湛利華 ,楊有良
(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083;2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410083)
湛利華 教授,博士生導(dǎo)師,英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)博士后,教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才,湖南省青年骨干教師,中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副院長(zhǎng)、高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從事高性能材料與構(gòu)件形性一體化制造技術(shù)與裝備研究。在輕質(zhì)高強(qiáng)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)高性能精確成形制造等領(lǐng)域承擔(dān)國(guó)家973課題、民機(jī)專項(xiàng)課題、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等國(guó)家及省部級(jí)科技項(xiàng)目10余項(xiàng)。
隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展,具有結(jié)構(gòu)完整度高、強(qiáng)度高以及密封性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)的大型整體壁板構(gòu)件越來(lái)越多在民用大飛機(jī)、軍用飛機(jī)及新一代運(yùn)載火箭的重要結(jié)構(gòu)中使用。先進(jìn)大飛機(jī)的整體壁板構(gòu)件具有復(fù)雜的雙曲率外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu),如整體加強(qiáng)筋、凸臺(tái)等,是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要組成部分,同時(shí)也是機(jī)翼、機(jī)身等的主要承力構(gòu)件[1-2]。在宇航類產(chǎn)品中,貯箱是運(yùn)載火箭的主要結(jié)構(gòu),體積占火箭的絕大部分,長(zhǎng)度約占火箭全長(zhǎng)的2/3,主要由多塊整體帶筋壁板構(gòu)件焊接而成。貯箱壁板本身也具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在火箭飛行過(guò)程中,不但要承受來(lái)自內(nèi)部和外界的壓力,而且還要起傳遞力矩的作用[3-4]。因此在大型整體壁板構(gòu)件的制造過(guò)程中,對(duì)外形精度以及性能具有極高的要求。精確制造大型整體壁板構(gòu)件是我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
蠕變時(shí)效成形技術(shù)(Creep Age Forming,CAF)是為實(shí)現(xiàn)大型整體壁板構(gòu)件高性能與精確成形協(xié)同制造而發(fā)展起來(lái)的一種新型鈑金成形方法,具有成形精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用到航空航天產(chǎn)品中(如空客A380的上機(jī)翼蒙皮[5])。在國(guó)內(nèi)由于研究起步較晚,整體處于研究初級(jí)階段,并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。針對(duì)我國(guó)目前研發(fā)的大飛機(jī)和新一代運(yùn)載火箭項(xiàng)目,蠕變時(shí)效成形技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
大型整體壁板構(gòu)件是由蒙皮和各種加強(qiáng)筋組成的一體化板狀結(jié)構(gòu)。通常整體帶筋壁板板坯由厚板數(shù)控銑削加工而成,有些情況下也可以通過(guò)筋條與蒙皮焊接而成。傳統(tǒng)的組合式壁板則由蒙皮和縱向、橫向等加強(qiáng)零件通過(guò)鉚接、點(diǎn)焊或膠結(jié)等連接技術(shù)裝配而成。圖1為組合式壁板和整體壁板示意圖。與傳統(tǒng)組合壁板相比,整體壁板具有諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]:
