有色金屬整體壁板成形技術(shù)研究進(jìn)展

吳增輝,李永華

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159)

與傳統(tǒng)裝配式壁板相比,用于飛行器的整體壁板的特點(diǎn)包括,可選擇復(fù)雜的空間曲面,滿足飛行器的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)需求;由整塊板坯制造而成;明顯減重10%～30%;縮短裝配周期和工作量約80%;采用加強(qiáng)筋來(lái)提高強(qiáng)度和剛度;光滑圓角過(guò)渡,減輕應(yīng)力集中,提高氣密性和安全性,提高疲勞強(qiáng)度[1-4]。

航空航天裝備的快速發(fā)展以及輕量化、長(zhǎng)壽命和低成本的需求,促進(jìn)了用于機(jī)翼和機(jī)身等重要部件、占飛行器總重量達(dá)30%的大型整體壁板制造技術(shù)的革新。帶有薄壁高筋的整體壁板因?yàn)榫哂懈邚?qiáng)度、高韌性、低重量、高精度、定制氣動(dòng)外形等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注[1-4]。有色金屬如鋁合金、鎂合金和鈦合金整體壁板的研發(fā)契合我國(guó)倡議的碳達(dá)峰與碳中和的節(jié)能減排綠色發(fā)展之路,其中鋁合金壁板應(yīng)用廣泛。因?yàn)榫哂型庑螐?fù)雜和尺寸跨度大等特點(diǎn),采用適宜的成形技術(shù)對(duì)于制造合格的無(wú)屈曲和微裂紋等缺陷的整體壁板至關(guān)重要。本文介紹有色金屬整體壁板常用的成形技術(shù)如蠕變時(shí)效成形技術(shù)、噴丸成形技術(shù)、壓彎成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 蠕變時(shí)效成形技術(shù)

1.1 原理及特點(diǎn)

蠕變時(shí)效成形(creep age forming)技術(shù),由Textron Aerostructures公司提出采用[1, 2]。空客多個(gè)機(jī)型采用此技術(shù)制造機(jī)翼等壁板[3, 4]。機(jī)理為金屬構(gòu)件在人工時(shí)效中產(chǎn)生應(yīng)力松弛和蠕變。流程如圖1所示,分三個(gè)階段[1, 2, 5]。

(1)加載階段。將金屬整體壁板置于模具上,經(jīng)過(guò)機(jī)械或真空加載,壁板與模具表面完全貼合。(2)加載時(shí)效階段。將壁板與模具置于加熱爐或熱壓罐中,根據(jù)時(shí)效要求加熱并保溫。壁板發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛,產(chǎn)生塑性變形和微觀組織變化。常用7xxx系鋁合金發(fā)生時(shí)效,即過(guò)飽和固溶體基體相分解為相和球形GP區(qū),分解為相和亞穩(wěn)相,最后分解為相和平衡相,強(qiáng)度和硬度明顯提高,即時(shí)效強(qiáng)化。而蠕變促進(jìn)壁板的成形并維持塑性變形的形狀。(3)卸載階段。冷卻和卸載,壁板發(fā)生回彈,完成蠕變時(shí)效成形。

蠕變時(shí)效成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為,同時(shí)實(shí)現(xiàn)外形與組織性能控制;所需應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度,減少制件裂紋傾向;殘余應(yīng)力低。缺點(diǎn)為受限于能夠時(shí)效處理的金屬,加載及時(shí)效周期較長(zhǎng),卸載產(chǎn)生較大回彈,需要大型熱壓罐等高成本設(shè)備[1-4]。

1.2 鋁合金蠕變時(shí)效材料本構(gòu)模型

蠕變時(shí)效成形技術(shù)具有成形與性能控制同步的復(fù)雜技術(shù)特點(diǎn),因此通常采用模擬仿真來(lái)優(yōu)化技術(shù)參數(shù),其中構(gòu)建準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型至關(guān)重要[2]。近年來(lái)多位學(xué)者在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立了適合于蠕變時(shí)效成形技術(shù)的材料本構(gòu)模型。Ho等在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立AA7010鋁合金的時(shí)效-蠕變統(tǒng)一本構(gòu)模型,模擬預(yù)測(cè)了該合金分別在不同應(yīng)力水平下的時(shí)效-蠕變行為,用于預(yù)測(cè)應(yīng)力松弛和回彈現(xiàn)象,預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好[5]。

