鋁合金機(jī)翼整體壁板材料時(shí)效工藝研究

鋁合金機(jī)翼整體壁板材料時(shí)效工藝研究

由于結(jié)構(gòu)效率高、易于實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)設(shè)計(jì)、良好的密封性能，大型飛機(jī)的整體壁板具有突出的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)際上主要采用噴丸方法來(lái)成形大型機(jī)翼整體壁板件。但噴丸成形存在工藝參數(shù)難確定、工藝可重復(fù)性較差、成形能力受板厚限制、特殊的細(xì)長(zhǎng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)成形難度大等問(wèn)題。因此,為滿足大型機(jī)翼整體壁板成形需求,國(guó)際航空制造領(lǐng)域除進(jìn)一步研究噴丸成形自動(dòng)化技術(shù)外,探索研究其他更為有效的成形工藝也是一個(gè)重要的研究方向。時(shí)效成形具有零件殘余應(yīng)力小、工藝可重復(fù)性好、能夠提高可時(shí)效鋁合金的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)。目前波音公司、空中客車(chē)公司等世界著名航空制造企業(yè)紛紛開(kāi)展大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形方面的研究與應(yīng)用。時(shí)效成形是利用材料蠕變與應(yīng)力松弛特性,使待成形零件的彈性預(yù)應(yīng)變?cè)谝欢ǖ臏囟认?經(jīng)過(guò)一定時(shí)間部分地轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變,從而實(shí)現(xiàn)零件成形的一種工藝方法。對(duì)于解決大尺寸、變厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)翼整體壁板成形制造問(wèn)題,時(shí)效成形技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。中國(guó)發(fā)展大型飛機(jī),需解決大型變厚度復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)翼整體壁板成形問(wèn)題,有必要對(duì)時(shí)效成形技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究。目前,時(shí)效成形主要應(yīng)用于上翼面壁板成形,如GulfstreamGIV,B-1B,A330/340,Hawk,A380。原因主要在于上翼面壁板所采用的7000系列鋁合金可進(jìn)一步時(shí)效處理,可以在時(shí)效處理的同時(shí)成形。為擴(kuò)大時(shí)效成形工藝的應(yīng)用范圍,英國(guó)Southampton大學(xué)、Alcan鋁業(yè)公司與法國(guó)達(dá)索航空公司分別研制了Al-Cu-Mg時(shí)效成形鋁合金,這些合金都可以用做下翼面整體壁板并且具有良好的時(shí)效成形性。歐洲在“FP5計(jì)劃”中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了時(shí)效成形的跨國(guó)聯(lián)合研究項(xiàng)目,主要開(kāi)發(fā)時(shí)效成形在機(jī)翼(包括下機(jī)翼面板,整體剛性機(jī)翼構(gòu)件,摩擦攪拌焊后構(gòu)件)和機(jī)身(包括雙曲面板材以及采用摩擦攪拌焊焊接的整體機(jī)身構(gòu)件)方面的應(yīng)用,并研究開(kāi)發(fā)相應(yīng)的時(shí)效成形鋁合金。周賢賓等利用時(shí)效成形方法實(shí)現(xiàn)了火箭帶筋壁板、飛機(jī)蒙皮等薄壁鋁合金零件的校形。綜上,中國(guó)發(fā)展大型飛機(jī)有必要對(duì)大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形技術(shù)進(jìn)行研究。本文對(duì)單級(jí)時(shí)效、雙/多級(jí)時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效以及應(yīng)力位向效應(yīng)等因素對(duì)壁板成形的影響進(jìn)行了分析探討,提出了大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形的工藝流程,成形工裝的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化與柔性化設(shè)計(jì)以及解決壁板時(shí)效成形回彈問(wèn)題的有限元方法,并對(duì)中國(guó)研究發(fā)展大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形技術(shù)提出了建議。