(1)整體壁板在外形幾何設(shè)計(jì)方面較為靈活,可以考慮飛機(jī)氣動(dòng)性等其他要求而設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的空間曲面,不會(huì)受常規(guī)組合壁板各個(gè)零部件之間的影響;
(2)整體壁板內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀和分布不受限制,可以是矩形、等邊三角形、T形等各種加強(qiáng)筋;
(3)整體壁板蒙皮和加強(qiáng)筋之間數(shù)控銑削時(shí)采用圓角過(guò)渡,能大大減少應(yīng)力集中現(xiàn)象;
(4) 整體壁板蒙皮厚度理論上沒(méi)有限制,按照實(shí)際需求,可以實(shí)現(xiàn)變厚度設(shè)計(jì);
(5)整體壁板蒙皮與筋條之間無(wú)縫隙,不會(huì)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。
整體壁板構(gòu)件除了具有上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)外,還具有降低整機(jī)質(zhì)量,減少裝配勞動(dòng)量,縮短裝配周期和減小人力成本的作用。在2000年,美國(guó)國(guó)家航空航天局啟動(dòng)了整體機(jī)身結(jié)構(gòu)研究計(jì)劃(IAS),項(xiàng)目組針對(duì)波音747機(jī)身壁板比較了整體壁板與傳統(tǒng)鉚接壁板兩種制造方式,在滿足各向性能的條件下,整體壁板表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,如表1所示[6]。
圖1 組合壁板與整體壁板示意圖Fig.1 Schematic diagram of built-up panel and integral panel
表1 組合壁板與整體壁板對(duì)比
圖2 蠕變時(shí)效成形工藝過(guò)程Fig.2 Creep age forming process
蠕變時(shí)效成形技術(shù)是利用金屬的蠕變/應(yīng)力松弛以及時(shí)效強(qiáng)化特性,使構(gòu)件在同一個(gè)時(shí)空環(huán)境下(溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng))實(shí)現(xiàn)形性協(xié)同制造,其過(guò)程可以概念性地劃分為3個(gè)階段[7],如圖2所示。
(1)加載階段。構(gòu)件放置在模具上,然后利用機(jī)械加載或者真空加載的方法使構(gòu)件與模具型面完全貼合。
(2)蠕變時(shí)效階段。構(gòu)件貼合模具表面后,整體放入熱壓罐或者加熱爐中,開(kāi)始對(duì)容器內(nèi)進(jìn)行升溫升壓直到預(yù)定值,然后保溫時(shí)效時(shí)間;這個(gè)階段構(gòu)件發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛,彈性變形部分地轉(zhuǎn)換為永久的蠕變變形;同時(shí)材料組織發(fā)生變化,提高材料性能。
(3)卸載階段。結(jié)束保溫并卸除載荷,構(gòu)件發(fā)生自由回彈,獲得所需的外形。
圖3 蠕變時(shí)效成形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve in CAF process
構(gòu)件在蠕變時(shí)效過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化如圖3所示。在加載階段構(gòu)件彈性變形量逐漸增加,進(jìn)入保溫蠕變時(shí)效后,部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槿渥儜?yīng)變;另外由于彈性變形量的降低引起應(yīng)力降低,發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。卸載后構(gòu)件發(fā)生回彈,由于永久性的蠕變應(yīng)變,構(gòu)件會(huì)保持一定的外形。
與傳統(tǒng)壁板類構(gòu)件的金屬加工過(guò)程(如噴丸、滾彎成形等)相比,蠕變時(shí)效成形技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)[8-11]:
