淬火入水及冷變形方式對大型鋁合金緣條鍛件殘余應(yīng)力演化影響研究

滕樹滿,尹 慧,滕海灝

(1.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司,廣西 柳州 545002;2.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川 德陽 618000;3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400044)

緣條是連接客機(jī)機(jī)翼和中央翼盒的重要結(jié)構(gòu)件,其尺寸穩(wěn)定性對后續(xù)客機(jī)裝配意義重大[1]。在生產(chǎn)中,鋁合金緣條鍛件需固溶淬火處理,以實(shí)現(xiàn)鍛件的斷裂韌性提升[2]。然而對于大型緣條鍛件,弧度大,投影面積大,在淬火過程中易因溫度梯度分布不均產(chǎn)生殘余應(yīng)力,導(dǎo)致鍛件尺寸變形。為消除殘余應(yīng)力,可在緣條鍛件淬火后、機(jī)械加工前對其施加一冷變形量,其原理如圖1所示[3]。因此,優(yōu)化淬火工藝并設(shè)計(jì)合理的冷壓工藝,對緣條鍛件的熱處理殘余應(yīng)力消除及尺寸穩(wěn)定性的保證意義重大。

圖1 冷壓消除殘余應(yīng)力原理圖Fig.1 Cold pressing residual stress relief schematic

對鍛件淬火及冷壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬已成為研究殘余應(yīng)力演化的最有效的途徑之一。如翟瑞志等基于熱力學(xué)及有限元模擬研究了冷壓變形工藝對大型自由鍛件殘余應(yīng)力的消除作用規(guī)律[4],吳道祥等基于forge平臺研究了冷壓工藝對于H形鍛件殘余應(yīng)力消除的影響規(guī)律[5]。然而,上述研究均忽略了鍛件入水過程及入水方式進(jìn)行對鍛件殘余應(yīng)力分布的影響,導(dǎo)致殘余應(yīng)力與實(shí)際值產(chǎn)生偏差,影響后續(xù)的冷壓工藝設(shè)計(jì)。

因此,本文將以某型緣條為研究載體,采用數(shù)值模擬的方式研究了不同淬火方式對殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律,并同實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合,深入討論了不同冷壓方式及工藝參數(shù)設(shè)計(jì)對緣條殘余應(yīng)力消減的效果,以期為大型緣條鍛件穩(wěn)定化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 緣條外廓模型及分析

本文所模擬的7050鋁合金緣條鍛件結(jié)構(gòu)如圖2所示,鍛件最大外廓尺寸3 000 mm×400 mm×80 mm,整體尺寸較大成形抗力較大。鍛件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的上下不對稱性,上端為窄筋條結(jié)構(gòu),下端為薄腹板結(jié)構(gòu)。鍛件于腹板中部采用異形分模,拔模斜度設(shè)置為7°。將鍛件的三維數(shù)模導(dǎo)入成形模擬軟件并進(jìn)行彈塑性有限元網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格目標(biāo)為250 000。

圖2 大型鋁合金緣條鍛件及典型尺寸Fig.2 Large aluminum alloy edge strip forgings and typical dimensions

1.2 固溶淬火過程計(jì)算方法

在固溶、淬火處理中,鍛件表面與介質(zhì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo),使鍛件的整體溫度場發(fā)生改變。該過程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,可如(1)式所示進(jìn)行溫度場的計(jì)算[6]:

(1)

式中,ρ、c、t和T分別為7050鋁合金的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)時(shí)間及表面溫度,λ為熱傳導(dǎo)系數(shù),相關(guān)數(shù)據(jù)可由文獻(xiàn)[7]獲取。在本研究中,鋁合金鍛件與介質(zhì)的換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度是已知,故采用第三類邊界條件,如式(2)所示:

(2)

