工藝參數(shù)對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響

秦海，王克旺

工藝參數(shù)對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響

秦海，王克旺

（景德鎮(zhèn)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

研究7075航空高強(qiáng)度鋁合金帶筋壁板時效成形過程中工藝參數(shù)對零件回彈的影響，以提高筋板類零件的產(chǎn)品質(zhì)量。利用正交試驗(yàn)開展不同工藝參數(shù)組合下的帶筋壁板時效成形試驗(yàn)，并對帶筋壁板時效成形后的回彈率進(jìn)行極差分析和規(guī)律曲線分析。帶筋壁板時效成形后的回彈同時受到時效參數(shù)和筋板結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，各因素按對回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間、筋條厚度、筋條高度和時效溫度，筋條結(jié)構(gòu)參數(shù)對調(diào)節(jié)構(gòu)件回彈有重要作用，并且回彈率實(shí)測值基本處于回彈率隨工藝參數(shù)變化的擬合曲線附近?；貜椔孰S時效時間和筋條高度的增加表現(xiàn)為非線性下降趨勢，隨筋條厚度的增加呈現(xiàn)線性上升趨勢。7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈行為可以用回彈率回歸方程進(jìn)行較為合理的描述。

鋁合金；帶筋壁板；時效成形；回彈

為滿足現(xiàn)代大型飛機(jī)的性能要求，航空鈑金類零件的成形制造逐漸向大型化、集成化和輕量化的趨勢發(fā)展[1-2]，以整體帶筋壁板結(jié)構(gòu)為代表的整體結(jié)構(gòu)件對飛機(jī)的使用壽命、結(jié)構(gòu)效率、成本和周期具有非常重要的影響，已成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一個重要標(biāo)志，而針對此類構(gòu)件的成形制造技術(shù)也已成為現(xiàn)代飛機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)之一[3]。

時效成形主要是一種利用金屬材料的蠕變或應(yīng)力松弛特性，同步開展成形和時效的成形方法，由于所成形的零件內(nèi)部殘余應(yīng)力小、抗疲勞性能好，被認(rèn)為是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大型飛機(jī)整體壁板零件成形的全新工藝[4-5]，并已在麥道、波音和空客等飛機(jī)機(jī)翼整體壁板的成形制造中得到了較為廣泛的應(yīng)用，也是下一代大型飛機(jī)特別重要的金屬成形工藝之一[5-7]。目前國內(nèi)對該工藝的研究還處于起步階段，為早日實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，需加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)研究的力度[8]。

在時效成形過程中，板坯通過內(nèi)部彈性應(yīng)力的釋放獲得最終形狀。受時效過程中應(yīng)力松弛和析出強(qiáng)化等特征的耦合影響，時效成形完的零件通常具有較大的回彈量，回彈問題是影響零件成形質(zhì)量的關(guān)鍵[5,9]。盡管目前針對時效成形板坯回彈預(yù)測和控制等方向已開展了不少研究[5,9-10]，但針對帶筋板回彈問題的研究還相對較少[11]，主要表現(xiàn)在兩方面，一是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對回彈變形的影響，二是通過回彈預(yù)測實(shí)現(xiàn)零件的精確成形。Guines等[12]通過建立考慮硬化、熱軟化和應(yīng)力松弛特征的材料模型等有限元手段對單曲率帶筋壁板的時效成形過程進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的邊界條件可以有降低回彈。Inforzato等[13]利用真空熱壓罐技術(shù)對包含縱、橫筋條特征的帶筋壁板時效成形規(guī)律進(jìn)行了研究，并基于半經(jīng)驗(yàn)的仿真手段對回彈進(jìn)行了預(yù)測。湛利華等[14]研究了柵格狀筋板件在蠕變時效加載下的成形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最終筋板件的形狀取決于筋條的塑性變形和構(gòu)件的蠕變應(yīng)力。相關(guān)研究表明，筋板件的結(jié)構(gòu)特征對構(gòu)件回彈量的影響效果顯著[11-14]，且與常規(guī)時效成形彈性加載的特征不同，帶筋壁板整體或局部變形通常超出材料的彈性極限[16]，筋條的塑性變形會限制蒙皮的回彈[14-15]，傳統(tǒng)平板件的回彈行為研究不能簡單地應(yīng)用于帶筋壁板構(gòu)件。由此可見，帶筋壁板時效成形回彈規(guī)律的影響因素更為復(fù)雜，而目前研究則較多地考慮了筋板結(jié)構(gòu)特征的影響。相對來說，探討工藝參數(shù)和筋板特征結(jié)構(gòu)耦合影響下帶筋壁板時效成形的回彈規(guī)律更具代表性。

文中以7075鋁合金T型帶筋件為研究對象，基于正交試驗(yàn)方法，探討了時效參數(shù)和筋板結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合影響下零件的回彈規(guī)律，以期為該類鋁合金壁板件時效成形的回彈預(yù)測及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為厚度25.4 mm的7075–T651航空高強(qiáng)鋁合金板材，其抗拉強(qiáng)度為571 MPa、屈服強(qiáng)度為505 MPa、伸長率為14.2%，化學(xué)成分如表1所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy wt.%