(1)構(gòu)件的成形應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度,降低了產(chǎn)生加工裂紋的可能性;
(2)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力大部分被釋放,尺寸穩(wěn)定性好,具有較高的可重復(fù)性;
(3)時(shí)效強(qiáng)化和蠕變變形同步進(jìn)行,構(gòu)件完成成形的同時(shí),也完成了對(duì)構(gòu)件的人工時(shí)效強(qiáng)化。
因蠕變時(shí)效成形技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì),許多發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)50年代就開(kāi)展了對(duì)該技術(shù)的相關(guān)研究。至今,波音、空客、Textron等幾家大型飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)利用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)了飛機(jī)機(jī)翼蒙皮和壁板等構(gòu)件。例如,由美國(guó)Textron公司生產(chǎn)的B-1B轟炸機(jī)的上機(jī)翼壁板,其尺寸為2.74m×15.25m,厚度差異范圍為2.54~63.5mm,而且壁板的最大貼合度誤差不超過(guò)0.25mm[12];歐洲空客公司實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用蠕變時(shí)效成形技術(shù)流水線生產(chǎn)A380機(jī)翼蒙皮,外形為33m×2.8m的變厚度雙曲率形貌,并且成形構(gòu)件的裝配誤差小于1mm[5]。在航天領(lǐng)域,美國(guó)土星5、大力神4以及歐洲航天局阿里安5運(yùn)載火箭部分貯箱壁板和瓜瓣成形采用了蠕變時(shí)效成形技術(shù)[1,13-14],國(guó)際空間站密封艙整體壁板結(jié)構(gòu)也采用了蠕變時(shí)效成形技術(shù)[15]。
蠕變時(shí)效成形是一個(gè)同時(shí)發(fā)生蠕變變形和時(shí)效熱處理強(qiáng)化的過(guò)程,因此,如何準(zhǔn)確表征材料在成形和成性過(guò)程中的變形行為和力學(xué)性能變化是該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用面臨的首要挑戰(zhàn)。而基于材料試驗(yàn)和成形機(jī)理的蠕變時(shí)效本構(gòu)建模技術(shù)是解決這一挑戰(zhàn)最為有效的方法。
早期建模焦點(diǎn)主要集中在簡(jiǎn)單的蠕變/應(yīng)力松弛本構(gòu)模型的研究。1991年,Sallah等[7]使用含有Maxwell和Walker/Wilson應(yīng)力松弛模型的非彈性本構(gòu)方程對(duì)構(gòu)件熱壓罐時(shí)效成形進(jìn)行了應(yīng)力松弛模擬,仿真預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值數(shù)據(jù)具有較好的吻合。2005年,Idem等[16]基于Maxwell模型有限元模擬了大型整體壁板的成形,該過(guò)程考慮了不同溫度和初始應(yīng)變速率下材料的流變特征,能夠同時(shí)模擬材料的熱粘塑行為和應(yīng)力松弛效應(yīng)。
隨著連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的發(fā)展,研究人員提出將與時(shí)間無(wú)關(guān)的塑性應(yīng)變和與時(shí)間相關(guān)的蠕變應(yīng)變統(tǒng)一為總的非彈性應(yīng)變,并采用內(nèi)變量理論建立了統(tǒng)一的蠕變損傷本構(gòu)模型。1994年,Kowalewski等[17]首次提出了蠕變統(tǒng)一本構(gòu)模型,模型采用3個(gè)材料內(nèi)狀態(tài)變量和雙曲正弦函數(shù),描述了蠕變時(shí)效初期至斷裂整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)力松弛、空穴形核與長(zhǎng)大等蠕變行為。2007年,Huang等[18]注意到常規(guī)材料蠕變一般只有第一、二階段,因此忽略Kowalewski模型中描述的第三階段部分,使模型應(yīng)用更加簡(jiǎn)化方便。