式中,τ為鋁合金與介質(zhì)的換熱邊界,h為鋁合金表面與不同介質(zhì)的換熱系數(shù),Ts和Tq分別為鍛件表面溫度和介質(zhì)溫度。在模擬時(shí)緣條鍛件與空氣的換熱系數(shù)設(shè)定為0.02 W/(m2·k),淬火液采用60 ℃的氯化鈉溶液,鋁合金在不同溫度下與其的換熱系數(shù)見表1。鋁合金7050緣條鍛件首先被加熱至固溶溫度477 ℃[8],隨后以圖3所示的不同姿態(tài)進(jìn)入熱處理爐2 m下方的熱處理池內(nèi)進(jìn)行淬火冷卻處理,直至鍛件完全冷卻。

表1 7050鋁合金與氯化鈉溶液在不同溫度下的換熱系數(shù)

圖3 緣條鍛件入水方式示意圖Fig.3 Water entry mode diagram of edge strip forgings

1.3 鍛件冷壓過程計(jì)算方法

對淬火后的緣條施加一定程度的塑性變形可以有效降低鍛件的殘余應(yīng)力。根據(jù)鍛件的受力狀態(tài),可將冷壓工藝劃分為T7452(對鍛件施加冷壓下量消除殘余應(yīng)力)及T7454(對鍛件施加拉壓結(jié)合的整形)工藝兩大類。而根據(jù)壓下部位的不同,又可將T7452工藝進(jìn)行細(xì)分,如圖4所示。本文研究了不同冷壓工藝的消殘效果,設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的冷壓模具,討論了鍛件在冷壓前后的殘余應(yīng)力演化規(guī)律,以期為冷壓工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖4 不同冷變形方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of different cold deformation modes

利用DEFORM-3D平臺,進(jìn)行緣條的彈塑性模擬。根據(jù)之前的研究,1%～5%的冷變形量可以較好的消除殘余應(yīng)力。因此,本文選取中間值3%,即壓下高度4.5 mm為冷壓變形量進(jìn)行模擬。冷壓模擬過程的其余參數(shù)設(shè)置見表2。值得注意的是,為降低載荷及卸載后的回彈,在冷壓過程中應(yīng)選擇較小的壓下速度。此外,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,還討論了加載方式對殘余應(yīng)力演化的影響。

表2 冷變形有限元參數(shù)設(shè)置

2 模擬結(jié)果與分析討論

2.1 入水方式對殘余應(yīng)力的影響

入水方式影響鍛件完全浸沒至冷卻液中的時(shí)間,進(jìn)而影響鍛件淬火過程的溫度場與應(yīng)力場。選取了鍛件長度方向1/2處內(nèi)外3點(diǎn)作為測量點(diǎn)進(jìn)行比較,如圖5所示。

(a)取樣位置;(b)方式1;(c)方式2;(d)方式3圖5 緣條鍛件入水過程的溫度分布Fig.5 Temperature distribution of edge strip forgings during water entry

曲線變化程度表明,入水前緣條各部位溫度只有小幅度下降,而當(dāng)鍛件與水接觸后溫度快速下降。三種方式下鍛件分別需要0.4 s、0.4 s及0.9 s完全浸入冷卻液中,完全入水時(shí)鍛件的溫度分布直方圖如圖5所示。結(jié)果表明,入水方式將會對鍛件溫度場造成顯著影響,縮短轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間能有效降低鍛件內(nèi)外的溫度梯度分布差異。方式1鍛件入水時(shí),筋條處與水的熱交換面積相對腹板更小,完全入水前的熱量散失少溫度差異降低。完全入水后,三種方式還需花費(fèi)約70 s完全冷卻。

圖6所示為不同入水方式下的殘余應(yīng)力場分布。根據(jù)云圖可知,三種入水方式下緣條的應(yīng)力情況接近,均呈現(xiàn)“內(nèi)拉外壓”的狀態(tài)。這是因?yàn)樵诖慊饡r(shí)緣條表面先發(fā)生降溫形成收縮,對心部金屬有促進(jìn)體積減少的作用進(jìn)而形成壓應(yīng)力;而在鋁合金內(nèi)部淬火過程中溫降較慢,能抵抗外部壓縮應(yīng)力帶來的體積減小,最終形成壓應(yīng)力。采用等效應(yīng)力均值作為評價(jià)殘余應(yīng)力大小的指標(biāo),如圖6(d)所示。結(jié)果表明,采用筋條先入水的方式(方式1)可以在一定程度上降低熱處理殘余應(yīng)力,而方式3將帶來最大的殘余應(yīng)力。這與圖5所示的溫度場分布差異規(guī)律相同。因此,對于大型緣條鍛件,采用筋條先入水的方式,盡可能縮短浸沒過程所需時(shí)間將有助于降低淬火殘余應(yīng)力,提升鍛件的尺寸穩(wěn)定性。

