其中，重要工序尺寸包括承力筒的上端框外径、下端框外径、上端框圆度、上端框平面度、以及下端框平面度；

在所述步骤三中，振动时效试验的振动方式具体为：将激振器和拾振器刚性地固定在为共振时的相邻节线的角平分位置处，进行第一次激振试验，第一次激振试验包括振前扫描、激振、振后扫描；将激振器偏移15°，进行第二次激振试验，第二次激振试验同样包括振前扫描、激振、振后扫描；

在所述步骤三中，振动时效试验的振动力度与时间具体为：每一次振动试验的振动时间为15分钟，当处理器采集的数据曲线符合a-t曲线上升后变平，a-n曲线振后比振前的峰值升高时，即停止振动；

在所述步骤三中，振动时效试验的扫频速度采用200r/min的升速进行扫频。

2.根据权利要求1所述的应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，其特征在于，在所述步骤一中，采取圆周均布的三点或四点弹性支撑方式支撑承力筒，支撑位置应在主振频率的节线处或附近，且每一个支撑位置距离承力筒圆心的距离为支撑位置所在圆周半径的2/3。

3.根据权利要求1所述的应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，其特征在于，在所述步骤一中，激振器刚性地固定在承力筒的刚度较强或振幅较大处，激振器偏心角度为5°。

4.根据权利要求1所述的应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，其特征在于，在所述步骤一中，采用加速度传感器做为拾振器，加速度传感器安装在远离激振器的承力筒振幅较大处。

5.根据权利要求1所述的应用于卫星铝合金铆接承力筒的去应力方法，其特征在于，在所述步骤二和/或步骤四中，采用敲击法进行模态试验，将承力筒和工装作为一个整体的系统进行模态试验，在承力筒上法兰上均布四个测量点，用钢锤沿纵向、横向敲击下裙上法兰，作为激振力输入，数据由四个测量点采集，并输入到计算机。