以上兩種形式的材料本構(gòu)方程只是研究了蠕變時(shí)效成形過(guò)程中傳統(tǒng)高溫條件下的應(yīng)力松弛或者蠕變行為,并沒(méi)有考慮各種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)變形的影響。隨著材料微觀組織演化模擬理論的發(fā)展和各種測(cè)試技術(shù)的相繼出現(xiàn),研究人員開(kāi)始從宏觀和微觀相結(jié)合的角度研究蠕變時(shí)效成形過(guò)程蠕變變形和時(shí)效強(qiáng)化的相互作用。2004年,Ho等[19]提出了蠕變時(shí)效統(tǒng)一本構(gòu)模型,他們的模型首次增加了對(duì)沉淀相長(zhǎng)大的描述,將屈服強(qiáng)度,與析出相的長(zhǎng)大聯(lián)系起來(lái),初步建立了材料的宏微觀耦合關(guān)系。2010年,Li等[20]在考慮了析出相尺寸形貌(盤(pán)狀)和體積分?jǐn)?shù)的影響上建立了適合于盤(pán)狀析出相的蠕變時(shí)效本構(gòu)模型??紤]到多級(jí)時(shí)效熱處理制度,再結(jié)合析出長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué),2013年Zhang等[21]建立了適合不同溫度下棒狀或圓盤(pán)狀析出相的合金蠕變時(shí)效統(tǒng)一本構(gòu)模型。
近年來(lái),作者針對(duì)析出相為圓形粒子狀的7xxx鋁合金和盤(pán)狀的2xxx鋁合金進(jìn)行了系統(tǒng)的蠕變時(shí)效宏微觀本構(gòu)建模研究[22-23]?;阡X合金時(shí)效強(qiáng)化理論以及析出相演變規(guī)律,建立了材料在蠕變時(shí)效過(guò)程中的強(qiáng)化演變模型和微觀狀態(tài)變量演變模型;并考慮了位錯(cuò)密度對(duì)材料性能強(qiáng)化以及蠕變速率的影響;結(jié)合前面兩點(diǎn),最終建立了微觀狀態(tài)變量-屈服強(qiáng)度-蠕變速率3者強(qiáng)交互耦合的蠕變時(shí)效宏微觀統(tǒng)一本構(gòu)模型,并且模型在7055鋁合金和2124鋁合金上得到了驗(yàn)證,模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值具有較好的吻合性。
構(gòu)件在經(jīng)過(guò)蠕變時(shí)效成形后,不可避免地會(huì)發(fā)生回彈,這是因?yàn)闈M足力學(xué)性能要求的峰值時(shí)效時(shí)間是有限的,彈性應(yīng)變不能完全地轉(zhuǎn)換為永久的蠕變應(yīng)變。因此要制造滿足外形要求的構(gòu)件,必須設(shè)計(jì)引入回彈補(bǔ)償?shù)哪>咝兔妗?/p>
目前,板材成形回彈補(bǔ)償算法主要有回彈向前法(K&B)[24-25]、響應(yīng)面法(RSM)[26-27]以及偏差調(diào)節(jié)法(DA)[28-29]?;貜椣蚯胺ㄊ峭ㄟ^(guò)有限元軟件計(jì)算加載狀態(tài)零件的分布面力,再以彈性加載方式以同等面力反向作用至理論零件上,求出此回彈量,由回彈量計(jì)算新的模具型面,但該方法是一種開(kāi)環(huán)修正算法,收斂性差且收斂速度慢。響應(yīng)面法則是通過(guò)成形后板料殘余應(yīng)力中的純彎矩分量調(diào)整模具型面,具有收斂速度快的優(yōu)點(diǎn),然而該算法只適用于具體的有限元求解器,不具有通用性。偏差調(diào)節(jié)法通過(guò)將板材回彈前后各節(jié)點(diǎn)偏差按回彈相反方向施加給模具型面進(jìn)行補(bǔ)償,有收斂速度快、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但缺乏嚴(yán)格的理論依據(jù)。