(a)方式1;(b)方式2;(c)方式3;(d)比較圖6 不同入水方式下殘余應(yīng)力分布云圖及對照Fig.6 Residual stress distribution and comparison under different water inlet methods

2.2 冷壓方式對殘余應(yīng)力的影響

圖7所示為緣條截面在不同冷變形前后的應(yīng)力場分布。根據(jù)云圖可知,經(jīng)冷變形并卸載后鍛件的殘余應(yīng)力均得到了一定程度的消除。冷壓后鍛件內(nèi)部的應(yīng)力均分布于0～100MPa,鍛件與模具的接觸面積越大,冷變形后殘余應(yīng)力消減越明顯。不同冷壓方式所需的最大載荷也不同,T7454的成形載荷為7.77×108N,T7452復(fù)合變形的成形載荷為5.85×108N,T7452只壓筋條的成形載荷為2.26×108N,T7452只壓腹板的成形載荷為3.77×108N。結(jié)果表明,相較于T7452工藝,采用鋁合金T7454進(jìn)行殘余應(yīng)力消除將顯著增大成形載荷。這是因?yàn)樵诶渥冃螚l件下材料的變形抗力相對恒定,采用T7454將增大鍛件與模具的接觸面積,進(jìn)而增大成形載荷。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,在考慮殘余應(yīng)力消減效果時(shí),還應(yīng)根據(jù)設(shè)備成形能力選擇合適的變形工藝。

圖7 不同工藝變形后下鍛件應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution of forging under different process

在實(shí)際生產(chǎn)中,加載方式也可能對鍛件的殘余應(yīng)力演化造成影響。為了研究加載方式對T7454工藝的影響,對鍛件施加了不同加載方式的冷變形(圖8(a)),比較了各方案冷壓后殘余應(yīng)力的大小及均勻性(圖8(b))。結(jié)果表明,相較于變速加載,采用恒定速率加載消殘效果更好,且卸載后應(yīng)力區(qū)域分布差異方差值最低。這是因?yàn)椴捎米兯偌虞d時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的變形程度不同,亦可能導(dǎo)致不均勻變形引發(fā)殘余應(yīng)力。而過低的壓下速度也將弱化殘余應(yīng)力消減效果,這是因?yàn)樵诟邏合逻^低的壓制速率可能引發(fā)鋁合金的蠕變,導(dǎo)致不均勻變形帶來加工殘余應(yīng)力。因此大型鋁合金緣條鍛件的冷壓過程應(yīng)選擇適中的壓制速度進(jìn)行恒定加載,最大程度的消除殘余應(yīng)力,提高應(yīng)力場分布的均勻性從而保證鍛件尺寸的穩(wěn)定性。

(a)不同加載方式示意圖;(b)不同加載方式下鍛件最大主應(yīng)力均值及方差圖8 不同加載方式對T7454工藝的影響Fig.8 Effect of different loading modes for T7454 process

3 結(jié)論

(1)入水方式將顯著影響大型鋁合金緣條鍛件淬火過程中的溫度場分布,并對殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響,采用緣條筋頂先入水的方式可以降低鍛件溫度場分布差異并降低熱處理殘余應(yīng)力;

(2)相較于T7452工藝,對鋁合金緣條鍛件施加拉壓復(fù)合變形結(jié)合的T7454工藝可以最大程度的消除淬火殘余應(yīng)力;

(3)以0.2 mm/s的壓制速率進(jìn)行恒定加載可以最大程度且均勻地消除緣條鍛件殘余應(yīng)力,提升鍛件尺寸穩(wěn)定性。