選用的T型筋板件試樣由7075鋁合金厚板一體銑削加工而成，如圖1所示。試驗(yàn)中，固定蒙皮尺寸為200 mm（長）×40 mm（寬）×4 mm（厚），引入變化的筋條高度和厚度。采用如圖2所示的自制單曲率機(jī)械加載裝置對試樣進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載，將加載裝置整體置于DHG–9145A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（控溫精度±1 ℃）中，通過控制時效參數(shù)（溫度、時間）完成零件的時效成形工藝。

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出試驗(yàn)件的回彈率隨各工藝參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]選取時效參數(shù)（時效時間、時效溫度）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（筋條高度、筋條厚度）作為影響回彈率的主要工藝參數(shù)，并以該鋁合金較適宜的時效參數(shù)160 ℃/10 h為參照，制定不考慮因素交互作用的四因素三水平正交試驗(yàn)，如表2所示。

采用目前普遍使用的半徑法對時效成形后試樣的回彈量進(jìn)行定量描述，而其測量則基于常用的弓高弦長法。圖3為回彈表征和測量參數(shù)的示意圖?；貜椔实挠?jì)算公式如式（1）所示。

式中：b為回彈后零件的曲率半徑；t為成形時的理論模具半徑。b的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：為回彈后零件兩端之間的距離，即弦長；為弦長到零件的最大距離，即弓高。

零件成形后的相關(guān)尺寸可以通過數(shù)字化檢測設(shè)備測量得出，把測量出來的數(shù)值帶入式（2）可得出b，進(jìn)而可計(jì)算得出回彈率。

圖3 回彈表征和測量參數(shù)的示意圖

表2 時效成形正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Tab.2 Orthogonal test design of aging forming

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

為了得出試驗(yàn)件卸載后的回彈受工藝參數(shù)的影響程度，文中采用極差分析法對時效成形正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中K表示水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值之和，k表示水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值之和的平均數(shù)，表示工藝參數(shù)對回彈的影響程度。通過極差分析法得出，各因素按對回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間＞筋條厚度＞筋條高度＞時效溫度。通過計(jì)算k可知，3333的時效成形工藝參數(shù)組合為試驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)解。

基于修正的Garofalo關(guān)系式[18]對材料的蠕變時效成形材料特征進(jìn)行描述，如式（3）所示。

由式（3）可知，在應(yīng)力不變的情況下，時效溫度越高，試驗(yàn)件的蠕變速率越快，但隨著試驗(yàn)件內(nèi)部應(yīng)力的逐漸減小，蠕變速率會隨時效時間的增加呈現(xiàn)出減慢的趨勢[19]。典型筋板件截面圖如圖4所示，圖4中最大壓應(yīng)力c和最大拉應(yīng)力T的計(jì)算分別見式（4）—（5）。

式中：為橫截面的彎矩；1和2分別為受拉和受壓部分至中性軸的最遠(yuǎn)距離；為底板上表面到中性軸的距離；為筋板件的寬度；為筋條厚度。

從式（4）和（5）可以看出，隨著筋板試驗(yàn)件的寬厚比/和筋條高厚比/（為筋條高度）的變大，帶筋壁板的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力也會變大，當(dāng)超過材料的屈服應(yīng)力后，帶筋壁板就會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，導(dǎo)致永久變形，最終使帶筋壁板的回彈減小。

圖4 典型筋板件截面圖

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Results of orthogonal experiments

2.2 工藝參數(shù)對回彈的影響

2.2.1 時效時間

回彈率和時效時間的關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出，試驗(yàn)件的回彈率與時效時間的關(guān)系曲線呈現(xiàn)出一種非線性下降的趨勢，當(dāng)時效時間為0～14 h時，試驗(yàn)件的回彈率隨著時間的增加而迅速下降。由文獻(xiàn)[20]可知，材料應(yīng)力松弛的效果主要是由可動和不可動位錯的多少決定的。由于在時效初始階段，材料內(nèi)部存在較多的空位和可動位錯，材料應(yīng)力松弛速率較大。當(dāng)時效時間超過14 h后，回彈率下降速率緩慢減小。這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的空位密度和位錯密度隨著時效時間的增加而逐漸減小，材料內(nèi)部的位錯狀態(tài)慢慢趨于平衡，金屬材料的應(yīng)力松弛效果越來越弱。

圖5 回彈率–時效時間曲線

根據(jù)回彈率與時效時間呈現(xiàn)出的函數(shù)關(guān)系，文中選取二元一次方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到的回歸方程如式（6）所示。

式中：為時效時間；S為受時效時間影響的回彈率。通過對比發(fā)現(xiàn)，擬合曲線和試驗(yàn)曲線基本重合，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與時效時間的關(guān)系。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中研究的影響帶筋壁板成形后回彈大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為筋條高度和筋條厚度，圖6為回彈率隨筋條高度的變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)筋條高度小于13 mm時，回彈率下降很快；當(dāng)筋條高度大于13 mm時，回彈率下降趨勢逐漸變得緩慢，整個過程呈現(xiàn)非線性下降趨勢。按此規(guī)律，當(dāng)筋條高度為0 mm時，相當(dāng)于無筋條壁板，回彈將達(dá)到最大，由此可知，筋條能起到抑制壁板回彈的作用?；貜椔孰S筋條厚度的變化曲線如圖7所示，可以看到，回彈率隨著筋條厚度的增加呈現(xiàn)緩慢線性上升的趨勢。

