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摘要：深冷处理方法在航空航天企业应用较多，并且常用的工件材料多为钛合金、镍基合金、奥氏体不锈钢和高速钢等[5]。深冷处理可以提高难加工材料的切削性能，在相同的材料、刀具、机床和加工参数下，深冷处理加工比干切的切削力和扭矩更小，断屑性能更好。在精密薄壁零件加工过程中，残余应力是影响零件加工精度的重要因素，如何消除残余应力成为研究人员不懈的研究方向。
关键词：深冷处理；金属材料；残余应力；消除试验
1对比试验设计
本次试验以常用材料铝合金2A12、7A04、沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb为试验材料，将其加工成方块样件：≠14×20×20，然后每个样件按照规定的要求处理成相应状态，各试样材料与状态如下：
试样1材料为7A04，强化状态T6，未处理去应力退火深冷处理
试样2材料为2A12，强化状态T4，未处理去应力退火深冷处理
试样3材料为05Cr15Ni5Cu4Nb，强化状态31-35HRC，未处理去应力退火深冷处理
从上述文献中也可以看出，深冷处理和振动时效法相比于其他方法，效果较为显著。但对复杂零件而言，壁厚小，精度高，对外力有着严格的控制，应用振动时效方法仍有顾虑。因此，试验中进行应力去除方法选择时，只选择了深冷处理方法。此外，去应力退火是目前国内常用去应力方法，也选入试验作为对比项，参数如下：
铝合金去应力退火温度190℃保温4h，空冷，深冷处理3个循环，每个循环内低温-196℃，保温1h，高温120℃。不锈钢温度220℃保温4h，空冷，深冷处理保温1h，循环高温保温为8h，随炉冷却
最后，将处理完成的试样进行残余应力检测。
2试验结果与讨论
2.1检测方法———X射线衍射法
应力检测所采用的方法为X射线衍射法，X射线法测定残余应力的测量原理是在多晶体材料的各晶粒上施加弹性应力时，被测晶粒的特定晶面的面间距将发生弹性变形，从而求得材料内的应力，因此被施加的应力与晶格间距的关系相当于一个很小的原子应变片。晶体衍射如图1所示。
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图 1 晶体衍射
图1中，当入射X光束I以入射角θ0照射到无应力晶体上时，若相邻2个原子面散射的X射线的光程差正好是X射线波长λ的整数倍，即
2D0sinθ0=nλ（1）
式中，λ为单色X射线波长；θ0为布拉格角；D0为无应力状态下的晶面间距；n为干涉级数。对称于晶面法向NS，在相同的角度会出现一束衍射X射线I0，式1即为布拉格方程。将测出的衍射角2θ0换算成弧度，代入式2，就可以通过测量衍射角2θ0跟随晶面取向不同的变化进一步求得材料中相应的应力值σ。
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2.2结果与分析
试样检测时，每种材料选择了2个试样，每个试样选择2个大面的中心点作为检测点，每个点测量2个方向（N和S）。
1）相比于未作任何处理的毛坯状态，深冷处理的效果优于去应力退火效果。
2）在7A04铝合金样块中，深冷处理后应力值下降了33.08%，而去应力退火后，应力值下降了19.81%。2A12铝合金样块的下降比例更加悬殊，深冷处理下降了37.12%，而去应力退火仅下降了12.37%。不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb样块试验反映了相同的趋势，深冷处理后应力的下降比例也高于去应力退火后的应力下降比例。
3）比较每种材料的2个试样可以发现，去应力退火对材料残余应力的影响是不均衡的，而深冷处理对每种材料样件的效果基本保持一致。在7A04材料的2个样块中，同样采用去应力退火，其应力下降比例分别为2.89%和34.53%，相差超过12倍，而采用深冷处理后，应力下降比例相差仅为1.3倍；2A12材料的2个样块中，去应力退火后应力下降比例为4.3倍，深冷处理仅为1.07倍，处理效果基本持平；05Cr15Ni5Cu4Nb不锈钢样块中，去应力退火使试样1的残余应力不仅没有下降，反而增加了27.43%；而试样2的残余应力则与预期相同，下降了26.45%，深冷处理对2个样块的效果和前面2种材料类似，影响是一致的。
4）材料的差异性对去应力处理效果有很大的影响，但深冷处理方法相比于去应力退火方式，其影响程度要小得多。7A04和2A12同样是铝合金材料，但其所含金属元素不同，那么在同样去应力退火的条件下，应力的下降比例有将近37%的差异；不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb的差异性更大，与2种铝合金材料应力下降平均幅度相比，差异已经接近75%。在深冷处理条件下，2种铝合金的应力下降比例差异约为12%，不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb的应力下降比例和2种铝合金材料应力下降平均比例相比，差异约为56.4%。
3产品试验验证
试样试验后，结合某雷达的高精度零件电动机端盖，进行了深冷处理应用研究。研究采用的零件材料为7A04-T6。从结构上看，电动机端盖为薄壁件，直径为80的孔圆柱度要求0.006mm。同时，ϕ80圆孔两端还开有缺口，加大了孔的加工难度。为了解决加工问题，工艺设计中延长了工艺流程，增加了去应力工序，调整了切削参数，设计了工艺装备，但加工结果始终难以满足要求，电动机端盖的孔圆柱度最高只能达到0.0127mm，距离0.006mm的指标仍有差距。
对该零件整个加工工艺过程进行梳理，从人、机、料、法、环等5个因素进行了辨识，认为关键因素在于方法，而加工应力就属于其中一个非常重要的因素。零件内部应力的产生是不可避免的，任何结构上的去除都会导致内部应力的再平衡，在零件内部不同位置产生拉力或压力，影响其加工精度。就电动机端盖这种薄壁零件来讲，内部加工应力的影响是不容忽视的。
为验证缺口对应力的影响，进行了相应的试验。试验中，选取了8个电动机端盖，半精加工完成后，采用三坐标测量机对ϕ80圆孔的圆柱度进行了测量；之后通过铣工序，将孔两侧的缺口加工到位，然后再次用三坐标测量机进行测量。零件上缺口是否存在所导致的应力变化对零件的圆柱度指标产生了很大的影响，最大超过0.0136mm。而且基于零件材料本身的个体差异，使得这种变化存在着严重的无规律性。这种无规律性让工艺人员及操作者在实施过程中无法进行正确的判断，从而难以进行相应的补偿。从中任取2件，使用X射线检测仪进行应力测试，测量位置为大外圆的侧壁处。将该零件按照上述方法进行深冷处理后再次检测，测试结果显示，深冷处理后，应力发生变化，表面拉应力转变成表面压应力，且应力值降低幅度基本符合上文中样块试验结果，证明深冷处理对于零件内部应力的控制是非常有效的。深冷处理后的零件，加工后圆柱度指标均在0.006mm以内，顺利地满足了产品要求。
4结语
本文为解决薄壁件加工难题，以常用材料铝合金2A12、7A04以及沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb为对象，设计了样件试验，将去应力退火和深冷处理2种去应力方法作对比。试验结果表明，针对铝合金2A12、7A04和沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb这3种材料，深冷处理方法的应力去除效果明显优于去应力退火去应力方法。该结果也通过产品零件进行了加工验证。
参考文献：
[1]梁岩里，谢飞，左彬，等.振动时效在铝合金薄壁件加工过程中的应用[J].航空制造技术，2016，59（6）：85-87.
[2]孙惠斌.航空难加工材料的深冷加工技术研究进展[J].航空制造技术，2017（8）：16-21.