2124鋁合金時效成形保溫工藝優(yōu)化方法

呂 源

（西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710072）

在航空領(lǐng)域，人們對于飛機結(jié)構(gòu)材料的機械性能提出了越來越高的要求[1]。時效成形技術(shù)在成形過程中對材料進行熱處理，大幅度提高材料性能，很好地滿足了這一要求，已經(jīng)成功運用于許多飛機上大型整體壁板的加工制造[2]。在眾多學(xué)者的努力下，時效成形技術(shù)得到迅速發(fā)展[3-6]。但已有的研究往往忽略了升溫速率波動對成形件塑性應(yīng)變量的影響，而在生產(chǎn)過程中利用熱壓罐加熱大型模具和飛機整體壁板時，升溫速率波動是不可避免的，因此有必要對時效成形保溫工藝優(yōu)化問題展開研究。

1 試驗與方法

為了研究升溫速率和保溫時間對成形效率的影響，本文設(shè)計了兩組不同試驗條件的應(yīng)力松弛試驗，即不同升溫速率試驗和不同保溫時間試驗。

1.1 不同升溫速率應(yīng)力松弛試驗

以不同升溫速率為應(yīng)力松弛試驗條件，部分試驗方案包括 1.17℃ /min、1.24℃ /min、1.30℃ /min、1.36℃ /min等，測量得到相應(yīng)的升溫階段應(yīng)力松弛量為136.50MPa、132.38MPa、131.25MPa、130.87MPa，相應(yīng)的保溫階段應(yīng)力松弛量為22.00MPa、22.38MPa、21.63MPa、20.00MPa。由此可知，升溫速率與應(yīng)力松弛量成反比。

1.2 不同保溫時間的應(yīng)力松弛試驗

制定了不同保溫時間的應(yīng)力松弛試驗來研究保溫階段應(yīng)力松弛量與時間的關(guān)系，保溫時間為0h、2h、4h、6h、8h，相應(yīng)的應(yīng)力松弛量為0MPa、9.13MPa、13.75MPa、24.35MPa、28.96MPa。試驗表明，在保溫階段，應(yīng)力松弛量與時間成線性關(guān)系。

1.3 保溫時間調(diào)節(jié)算法

為了降低升溫速率波動對應(yīng)力松弛量的影響，本文提出了保溫時間調(diào)節(jié)算法。具體的做法如下：首先采用穩(wěn)健支持向量回歸算法分別擬合出升溫速率和保溫時間與應(yīng)力松弛量之間的函數(shù)關(guān)系；然后由已知的升溫速率計算出升溫階段的應(yīng)力松弛量，最后利用非線性原理通過調(diào)節(jié)保溫時間來精確控制保溫階段的應(yīng)力松弛量，從而保證成形過程中應(yīng)力松弛總量不變。

若給定升溫速率，則彈性保溫時間的計算方法如式（1）所示：

式中，t為優(yōu)化工藝參數(shù)后的初始保溫時間；S*為升溫階段應(yīng)力松弛量；SAVG升溫速率為1.48℃/min時的應(yīng)力松弛量；Bv為保溫階段應(yīng)力松弛速率。

以1.48℃/min為正常升溫速率，此時S*-SAVG=0，保溫時間為t；當(dāng)升溫速率高于1.48℃/min時，由于S*-SAVG＜0，彈性保溫時間tB為初始保溫時間t加上；當(dāng)升溫速率低于1.48℃/min時，由于S*-SAVG＞0，彈性保溫時間tB應(yīng)為初始保溫時間t減去

2 驗證與討論

為了對本文提出的保溫時間調(diào)節(jié)算法進行驗證，設(shè)計了固定保溫時間應(yīng)力松弛試驗和彈性保溫時間應(yīng)力松弛試驗。為此，在1.17～1.75℃/min隨機選取9個不同的升溫速率作為試驗條件，并將彈性保溫時間應(yīng)力松弛試驗結(jié)果與固定保溫時間應(yīng)力松弛試驗結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種不同保溫工藝的塑性應(yīng)變值

對兩種不同工藝方法的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，固定保溫時間工藝的塑性應(yīng)變均值為0.13532%，方差為2.1329；彈性保溫時間工藝的塑性應(yīng)變均值為0.13522%，方差為0.3894。顯然，采用彈性保溫時間方法的塑性應(yīng)變方差比前者小了一個數(shù)量級。因此，采用彈性保溫時間工藝能夠降低升溫速率波動對試件塑性應(yīng)變的影響。

3 結(jié)語

本文提出了鋁合金應(yīng)力松弛成形保溫時間調(diào)節(jié)算法，通過保溫工藝時間優(yōu)化設(shè)計來提高產(chǎn)品優(yōu)化目標的穩(wěn)健性。首先，設(shè)計了不同升溫速率和不同保溫時間兩組應(yīng)力松弛試驗，試驗結(jié)果表明：升溫速率與應(yīng)力松弛量之間存在非線性關(guān)系，保溫時間與應(yīng)力松弛量之間存在顯著的線性關(guān)系。其次，以不同升溫速率應(yīng)力松弛試驗為例，進行固定保溫時間和彈性保溫時間對比試驗，結(jié)果表明：兩種不同保溫方法的塑性應(yīng)變均值比較接近，但是采用彈性保溫時間方法的塑性應(yīng)變方差比前者小了一個數(shù)量級，這說明保溫時間調(diào)節(jié)算法能夠降低升溫速率波動對塑性應(yīng)變的影響。