圖6 回彈率–筋條高度曲線

圖7 回彈率–筋條厚度曲線

根據(jù)回彈率與筋條高度呈現(xiàn)出的函數(shù)關(guān)系，文中選取二元一次方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到的回歸方程如式（7）所示。

式中：S為受筋條高度影響的回彈率。通過對比發(fā)現(xiàn)，擬合曲線和試驗(yàn)曲線大致接近，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與筋條高度的關(guān)系。

根據(jù)回彈率與筋條厚度呈現(xiàn)出的函數(shù)關(guān)系，文中選取一元一次方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到的回歸方程如式（8）所示。

式中：為受筋條厚度影響的回彈率。通過對比發(fā)現(xiàn)，擬合曲線與試驗(yàn)曲線大致接近，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與筋條厚度的關(guān)系。

綜上可知，筋條高度和筋條厚度對帶筋壁板回彈的影響規(guī)律大致上是相反的。這可以從前面典型單筋試驗(yàn)件彎曲成形的力學(xué)分析中得到解釋，在只考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對帶筋壁板回彈的影響時，保持時效時間和時效溫度不變，此時由鋁合金時效產(chǎn)生的效果大致相等，所以帶筋壁板的回彈大小主要取決于試驗(yàn)件的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，其中影響最大的是筋條高厚比/隨著筋條高厚比的增大，帶筋壁板內(nèi)部截面應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)超過材料的屈服應(yīng)力時，帶筋壁板就會產(chǎn)生塑性應(yīng)變導(dǎo)致永久變形，從而抑制整個帶筋壁板的回彈。由/可知，隨著筋條高度的增加，/變大，帶筋壁板截面應(yīng)力增大，產(chǎn)生的永久變形區(qū)域增多，帶筋壁板回彈減??；反之隨著筋條厚度增大，/減小，帶筋壁板截面應(yīng)力減小，產(chǎn)生的永久變形區(qū)域減少，帶筋壁板回彈變大。

2.3 正交試驗(yàn)回歸分析

通過對時效成形正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到了時效成形后試驗(yàn)件的回彈率與各個主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系，回歸方程如式（9）所示。

S=

式中：T為時效溫度；StTHd為受時效時間、時效溫度、筋條高度、筋條厚度綜合影響的回彈率。通過將上述2.1節(jié)正交試驗(yàn)的工藝參數(shù)組合代入式（9），可得到9組成形參數(shù)組合下的試驗(yàn)件回彈率，如圖8所示，對比發(fā)現(xiàn)實(shí)際開展的時效成形正交試驗(yàn)結(jié)果與回歸方程得出來的結(jié)果大致相接近。

3 結(jié)論

通過對正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，發(fā)現(xiàn)各因素按對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間＞筋條厚度＞筋條高度＞時效溫度，試驗(yàn)件的回彈受零件幾何結(jié)構(gòu)尺寸以及蠕變時效應(yīng)變共同影響。

2）7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈率與時效時間和筋條高度呈現(xiàn)非線性下降趨勢，回彈率隨筋條厚度的增加而呈現(xiàn)線性上升趨勢。

3）通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，得到的回彈率回歸方程能夠合理地表現(xiàn)7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈現(xiàn)象。

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Effects of Process Parameters on Creep Age Forming Springback of 7075 Aluminum Alloy Stiffened Panel

QIN Hai, WANG Ke-wang

(Jingdezhen Changhe Aircraft Industry Group Corporation, Jiangxi Jingdezhen 333002, China)

The work aims to study the effects of process parameters on springback of 7075 aviation high strength aluminum alloy with stiffened panel during creep age forming, to improve the product quality of stiffened panel. Based on the orthogonal test, the creep age forming experiments of stiffened panel were carried out under different technological parameters, and the range analysis and law curve analysis of the springback rate of the stiffened panel after creep age forming were carried out. The springback of the stiffened panel after creep age forming was affected by both the aging parameters and the structural parameters of the stiffened panel. The effect degree of each factor on springback was the aging time, reinforcement thickness, reinforcement height and aging temperature in descending order. The structural parameters of the reinforcement played an important role in adjusting springback. It was found that the measured value of springback rate was near the fitting curve of springback rate changing with the process parameters. The studies show that the springback rate decreases linearly with the increase of aging time and reinforcement height, and increases linearly with the increase of reinforcement thickness. The springback behavior of 7075 aluminum alloy stiffened panel after creep age forming can be reasonably described by the regression equation of springback rate.

aluminum alloy; stiffened panel; creep age forming; springback

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.008

TG146.2+1

A

1674-6457(2022)09-0060-06

2021–09–12

國家自然科學(xué)基金（51375220）；江西省自然科學(xué)基金（2016BAB206115）

秦海（1992—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚喂に嚒?/p>

責(zé)任編輯：蔣紅晨