Zhang等建立了盤(pán)狀或棒狀析出相的鋁合金時(shí)效-蠕變統(tǒng)一本構(gòu)模型,引入了微觀組織演變?nèi)缥诲e(cuò)密度、析出相尺寸和體積分?jǐn)?shù)、時(shí)效溫度變量等。模型綜合了多個(gè)強(qiáng)化機(jī)制如鋁合金基體強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、析出相強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化的影響。AA2124鋁合金的時(shí)效蠕變技術(shù)實(shí)驗(yàn)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好[6]。

1.3 鋁合金壁板蠕變時(shí)效模具型面回彈補(bǔ)償

金屬壁板在蠕變時(shí)效成形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,因此蠕變時(shí)效后會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象,即成形件與設(shè)計(jì)構(gòu)件在形狀與尺寸方面存在偏差。通常要求合格品的偏差在0.5mm范圍內(nèi)。近年來(lái)學(xué)者在金屬板材塑性成形的回彈向前法和響應(yīng)面法的基礎(chǔ)上,提出了蠕變時(shí)效成形回彈補(bǔ)償算法,如偏差調(diào)節(jié)法和基于小波變換的回彈補(bǔ)償法等[7, 8]。

甘忠等提出了基于快速傅里葉變換的小波變換的模具補(bǔ)償算法,分別對(duì)蠕變時(shí)效成形的球形表面、馬鞍面“雙井字”2124鋁合金壁板的回彈補(bǔ)償所進(jìn)行的仿真表明偏差在0.48 mm內(nèi),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好[8]。

1.4 鋁合金壁板蠕變時(shí)效成形的溫度場(chǎng)、回彈、失穩(wěn)及力學(xué)性能

熟悉壁板蠕變時(shí)效成形工藝的溫度場(chǎng)、回彈、失穩(wěn)以及力學(xué)性能有助于精準(zhǔn)調(diào)控時(shí)效成形有色合金壁板的外形以及材料性能,滿足用戶要求。Xu等人模擬研究了熱壓罐工藝參數(shù)對(duì)AA2219鋁合金的時(shí)效成形過(guò)程溫度場(chǎng)的影響規(guī)律[9]。鄒旺等模擬研究了加載步次、時(shí)效時(shí)間、溫度、筋板厚度及預(yù)彎曲半徑等參數(shù)對(duì)鋁合金7075帶筋壁板的漸進(jìn)蠕變時(shí)效成形的影響規(guī)律[10]。秦海和賈樹(shù)峰分別進(jìn)行了鋁合金壁板的回彈研究[11,12]。吳陽(yáng)等模擬了蠕變時(shí)效成形鋁合金壁板的筋條失穩(wěn)條件和影響因素[13]。史建猛等采用正交試驗(yàn)法研究了鋁合金壁板屈服強(qiáng)度的影響因素[14]。

2 噴丸成形技術(shù)

2.1 原理及特點(diǎn)

Lockheed Martin公司的工程師Jim Boerger開(kāi)創(chuàng)了噴丸成形技術(shù),用于整體壁板的成形制造?；驹頌樵诟咚偾蛐螐椡鑷娚涞臎_擊能量作用下,板材產(chǎn)生局部塑性變形和殘余壓應(yīng)力,成形曲面構(gòu)件的無(wú)模加工技術(shù),廣泛用于A310-340等系列機(jī)型的整體壁板制造[15-17]。為了成形厚壁和復(fù)雜曲面的壁板,Kopp等人開(kāi)發(fā)了雙面噴丸成形技術(shù),在整體壁板的兩側(cè)同時(shí)噴丸[15]。通過(guò)調(diào)整彈流速度、彈丸規(guī)格、彈丸流量、噴丸時(shí)間/覆蓋率、噴射角度等參數(shù)來(lái)成形整體壁板。作為一種柔性的冷成形工藝,彈丸的驅(qū)動(dòng)形式主要包括葉輪驅(qū)動(dòng)、重力驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。加工方式分為單面噴丸、雙面噴丸、預(yù)應(yīng)力噴丸、超聲波噴丸和激光噴丸等[1, 16-18]。

