摘 要: 本文論述了某微型壓力表包端管的時效方法對微型壓力表性能帶來的影響，通過對同批次螺旋包端管進行人工時效+自然時效（時間1）、自然時效（時間2）、自然時效（時間3）進行對比試驗驗證，得出人工時效替代自然時效的結(jié)論。

1 概述
包端管是壓力表的核心敏感元件，其穩(wěn)定性決定了壓力表的性能指標(biāo)。在生產(chǎn)過程中由于壓扁、繞制及熱處理等工藝過程，都會使成型的包端管產(chǎn)生應(yīng)力，通常是采取交變壓力、溫度沖擊等工藝方式釋放多余應(yīng)力。

包端管為管材繞制成的螺旋狀，金屬材料在外力作用下產(chǎn)生形變時，變形體內(nèi)的各種物理過程，如間隙原子擴散、位錯逸出等均能導(dǎo)致內(nèi)耗的產(chǎn)生，引起彈性后效。彈性后效是指材料在彈性變形范圍內(nèi)，其應(yīng)變不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且也是時間的函數(shù)這一現(xiàn)象。即雖然應(yīng)力并未超出彈性極限的范圍，材料不僅會有應(yīng)變產(chǎn)生，而且這個應(yīng)變還將隨著時間的延續(xù)而增大，但其形變速度逐漸放慢，最后達到平衡的應(yīng)變值。當(dāng)載荷去除后，也同樣有應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象，如圖1、圖2所示。

在t1時間材料加載，材料將立即產(chǎn)生應(yīng)變ε1，隨著加載時間的增長，應(yīng)變將逐漸增大至平衡值ε2， (ε2~ε1）這部分應(yīng)變是在應(yīng)力與時間同時作用下產(chǎn)生的。一般將這一過程稱為正彈性后效形變；反之，在時間t2卸載后，材料立即恢復(fù)一部分應(yīng)變，而剩余的那部分應(yīng)變則要一定的時間（可能很長）才能得到恢復(fù)，恢復(fù)速度也是隨著時間的延續(xù)而逐漸放慢，這個過程一般稱為反彈性后效形變。應(yīng)變落后于應(yīng)力的這種性質(zhì)，現(xiàn)金屬學(xué)上稱為滯彈性，滯彈性在加載和卸載過程中的表現(xiàn)，就是彈性后效現(xiàn)象。在制造過程中，彈性后效越小越好，以便使儀表的滯后和零點漂移盡可能小，從而提高儀表的靈敏度，減小測量誤差。

由此可見，包端管必然存在一定的應(yīng)力，為此在生產(chǎn)過程中需進行穩(wěn)定處理，我公司企標(biāo)要求對螺旋包端管進行時效， 目的是消除螺旋包端管在加工過程所產(chǎn)生的應(yīng)力，提高硬度，穩(wěn)定螺旋包端管的彈性。

查詢論文《3J53彈簧管制造工藝對彈性性能的影響》及《Y-60型壓力表銅彈簧管制造工藝》，均提到熱沖擊時效處理方法，即將包端管放入一定溫度的箱式爐中保溫一定時間后隨爐冷或空氣冷。論文《振動時效技術(shù)研究進展》中提到為降低和調(diào)整殘余應(yīng)力，通常采用時效技術(shù)，可分為自然時效、熱時效及振動時效，振動時效與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其振動時間短，成本低，殘余應(yīng)力降低效果好，振動時效已研究開發(fā)了多種基于不同原理和特殊應(yīng)用的振動時效工藝。

由此可見，人工時效方式廣泛應(yīng)用于包端管生產(chǎn)制造過程中，時效方式可根據(jù)生產(chǎn)需要進行制定。

2 時效試驗方案及設(shè)備
某微型壓力表表是2000年從D型開始進行生產(chǎn)，屬于某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置配套產(chǎn)品，用于氮氣瓶壓力指示。包端管材料為3J1，規(guī)格為Φ內(nèi)0.75×0.14，圈數(shù)為12.5±0.5，短軸尺寸為（0.4~0.5）mm，曲率直徑為3.7mm，長度為（19±0.5）mm。

 抽取20件包端管并制成組件，將組件分成2組（第一組為試驗1及2，第二組為試驗3及4）分別進行人工時效及自然時效試驗驗證，第一組為先進行人工時效，然后進行自然時效30天及60天，通過對比人工時效后與自然時效后測量角度的變化量評判對組件性能的影響，如果變化量在角度誤差范圍內(nèi)，我們認(rèn)為人工時效與自然時效對組件性能影響在可控范圍內(nèi)一致，人工時效效果與自然時效效果一致，可以采用人工時效替代自然時效的方式對組件進行處理。第二組為自然時效74天和123天后測量角度，通過分析兩者角度變化值評判對組件性能的影響，如果變化量在角度誤差范圍內(nèi)，我們認(rèn)為自然時效74天對組件性能影響與自然時效123天效果一致，可以根據(jù)情況縮短自然時效的時間。