1壁板時(shí)效成形工藝過(guò)程的復(fù)雜性壁板時(shí)效成形過(guò)程主要可分為3個(gè)階段:加載、時(shí)效應(yīng)力松弛、卸載回彈。其中,時(shí)效是一個(gè)復(fù)雜的熱物理化學(xué)過(guò)程,該過(guò)程對(duì)材料機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)組織的影響是復(fù)雜且形式多樣的,這就決定了壁板時(shí)效成形工藝過(guò)程的復(fù)雜性。實(shí)際的研究表明,采用不同的時(shí)效過(guò)程,如多級(jí)時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效,或者改變時(shí)效中的一些作用因素,如應(yīng)力位向,將得到不同的時(shí)效成形效果。因此,為提高大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形的效率和質(zhì)量,有必要對(duì)可采用的各種時(shí)效成形工藝流程進(jìn)行研究分析,并尋求最優(yōu)的工藝流程。1.1影響樹(shù)種微觀組織與性能的因素時(shí)間、溫度對(duì)時(shí)效處理的效果有重要影響。從時(shí)效處理的時(shí)間-溫度階段劃分上,可將時(shí)效分為單級(jí)時(shí)效、雙級(jí)時(shí)效和多級(jí)時(shí)效。文獻(xiàn)研究了不同時(shí)效制度對(duì)7475鋁合金擠壓型材的微觀組織與性能的影響。結(jié)果表明,單級(jí)峰值時(shí)效(T6)具有很高的強(qiáng)度,但抗應(yīng)力腐蝕性能較差,主要是因?yàn)榫Ы缥龀鑫锏男再|(zhì)所決定的;雙級(jí)時(shí)效(T76,T73)由于晶界析出物呈粗大和孤立狀分布,具有較好的擾應(yīng)力腐蝕性能。而文獻(xiàn)對(duì)7150鋁合金的時(shí)效研究表明,雙級(jí)時(shí)效使合金保持高的強(qiáng)度,同時(shí)具有較高的電導(dǎo)率。文獻(xiàn)研究表明重固溶后再經(jīng)低溫-高溫-低溫(LHL)多級(jí)時(shí)效處理有利于提高7175鋁合金的綜合性能。因此,機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形應(yīng)采用雙/多級(jí)時(shí)效,以提高成形壁板的綜合性能。1.2壁板殘余應(yīng)力的消除振動(dòng)時(shí)效技術(shù)(VibratoryStressReliefMethod,VSR)的主要特點(diǎn)是對(duì)構(gòu)件施加一交變應(yīng)力。如果交變應(yīng)力幅與構(gòu)件上某點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限,這些點(diǎn)將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某點(diǎn)產(chǎn)生晶格滑移,盡管宏觀上沒(méi)有達(dá)到屈服極限,但仍會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形。這些塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大的點(diǎn)上,使這些受約束點(diǎn)的殘余應(yīng)力得以釋放和降低,從而改善構(gòu)件的抗斷裂韌性。因此,機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形中應(yīng)采用振動(dòng)時(shí)效,以提高壁板局部區(qū)域的應(yīng)力水平、加速應(yīng)力松弛,降低殘余應(yīng)力,提高壁板抵抗破壞的能力(提高疲勞強(qiáng)度),降低應(yīng)力腐蝕。Andrew等在時(shí)效成形靜載荷的基礎(chǔ)上疊加周期性的小載荷振動(dòng)(<10%靜載荷)促進(jìn)壁板預(yù)應(yīng)變向永久變形的轉(zhuǎn)變,并減小回彈,取得了很好的效果。1.3應(yīng)力位向效應(yīng)時(shí)效成形是在一定預(yù)應(yīng)力下進(jìn)行的,應(yīng)力的存在對(duì)鋁合金的一些微觀組織特別是析出相的取向有顯著影響,這一現(xiàn)象被稱(chēng)為應(yīng)力位向效應(yīng)。Zhu等研究了Al-xCu合金在一定壓應(yīng)力下人工時(shí)效后的微觀組織結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)應(yīng)力時(shí)效時(shí)片狀θ′相由無(wú)應(yīng)力時(shí)效時(shí)的垂直排列轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蚺帕?。