為了成形變形抗力較大的復(fù)雜曲面的帶筋壁板,開(kāi)發(fā)了預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)。如圖2所示,在卡具的約束下,坯料貼附于胎模上產(chǎn)生彎曲變形,產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,而后進(jìn)行噴丸成形。與普通噴丸成形技術(shù)相比,預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)需要更少的噴丸能量并且產(chǎn)生更小的表面應(yīng)力集中,從而提高所成形構(gòu)件的疲勞壽命[1, 20]。

圖2 預(yù)應(yīng)力噴丸工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of prestressed shot peening process

噴丸成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為無(wú)需復(fù)雜成形模具;彈丸重復(fù)使用,工藝成本低;周期短,效率高;適用性廣泛;改善金屬壁板的耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。缺點(diǎn)為彈丸沖擊導(dǎo)致構(gòu)件表面質(zhì)量不高;不易成形大曲率高筋壁板;多道次去應(yīng)力退火和噴丸成形;不易控制材料延展[1, 15-18]。

2.2 鋁合金壁板噴丸成形技術(shù)研究

壁板噴丸成形工藝參數(shù)對(duì)壁板有復(fù)雜的影響規(guī)律。隨著彈丸直徑增加,壁板成形量增大,應(yīng)力集中因子增大,殘余應(yīng)力場(chǎng)分布深度增大。章伽彬研究了鋁合金2024-T351機(jī)翼壁板的數(shù)控噴丸延展[17]。Wang等模擬了隨機(jī)彈丸噴丸過(guò)程,確定了殘余應(yīng)力、覆蓋率和沖擊速度間關(guān)系[18]。王永軍等構(gòu)建了機(jī)翼壁板噴丸成形的延展量預(yù)測(cè)有限元模型,成功模擬C919機(jī)翼下前整體壁板的延展量,與實(shí)驗(yàn)吻合[19]。田碩等構(gòu)建了彈丸噴丸模型和預(yù)應(yīng)力噴丸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)等模型,模擬了鋁合金2024-T351帶筋條整體壁板的預(yù)應(yīng)力噴丸成形[20]。實(shí)驗(yàn)研究了鋁鋰合金的噴丸成形規(guī)律[21]。Liu提出了整體壁板漸進(jìn)噴丸成形參數(shù)預(yù)測(cè)方法,用于整體壁板的精確塑性成形[22]。劉存等研究了噴丸成形對(duì)7150-T7751鋁合金壁板蒙皮局部屈曲載荷和壓縮強(qiáng)度的影響[23]。

3 壓彎成形技術(shù)

3.1 原理及特點(diǎn)

壓彎成形技術(shù)指利用局部三點(diǎn)彎曲變形逐步累積宏觀塑性變形量的成形技術(shù)。采用凸模和支撐進(jìn)行整體壁板的三點(diǎn)彎曲成形,如圖3所示。在壓機(jī)上進(jìn)行多道次壓彎成形,測(cè)定壓彎成形的單曲率或多曲率的型面,校正,滿足型面要求[24-27]。

圖3 壁板增量壓彎工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of incremental bending process for panel

壓彎成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為,可成形大變形量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體壁板;專(zhuān)用模具可控制曲率連續(xù)變化;工藝簡(jiǎn)便,成本低。缺點(diǎn)為筋條容易失穩(wěn)斷裂;效率低;分部位成形,壓線處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[28-30]。