針對(duì)蠕變時(shí)效成形技術(shù),研究人員主要是基于DA法進(jìn)行各種修訂后對(duì)模具型面進(jìn)行補(bǔ)償。黃霖等[30]根據(jù)DA法結(jié)合有限元結(jié)果提出了一種適合蠕變時(shí)效成形的模具型面修正算法,并應(yīng)用到圓柱面、球面以及馬鞍形面構(gòu)件的成形補(bǔ)償中。通過(guò)4次迭代補(bǔ)償,圓柱面和球面構(gòu)件的誤差減小到0.4mm內(nèi);通過(guò)5次迭代,馬鞍形構(gòu)件除4個(gè)角部外,其余部位型面誤差小于0.5mm。針對(duì)DA算法中補(bǔ)償系數(shù)不易事先確定,甘忠等[31]提出了一種基于拋物線的迭代補(bǔ)償算法,在“雙十字”件中,理論型面與補(bǔ)償后的型面最大偏差為0.286mm,該方法適用于帶筋壁板蠕變時(shí)效成形模具型面補(bǔ)償。而針對(duì)構(gòu)件各個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的回彈率并不一致的現(xiàn)象,許曉龍等[32]基于DA算法提出了一種加權(quán)補(bǔ)償系數(shù)算法,算法如圖4所示。補(bǔ)償系數(shù)k是每次仿真后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的回彈率,因此該算法具有動(dòng)態(tài)的自我學(xué)習(xí)功能,能夠有效避免其他算法在模面補(bǔ)償過(guò)程中出現(xiàn)的偏差隨補(bǔ)償次數(shù)上下波動(dòng)的現(xiàn)象。
圖4 加權(quán)回彈補(bǔ)償算法Fig.4 Weighted springback compensation algorithm
圖5 點(diǎn)陣式模具Fig.5 Lattice nailed die-set
(1)機(jī)械加載模具工裝。
在蠕變時(shí)效成形技術(shù)開(kāi)發(fā)的早期階段,構(gòu)件通常是通過(guò)機(jī)械加載的方式固定到模具型面上的。機(jī)械加載模具工裝可分為點(diǎn)陣式和凹凸式兩種。點(diǎn)陣式模具[33]由頂板、底板、緊固螺栓與調(diào)節(jié)螺栓組成,如圖5所示。點(diǎn)陣式模具在底板上按照一定的空間距離布置調(diào)節(jié)螺栓,通過(guò)控制調(diào)節(jié)螺栓的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的成形曲面,并通過(guò)兩端的緊固螺栓完成擠壓變形。這種模具便于操作,可以實(shí)現(xiàn)不同曲率的成形模面,但由于螺栓與構(gòu)件接觸面積小,導(dǎo)致接觸應(yīng)力很大,構(gòu)件表面容易出現(xiàn)瑕疵;另一方面,由于要自動(dòng)控制調(diào)節(jié)螺栓需要增加額外設(shè)備,導(dǎo)致成本增加。圖6為凹凸式模具[33],構(gòu)件通過(guò)凹模與凸模的相互擠壓實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的彎曲,構(gòu)件與模具型面之間是完全接觸的,因此成形后構(gòu)件表面質(zhì)量較好。但由于是固定型面,因此不易于修模;而且整體模具較重,升溫慢,造價(jià)高。
(2)真空加載模具工裝。
20世紀(jì)80年代,美國(guó)Textron公司研發(fā)了熱壓罐時(shí)效成形工藝,創(chuàng)新性地使用真空加載方式。真空加載模具只有下模,因此成本更低。目前主要分為焊接卡板式和可調(diào)節(jié)卡板式模具[9],見(jiàn)圖7和8。焊接式卡板模具中墊板通過(guò)滾彎成形至接近目標(biāo)曲面,然后焊接在卡板上,而卡板則與底板焊接在一起。由于焊接式卡板模具是固定的,因此不易于后期的修模??烧{(diào)節(jié)卡板模具中,卡板并不是固定在基座上的,而是通過(guò)定位塊來(lái)實(shí)現(xiàn)卡板的位置變化,因此該模具是型面曲率可調(diào)節(jié)的,方便后期的修模。
隨著大型整體壁板構(gòu)件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)其形、性制造要求不斷提高,近年來(lái)蠕變時(shí)效成形技術(shù)得到了快速的發(fā)展。將該技術(shù)應(yīng)用于大型復(fù)雜構(gòu)件時(shí),除了上述3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,還面臨以下3個(gè)方面的挑戰(zhàn)。
目前的蠕變時(shí)效本構(gòu)模型是基于材料尺度(試樣)建立的,并沒(méi)有考慮實(shí)際構(gòu)件在成形過(guò)程的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)、升溫時(shí)間和蠕變與應(yīng)力松弛的異同等因素,未來(lái)蠕變時(shí)效本構(gòu)模型將由材料本構(gòu)向構(gòu)件本構(gòu)發(fā)展。