Bakavos等在研究2XU鋁合金拉應(yīng)力作用下的時(shí)效時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)合金中片狀θ′相轉(zhuǎn)變成了定向排列。Zheng等在研究Al-3.88Cu(析出相為θ′)及Al-3.87Cu-0.56Mg-0.56Ag(析出相為Ω)合金拉應(yīng)力時(shí)效微觀組織時(shí)也發(fā)現(xiàn)θ′及Ω呈擇優(yōu)取向析出。θ′及Ω等析出相的應(yīng)力位向效應(yīng)可能導(dǎo)致時(shí)效成形Al-Cu-Xi合金(Xi為1種或幾種合金元素)性能的各向異性。進(jìn)一步的“雙級(jí)時(shí)效”研究表明,時(shí)效初期先進(jìn)行短時(shí)間有應(yīng)力時(shí)效,再施以長(zhǎng)時(shí)間無(wú)應(yīng)力時(shí)效,析出相θ′及Ω等呈擇優(yōu)取向析出;而先進(jìn)行短時(shí)間無(wú)應(yīng)力時(shí)效,再施以長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力時(shí)效,則未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力位向效應(yīng)。因此可以斷定,外加應(yīng)力導(dǎo)致θ′及Ω等的擇優(yōu)取向析出源于外加應(yīng)力對(duì)形核階段的影響。而B(niǎo)akavos等通過(guò)對(duì)6056,7475等鋁合金的應(yīng)力位向效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)力對(duì)6056,7475鋁合金時(shí)效過(guò)程中晶相的析出取向影響很小。應(yīng)力位向效應(yīng)容易使鋁合金材料產(chǎn)生各向異性,Zhu等對(duì)Al-xCu的研究表明,時(shí)效處理中的應(yīng)力位向效應(yīng)使材料的屈服強(qiáng)度降低。因此,在飛機(jī)壁板時(shí)效成形中,應(yīng)根據(jù)壁板材料的應(yīng)力位向效應(yīng)情況,設(shè)計(jì)合適的溫度時(shí)間曲線與加載曲線,以避免應(yīng)力位向效應(yīng)對(duì)材料的負(fù)面影響。1.4材料的應(yīng)力時(shí)效處理材料時(shí)效應(yīng)力松弛過(guò)程是復(fù)雜的,不同的工藝參數(shù)下的成形質(zhì)量也存在很大差異。綜合以上分析,時(shí)效成形工藝流程應(yīng)考慮采取以下措施:①采用雙/多級(jí)時(shí)效處理,以提高材料的綜合性能;②采用振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力松弛,加速應(yīng)力松弛,降低回彈;③雙級(jí)時(shí)效流程是先進(jìn)行短時(shí)間的無(wú)應(yīng)力時(shí)效,還是直接進(jìn)行應(yīng)力時(shí)效,應(yīng)根據(jù)材料的應(yīng)力位向效應(yīng)確定。綜合考慮各種因素,提出了如圖1所示的壁板時(shí)效成形工藝流程,熱壓罐內(nèi)的溫度時(shí)間曲線與氣壓時(shí)間曲線如圖2所示。2壁板厚度對(duì)成形工裝設(shè)計(jì)的影響時(shí)效成形所需要的基本條件有兩個(gè),一個(gè)是時(shí)效所需溫度場(chǎng),由熱壓罐提供,另一個(gè)是產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力所需的成形工裝。成形工裝一方面控制壁板的成形形狀,另一方面與密封膜配合作用提供成形所需的預(yù)應(yīng)力。成形工裝的選擇和設(shè)計(jì)需要與現(xiàn)代大型機(jī)翼整體壁板的特點(diǎn)相適應(yīng)。概括起來(lái),現(xiàn)代大型機(jī)翼整體壁板有如下明顯的結(jié)構(gòu)特征:①翼展尺寸比較大,一般在10m以上;②弦向尺寸相對(duì)穩(wěn)定,一般保持在4m以?xún)?nèi);③厚度變化比較大,厚度從2mm到30mm不等,加上加強(qiáng)筋的高度,一般不超過(guò)60mm;④曲率較小,曲率半徑一般在1m以上。A380機(jī)翼壁板如圖3所示,其長(zhǎng)達(dá)33m,寬達(dá)2.8m,厚度從3mm到28mm。結(jié)合大型機(jī)翼整體壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為降低成形工裝的成本,并使成形工裝易于搬運(yùn)安裝,使基礎(chǔ)支架系統(tǒng)可應(yīng)用于不同壁板的成形,成形工裝應(yīng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化的設(shè)計(jì)制造思想。目前,一般采用卡板式型面控制成形工裝,如圖4所示?？ò迨叫兔婵刂瞥尚喂ぱb采用垂直于底座的線陣支撐結(jié)構(gòu)的外形曲線構(gòu)成所需要的模具外形;卡板式型面控制成形工裝的修整主要是通過(guò)調(diào)整各支撐結(jié)構(gòu)的高度與外形曲線實(shí)現(xiàn)。