3.2 鋁合金壁板壓彎成形

壁板類(lèi)構(gòu)件具有空間尺寸大、氣動(dòng)外形復(fù)雜、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),彎曲成形工藝有計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)、不易收斂等特點(diǎn)。為提高模擬效率,學(xué)者們針對(duì)涉及幾何、材料和接觸非線性的壁板彎曲成形,提出了等效模型來(lái)模擬分析彎曲位移、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變等分布規(guī)律[24-27]。Yan等人研究了鋁合金7B04-T7451的帶I-型加強(qiáng)筋壁板的彎曲過(guò)程,表明采用等效模型與傳統(tǒng)詳細(xì)模型相比,計(jì)算誤差小于6%,計(jì)算效率提高了約80%[26]。賴(lài)松柏等模擬鋁合金5A06壁板彎曲表明,利用等效模型與傳統(tǒng)模型相比,變形計(jì)算誤差小于5%,應(yīng)力誤差小于10.5%[27]。

Yan等人研究了鋁合金7B04-T7451的帶I-型加強(qiáng)筋壁板的壓彎成形的回彈、帶T-型和交叉加強(qiáng)筋的壁板的失穩(wěn)以及帶I-型和T-型加強(qiáng)筋壁板的斷裂,與實(shí)驗(yàn)吻合[28, 29]。張敏等模擬研究了鋁合金7050-T7451機(jī)翼整體壁板的壓彎成形,根據(jù)迭代補(bǔ)償和逐步逼近機(jī)制,提出鋁合金整體壁板壓彎成形的形狀控制方法。此方法與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法相比,有更高精度和效率的形狀控制效果[30]。李燁琪等研究了整體壁板的填料滾彎成形[31,32]。

3.3 鎂合金壓彎成形

作為一種高比強(qiáng)度的輕質(zhì)材料,鎂合金有望用于飛行器的蒙皮等領(lǐng)域。但是密排六方晶體結(jié)構(gòu)和滑移系過(guò)少限制了鎂合金的塑性加工成形性。張宏亮等利用Deform軟件進(jìn)行了鎂合金AZ31網(wǎng)格式壁板在210℃～270℃范圍內(nèi)增量壓彎成形過(guò)程的有限元模擬。研究了溫度和壓下量對(duì)鎂合金壁板加熱彎曲成形的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。并確定了適宜的工藝參數(shù),實(shí)驗(yàn)表明實(shí)測(cè)與模擬的彎曲曲率半徑的最大相對(duì)誤差為9.65%[33, 34]。圖4(a)為增量壓彎成形的AZ31鎂合金網(wǎng)格式壁板[33]。王琪等采用熱模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)定了AZ31鎂合金的壓縮真實(shí)應(yīng)力應(yīng)力曲線,建立了鎂合金本構(gòu)方程,構(gòu)建了鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件模型。采用Deform軟件模擬研究了變形溫度和壓下量對(duì)鎂合金AZ31筋條式壁板壓彎成形的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)以及晶粒組織的影響規(guī)律,并確定適宜的工藝參數(shù),實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合較好[35,36]。圖4(b)為增量壓彎成形的AZ31鎂合金筋條式壁板[35]。

(a)網(wǎng)格式;(b)筋條式圖4 壓彎成形的鎂合金AZ31壁板Fig.4 Magnesium alloy AZ31 siding formed by press bending

3.4 鈦合金壁板壓彎成形

與鋁合金壁板相比,高溫鈦合金Ti55壁板的特點(diǎn)為具有薄壁、高筋和復(fù)雜曲面等結(jié)構(gòu),變形溫度高而且范圍窄,變形回彈大。采用傳統(tǒng)的熱成形工藝需要大噸位壓力機(jī),而且容易出現(xiàn)筋條根部斷裂失穩(wěn)等問(wèn)題。新穎的電脈沖輔助成形工藝可以在電脈沖的作用下利用金屬材料的電阻熱而快速加熱,從而降低壓彎變形抗力,提高塑性成形極限,具有節(jié)能降耗和設(shè)備成本低等特點(diǎn)。薛克敏等采用Abaqus有限元軟件模擬了鈦合金Ti55網(wǎng)格壁板電脈沖輔助成形工藝的影響因素和變形規(guī)律。研究表明適宜的電流密度為8A/mm2。隨著筋條高度或者縱向筋條間距增大,鈦合金壁板的失穩(wěn)趨勢(shì)明顯變大[37, 38]。