圖6 凹凸式模具Fig.6 Concave-convex die-set
圖7 焊接式卡板模Fig.7 Welded rib-boards forming tool
圖8 調(diào)節(jié)式卡板模具Fig.8 Adjustable rib-boards forming tool
蠕變時(shí)效本構(gòu)模型的材料參數(shù)基本是基于單軸拉伸蠕變時(shí)效試驗(yàn)擬合得到的,然后再把本構(gòu)模型編譯成子程序嵌入到有限元中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行回彈和性能預(yù)測(cè)。而實(shí)際構(gòu)件在初期加載完全接觸模具表面后,構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力沿著厚度方向呈現(xiàn)從最大壓應(yīng)力逐漸過(guò)渡到最大拉應(yīng)力的分布特征,如圖9所示。因此簡(jiǎn)單使用單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的本構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)件蠕變時(shí)效形、性演變預(yù)測(cè)與實(shí)際存在偏差。作者在此前的工作中,開(kāi)展了一系列拉、壓應(yīng)力兩種狀態(tài)下的蠕變時(shí)效行為差異研究。研究表明,2219鋁合金在拉應(yīng)力下的蠕變變形量大于壓應(yīng)力,而且隨著溫度和應(yīng)力的增加,兩者之間的差距越來(lái)越大;在165℃~175℃的溫度范圍內(nèi),拉、壓應(yīng)力的平均表觀應(yīng)力指數(shù)分別為1.50和2.51,拉應(yīng)力的蠕變機(jī)制主要是擴(kuò)散蠕變和晶界滑移蠕變機(jī)制,而壓應(yīng)力是以位錯(cuò)滑移蠕變機(jī)制為主。相同制度下兩種應(yīng)力狀態(tài)的蠕變變形量不同可能是由不同的蠕變機(jī)制引起的[34]。同時(shí)對(duì)蠕變時(shí)效成形后的板材受拉應(yīng)力側(cè)和受壓應(yīng)力側(cè)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力側(cè)的性能高于拉應(yīng)力側(cè),表明應(yīng)力狀態(tài)對(duì)力學(xué)性能是有影響的[35]。作者進(jìn)一步研究了應(yīng)力狀態(tài)對(duì)構(gòu)件回彈的影響,通過(guò)有限元仿真發(fā)現(xiàn)單獨(dú)引入拉應(yīng)力蠕變時(shí)效建立的本構(gòu)模型預(yù)測(cè)構(gòu)件的回彈為61.12%,而引入同時(shí)考慮拉、壓應(yīng)力本構(gòu)模型預(yù)測(cè)構(gòu)件的回彈為65.93%,更加接近構(gòu)件實(shí)際回彈值68.2%[36]。另外,Li等[37]也發(fā)現(xiàn)2050鋁合金在相同時(shí)效制度下拉應(yīng)力蠕變變形量也大于壓應(yīng)力。
在大型構(gòu)件蠕變時(shí)效成形過(guò)程中,由于金屬模具熱慣性大,升溫速率慢,往往構(gòu)件升溫到目標(biāo)溫度要3~4h,因此需要考慮升溫時(shí)間對(duì)構(gòu)件蠕變變形和力學(xué)性能的影響。作者通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚇幽M2219鋁合金網(wǎng)格加筋構(gòu)件在實(shí)際升溫過(guò)程中的升溫速率,發(fā)現(xiàn)升溫階段的蠕變量占總?cè)渥兞康?1.56%~29.28%,而升溫速率對(duì)該合金性能影響不明顯。
構(gòu)件在蠕變時(shí)效成形的加載階段往往會(huì)與模具表面貼合,而在后續(xù)的恒溫時(shí)效階段始終保持這種貼模狀態(tài),即發(fā)生恒應(yīng)變應(yīng)力松弛現(xiàn)象。近年來(lái),不少學(xué)者開(kāi)始將研究的關(guān)注點(diǎn)聚焦于恒應(yīng)力蠕變時(shí)效與恒應(yīng)變應(yīng)力松弛時(shí)效材料形變與相變行為的異同。黃曉婧等[38]認(rèn)為蠕變時(shí)效與應(yīng)力松弛時(shí)效在成形工藝上存在內(nèi)在聯(lián)系,兩者的物理機(jī)理都可以用蠕變位錯(cuò)來(lái)解釋,并且應(yīng)力松弛曲線可由蠕變曲線轉(zhuǎn)換獲得。