型面控制成形工裝設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、柔性化具有如下重要優(yōu)點(diǎn):①有利于成形模具的加工制造;②便于修整模具型面、控制回彈;③能夠及時(shí)根據(jù)零件大小調(diào)整成形模具尺寸;④有利于節(jié)約材料。然而,飛機(jī)壁板厚度變化比較大,厚度從幾毫米到幾十毫米不等,加載過(guò)程中較薄區(qū)域容易產(chǎn)生局部過(guò)載現(xiàn)象,影響成形質(zhì)量。在成形過(guò)程中,可通過(guò)在壁板與成形工裝之間添加一特定厚度的較高強(qiáng)度的均勻墊板,如不銹鋼薄板來(lái)避免局部過(guò)載問(wèn)題。3回彈預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用時(shí)效成形過(guò)程中,壁板的彈性變形不斷向塑性變形轉(zhuǎn)變,但是,卸除載荷后,壁板仍有彈性變形存在,甚至回彈量達(dá)到60%～70%。因此,進(jìn)行時(shí)效成形的回彈預(yù)測(cè)以調(diào)整工藝流程、優(yōu)化工藝參數(shù)、修整模具型面是成形出合格壁板的關(guān)鍵。由于壁板零件外形曲面復(fù)雜,而回彈是一個(gè)非線性力學(xué)過(guò)程,完全依靠試驗(yàn)法預(yù)測(cè)回彈成本高昂,目前一般先采用有限元模擬的方法預(yù)測(cè)回彈,完成成形工裝型面的初步修正,以減少修正次數(shù)。有限元模擬的精度主要依賴(lài)于所提供的壁板材料的蠕變、應(yīng)力松弛的本構(gòu)方程。3.1應(yīng)力松弛本構(gòu)方程壁板時(shí)效成形是一應(yīng)力動(dòng)態(tài)平衡、應(yīng)變不斷協(xié)調(diào)的過(guò)程。材料內(nèi)部的變形過(guò)程既不等同于蠕變,亦不與應(yīng)力松弛相同,因此,單純的蠕變本構(gòu)方程或應(yīng)力松弛本構(gòu)方程都不足以描述材料在時(shí)效成形中材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系。Narimetla等引入應(yīng)力松弛因子,從理論上推導(dǎo)出一組簡(jiǎn)單的蠕變、應(yīng)力松弛統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系;Ho等從試驗(yàn)出發(fā),得到了7010鋁合金150℃下的蠕變、應(yīng)力松弛統(tǒng)一本構(gòu)關(guān)系。因此,統(tǒng)一的蠕變與應(yīng)力松弛的本構(gòu)方程是描述壁板零件時(shí)效成形過(guò)程中,材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、時(shí)間、溫度等關(guān)系的有效描述方法。3.2時(shí)效成形模型壁板時(shí)效成形有限元模擬主要分為加載、成形、卸載、回彈等階段。成形的工藝流程、主要工藝參數(shù)以及模具是否合格,主要通過(guò)比較成形模擬后壁板與設(shè)計(jì)壁板的外形。如果模擬后壁板與設(shè)計(jì)壁板外形誤差不符合設(shè)計(jì)要求,則可調(diào)整工藝流程、主要工藝參數(shù)以及修正模具型面繼續(xù)進(jìn)行模擬,最終,模擬成形出合格的壁板零件。Sallah等首次提出熱壓罐時(shí)效成形的數(shù)學(xué)模型。Narimetla等建立了整體壁板時(shí)效成形的有限元模型。在加載、卸載階段,采用線彈性薄殼有限元模型;時(shí)效階段采用非線性的Maxwell黏彈性時(shí)效應(yīng)力松弛模型,并就時(shí)效成形的3個(gè)階段建立了通用的數(shù)學(xué)模型。Ho等基于“統(tǒng)一理論”和時(shí)效動(dòng)力學(xué)提出統(tǒng)一的時(shí)效-蠕變本構(gòu)方程,并使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)鋁合金厚板蠕變時(shí)效成形進(jìn)行回彈模擬。因此,時(shí)效成形有限元模擬的主要流程如圖5所示。4各種成形工藝和制造方法對(duì)壁板時(shí)效成形的影響(1)大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形工藝應(yīng)采用雙/多級(jí)時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效等措施,并考慮應(yīng)力位向效應(yīng),以提高成形的效率,降低回彈,提高成形后壁板材料的綜合性能。(2)大型機(jī)翼整體壁板時(shí)效成形所用到的成形工裝,應(yīng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化的設(shè)計(jì)和制造方法,以提高成形設(shè)備