包端管組件由殼體、包端管及指針組成（圖4）。

2.1 時效試驗方案
抽取20件包端管并制成組件，將組件分成2組，第一組為試驗1及試驗2，第二組為試驗3及試驗4，試驗項目如下：
（1）試驗1：編號為1#～10#，按“初始角度α1”— “人工時效”—“時效后角度Δα1”；
（2）試驗2：編號為1#～10#，試驗1后按“自然時效（30天）”—“時效后角度Δα2”—“自然時效（60天，包含上次30天）”—“時效后角度Δα2′”；
（3）試驗3：編號為11#～20#，按“初始角度α3”— “自然時效（74天）”—“時效后角度Δα3”；
（4）試驗4：編號為11#～20#，試驗3后按“自然時效（123天，包含74天）”—“時效后角度Δα4”。
根據(jù)要求穩(wěn)定處理方式，人工時效采取熱沖擊時效、振動時效及靜態(tài)過載沖擊時效，項目詳見表1，流程圖如圖5所示。

2.2  時效試驗方案設(shè)備
試驗用儀器及設(shè)備見表2。

3  試驗情況
3. 1角度測量方法及誤差說明

角度測量方法是通過JVL250視頻測量儀進行，在指針上人工的選取1條起始直線，依次加壓至0PSI/225 PSI/2200PSI/2800PSI/3500PSI/5000PSI后分別選取5條終點直線，起始直線與終點直線之間的角度即是對應(yīng)壓力角度值，測量示意如圖6所示。

因本次試驗只針對于組件，沒有安裝刻度盤，所以測量壓力0PSI/225 PSI/2200PSI/2800PSI/3500PSI/5000PSI對應(yīng)的角度無法判讀誤差，某微型壓力表誤差要求見下表3，為此需計算角度誤差與微型表誤差之間的關(guān)系。

按照螺旋包端管設(shè)計要求其角度為75~90°，令其設(shè)為α，測量壓力設(shè)為P，根據(jù)包端管工作原理可知其特性類似線性，即測量壓力P與轉(zhuǎn)動角度α之間存在線性關(guān)系，

可用如下公式表示：

（1.1）式中α-角度，單位°；
P-測量壓力，單位PSI；
β-角度系數(shù)，即1PSI對應(yīng)的角度，單位PSI/°。
舉例說明，測量壓力為5000PSI時角度為90°，可得β=55.6PSI/°，由表5可知5000PSI誤差為±200 PSI，因測量壓力P與轉(zhuǎn)動角度α之間存在類似線性關(guān)系，那么角度誤差為±200 PSI/55.6=±3.6°,那么0PSI/225 PSI/2200PSI/2800PSI/3500PSI對應(yīng)的角度誤差可通過對應(yīng)誤差計算得出，計算值如下表4所示。

3.2組件性能驗證情況
3.2.1第一組試驗
試驗1：組件編號為1#～10#，按“初始角度α1”—“人工時效”—“時效后角度Δα1”，組件焊接后進行初始角度α1的測量，然后按照表4中方式進行人工時效，人工時效后進行時效后角度Δα1的測量。

試驗2：編號為1#～10#，試驗1后按“自然時效（30天）”—“時效后角度Δα2”—“自然時效（60天，包含上次30天）” —“時效后角度Δα2′”，試驗1后進行自然時效（74天），進行時效后角度Δα2及Δα2′的測量，測量角度值見表5.1，根據(jù)表4可計算角度誤差值見表5.2。

第一組為先進行人工時效，然后進行自然時效30天及60天，通過對比人工時效后與自然時效后測量角度的變化量評判對組件性能的影響，如果變化量在角度誤差范圍內(nèi)，我們認(rèn)為人工時效與自然時效對組件性能影響在可控范圍內(nèi)一致，人工時效效果與自然時效效果一致，可以采用人工時效替代自然時效的方式對組件進行處理。對比數(shù)據(jù)詳見表6。

3.2.2第二組試驗
試驗3：編號為11#～20#，按“初始角度α3”—“自然時效（74天）”—“時效后角度Δα3”，組件焊接后進行初始角度α3的測量，然后按照表4中方式進行自然時效（74天），自然時效后進行時效后角度Δα3的測量。
試驗4： 編號為11#～20#， 試驗3后按“自然時效（123天）”—“時效后角度Δα4”，試驗3后進行自然時效（123天），進行時效后角度Δα4的測量，測量角度值見表7.1，根據(jù)表4可計算角度誤差值見表7.2。

第二組為自然時效74天和123天后測量角度，通過分析兩者角度變化值評判對組件性能的影響，如果變化量在角度誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為自然時效74天對組件性能影響與自然時效123天效果一致。對比數(shù)據(jù)詳見表8。
3.2.3組件性能驗證結(jié)果
（1）由表6可知：人工時效后與自然時效30天（已做過人工時效）、自然時效60天后測量角度的變化量均合格，可以認(rèn)為人工時效與自然時效對組件性能影響在可控范圍內(nèi)，人工時效效果與自然時效效果一致，可以采用人工時效替代自然時效的方式對組件進行處理。
（2）由表8可知：自然時效74天與自然時效123天后角度變化值在角度誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為自然時效74天對組件性能影響與自然時效123天效果一致。
4 結(jié)語
通過組件驗證，第一組試驗表明：人工時效后與自然時效30天（已做過人工時效）、自然時效60天后對組件性能影響效果一致，可以采用人工時效替代自然時效的方式對組件進行處理。第二組試驗表明：自然時效74天與自然時效123天后組件性能影響效果一致。