Sha等[39]通過(guò)SiC基纖維材料的彎曲應(yīng)力松弛試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)其拉伸蠕變行為,發(fā)現(xiàn)兩者有很好的關(guān)聯(lián)性。以上研究說(shuō)明,蠕變時(shí)效與應(yīng)力松弛時(shí)效在形變表征上存在相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。張姣等[40]則進(jìn)一步對(duì)比了材料分別經(jīng)過(guò)蠕變時(shí)效和應(yīng)力松弛時(shí)效后的性能,發(fā)現(xiàn)利用蠕變時(shí)效性能模型來(lái)預(yù)測(cè)應(yīng)力松弛時(shí)效性能存在一定差異。因此基于蠕變時(shí)效的基礎(chǔ)試驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)構(gòu)件的應(yīng)力松弛成形試驗(yàn)是存在一定差異的。
以往蠕變時(shí)效成形研究對(duì)象通常是薄壁平板件,構(gòu)件在初始加載階段處于彈性變形,其成形主要是恒溫時(shí)效階段部分彈性變形向蠕變形變轉(zhuǎn)變而成的。為了進(jìn)一步擴(kuò)展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,近幾年則越來(lái)越多地研究復(fù)雜加筋構(gòu)件在蠕變時(shí)效成形中的各種成形特征,由傳統(tǒng)的彈性加載蠕變時(shí)效向彈塑性加載蠕變時(shí)效發(fā)展。
圖9 蠕變時(shí)效成形過(guò)程中構(gòu)件應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of plate in CAF process
呂鳳工等[41]研究了在彈性加載范圍內(nèi)7B04-T651鋁合金構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征對(duì)回彈率的影響,結(jié)果表明:蒙皮越厚、筋條越高,則回彈率越低;彎曲半徑越大、筋條越寬,則回彈率越高。彎曲半徑和筋條高度是影響回彈率的主要因素。高應(yīng)力區(qū)域在蠕變時(shí)效成形過(guò)程中積累大量的蠕變應(yīng)變,控制著構(gòu)件的回彈率,對(duì)最終零件外形起著決定性作用。劉大海等[42]針對(duì)2A12鋁合金典型筋板試驗(yàn)件,探索了其攪拌摩擦焊工藝,并對(duì)焊后筋板件的時(shí)效成形進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,采用單獨(dú)的T 型攪拌摩擦焊工藝即可實(shí)現(xiàn)該類筋板件的焊接成形,且調(diào)整焊接工藝參數(shù),可獲得良好的焊接性能。焊后筋板件具有較好的蠕變時(shí)效成形效果,零件成形質(zhì)量隨時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度的增大而提高。Lam等[43]有限元模擬了壁板筋條結(jié)構(gòu)以及材料初始狀態(tài)對(duì)回彈的影響,發(fā)現(xiàn)蠕變主要發(fā)生在筋條結(jié)構(gòu)上并且峰時(shí)效板材比自然時(shí)效板材的回彈量大6.3%。隨后他們?cè)跇?gòu)件蠕變時(shí)效成形有限元中考慮了機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力對(duì)回彈的影響,發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件回彈的影響程度與構(gòu)件初始加載產(chǎn)生的應(yīng)力水平有關(guān)[44]。作者采用有限元仿真分析了加筋結(jié)構(gòu)在壁板蠕變時(shí)效過(guò)程中的形變行為。結(jié)果表明,單純靜力加載后加筋板的回彈量為16.14%,而經(jīng)過(guò)蠕變時(shí)效后加筋板的回彈量降低為10.34%,筋條對(duì)構(gòu)件蒙皮的回彈起到一定的抑制作用;蠕變時(shí)效后構(gòu)件的成形是塑變和蠕變共同作用的結(jié)果[45]。