4 多點(diǎn)成形技術(shù)

4.1 原理及特點(diǎn)

作為柔性無(wú)模制造技術(shù),多點(diǎn)成形技術(shù)的創(chuàng)意來(lái)源于Nakajima提出的采用離散的多組凸凹模取代傳統(tǒng)的整體成形模具進(jìn)行板料的塑性成形[39-41]。如圖5所示,可通過(guò)調(diào)控每組凸凹模的位置以及成形力來(lái)控制工件的形狀及尺寸精度。吉林大學(xué)李明哲等開(kāi)發(fā)了多點(diǎn)成形設(shè)備,成功用于板材的塑性成形[40, 41]。多點(diǎn)成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為曲面快速重構(gòu),一套成形設(shè)備可成形多種曲率型面,效率高,成本低。缺點(diǎn)為筋條容易失穩(wěn)[40-42]。學(xué)者們進(jìn)行了多點(diǎn)成形板材方面的模擬與實(shí)驗(yàn)研究[43, 44]。

圖5 多點(diǎn)成形工藝示意圖Fig.5 Diagram of multi-point forming process

4.2 鋁合金壁板多點(diǎn)壓彎成形

學(xué)者們進(jìn)行了鋁合金壁板多點(diǎn)成形的有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究,探討工藝參數(shù)等對(duì)壁板的成形的回彈、失穩(wěn)和裂紋等影響規(guī)律[45-50]。李靖采用Abaqus軟件模擬研究了單曲率及雙曲率7B04-T7451鋁合金I型筋條整體壁板的多點(diǎn)壓彎成形的金屬變形規(guī)律,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析探討了壓彎半徑、多點(diǎn)沖頭排布及尺寸、筋條高厚比、筋條分布形態(tài)以及填料等參數(shù)對(duì)鋁合金壁板的筋條失穩(wěn)的影響規(guī)律。結(jié)果表明,壓彎半徑越小,筋條越容易失穩(wěn);高厚比越大,越容易起皺;成形道次越少,越容易產(chǎn)生失穩(wěn)[45]。

岳韜采用Abaqus軟件模擬研究7B04-T7451鋁合金整體壁板的多點(diǎn)對(duì)壓成形、銑削去除應(yīng)力以及回彈過(guò)程,實(shí)驗(yàn)與模擬研究的雙曲率多點(diǎn)對(duì)壓的回彈誤差小于10%;分析了材料厚度、沖頭尺寸和整體壁板結(jié)構(gòu)等對(duì)壁板的多點(diǎn)對(duì)壓以及銑削的回彈量的影響規(guī)律[46]。

Liu等人采用YAM1-200多點(diǎn)成形設(shè)備完成了7B04-T7451鋁合金帶I-型筋條的整體壁板的多點(diǎn)壓彎成形。Liu等人模擬優(yōu)化了該鋁合金整體壁板的多點(diǎn)壓彎成形路徑,基于Cockcroft斷裂準(zhǔn)則,Liu等人采用Abaqus軟件模擬分析了多點(diǎn)壓彎成形7B04-T7451鋁合金I-型筋條的斷裂傾向[48-50]。

5 結(jié)束語(yǔ)

有色金屬整體壁板的成形技術(shù)各有特點(diǎn),壁板成形質(zhì)量以及工藝的影響因素多。今后可能的研發(fā)方向如下:

(1)建立完備的材料數(shù)據(jù)庫(kù),包括本構(gòu)方程、回彈、失穩(wěn)和斷裂準(zhǔn)則等。便于有限元模擬來(lái)預(yù)測(cè)或優(yōu)化整體壁板成形工藝參數(shù)和路徑等。

(2)建立全面的金屬壁板成形技術(shù)知識(shí)庫(kù),包含主要工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量如形狀、尺寸、表面質(zhì)量等的影響規(guī)律,便于成形高精度的壁板工件。

(3)拓展整體壁板的材料范圍,如鋁合金、鈦合金和鎂合金等;拓寬有色金屬壁板的應(yīng)用范圍,包括民用和軍用。