蠕變時(shí)效成形的應(yīng)用對(duì)象一般是航空航天用大型整體壁板,這類壁板往往有復(fù)雜的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)且沿厚度方向應(yīng)力梯度大等特點(diǎn);另外,熱壓罐與模具組成的制造環(huán)境熱/力分布不均勻,造成壁板溫度場(chǎng)時(shí)空分布的不均勻。以上因素使得成形后的壁板很難達(dá)到形/性協(xié)同,因此施加外在復(fù)合能場(chǎng),實(shí)現(xiàn)壁板構(gòu)件的形性協(xié)同制造具有重要意義。目前施加到蠕變時(shí)效成形中的復(fù)合能場(chǎng)主要有預(yù)變形處理、電脈沖作用、多級(jí)時(shí)效以及振動(dòng)效應(yīng)等。
周亮等[46]對(duì)固溶淬火態(tài)2124鋁合金進(jìn)行預(yù)處理,然后蠕變時(shí)效,發(fā)現(xiàn)預(yù)處理會(huì)明顯地改變?nèi)渥儠r(shí)效過(guò)程中的第二相的種類、形貌和數(shù)量。趙建華等[47]的研究結(jié)果表明,固溶淬火態(tài)板材的蠕變機(jī)制從位錯(cuò)增殖逐漸變?yōu)槲诲e(cuò)增殖-消毀平衡;而經(jīng)固溶淬火再預(yù)變形處理板材的蠕變機(jī)制是預(yù)變形引入的位錯(cuò)消毀。作者研究了預(yù)變形對(duì)2219鋁合金構(gòu)件蠕變時(shí)效成形的影響,發(fā)現(xiàn)預(yù)變形能夠促進(jìn)構(gòu)件蠕變變形,使構(gòu)件回彈量更小,成形效率更高,當(dāng)模具半徑為1160mm時(shí),相同蠕變時(shí)效制度下,有預(yù)變形構(gòu)件的曲率半徑為1370.1mm,回彈量為15.3%;而無(wú)預(yù)變形構(gòu)件則分別為1635.6mm和29.1%。相對(duì)于無(wú)預(yù)變形構(gòu)件,有預(yù)變形構(gòu)件性能更高也更均勻[48]。另外,作者把電脈沖引入到2219鋁合金的蠕變/應(yīng)力松弛時(shí)效成形過(guò)程,發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力梯度降低,避免了因應(yīng)力水平差異帶來(lái)的形變與相變的不均勻;同時(shí)成形、成性能量勢(shì)壘的差異也降低了,擴(kuò)大蠕變時(shí)效形性協(xié)同窗口[49]。Jeshvaghania等[50]采用多級(jí)時(shí)效制度(150℃/24 h+190℃/40min+120℃/24h)蠕變時(shí)效成形7075鋁合金,發(fā)現(xiàn)相對(duì)單級(jí)時(shí)效制度(150℃/24h),多級(jí)時(shí)效制度蠕變時(shí)效成形后構(gòu)件回彈更低,而且耐剝落腐蝕和抗拉強(qiáng)度的綜合性能更好。由于振動(dòng)具有細(xì)化晶粒的作用,王宇等[51]采用自制單曲率蠕變成形模具和振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),在淬火態(tài)7055鋁合金板材蠕變時(shí)效成形過(guò)程中引入振動(dòng)作用,研究了成形曲率、溫度與振動(dòng)方式對(duì)試樣回彈量、力學(xué)性能和微觀組織的影響。結(jié)果表明:在一定時(shí)間范圍內(nèi),振動(dòng)蠕變成形加速應(yīng)力松弛,降低回彈量;促進(jìn)鋁合金的強(qiáng)化相析出且分布更加彌散;提高強(qiáng)度;在(120℃/24h)的試驗(yàn)條件下,引入振動(dòng)使峰值時(shí)效試樣的強(qiáng)度提高7%,回彈量降低12.3%。
蠕變時(shí)效成形技術(shù)是適合制備大型整體壁板構(gòu)件的先進(jìn)鈑金成形方法。今后,蠕變時(shí)效成形技術(shù)研究在繼續(xù)關(guān)注材料本構(gòu)建模,模具型面回彈補(bǔ)償和模具工裝設(shè)計(jì)這3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的同時(shí),更要注重構(gòu)件尺度大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、形/性制造精準(zhǔn)化等對(duì)該技術(shù)帶來(lái)的新挑戰(zhàn)——塑變與蠕變共存條件下的構(gòu)件本構(gòu)建模與多級(jí)復(fù)合能場(chǎng)應(yīng)力松弛時(shí)效形、性協(xié)同調(diào)控。
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