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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) Sout hampton大學(xué) [4]、Alcan鋁業(yè)公司與法國(guó)達(dá)索航空公司 [5]分別研制了 Al2Cu2Mg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” [6]中專門設(shè)置了時(shí)效成形的跨國(guó)聯(lián)合研究項(xiàng)目 ,主要開發(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 ,并研究開發(fā)相應(yīng)的時(shí)效成形鋁合金。周賢賓等 [728]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、性能。而文獻(xiàn) [ 11 ]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) [12 ]研究表明重固溶后再經(jīng)低溫 2高溫 2低溫 (L HL)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。
11 2 振動(dòng)時(shí)效成形工藝
振動(dòng)時(shí)效技術(shù) ( Vibratory Stress Relief Method ,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 ,盡管宏觀上沒有達(dá)到屈服極限 ,但仍會(huì)產(chǎn)生微
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[ 13 ]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。
11 3 應(yīng)力位向效應(yīng)在時(shí)效成形工藝的應(yīng)用
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)象被稱為應(yīng)力位向效應(yīng)。 Zhu等[14216 ]研究了 Al2xCu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蚺帕小?Bakavos等[ 17 ]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[ 18222 ]在研究 Al231 88Cu (析出相為 θ′)及 Al231 87Cu201 56Mg201 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 Al2Cu2Xi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)。
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與氣壓時(shí)間曲線如圖 2所示。向尺寸相對(duì)穩(wěn)定 ,一般保持在 4m以內(nèi) ;③厚度變化比較大 ,厚度從 2 mm到 30 mm不等 ,加上加強(qiáng)筋的高度 ,一般不超過(guò) 60 mm;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) 33 m,寬達(dá) 21 8 m,厚度從 3 mm到 28 mm[3]。
圖 1 壁板時(shí)效成形工藝流程圖 Fig11 Stress relaxation age forming process of aircraft wing panel
圖 3 A380機(jī)翼壁板 Fig13 A wing panel of A380
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
圖 2 壁板時(shí)效成形中熱壓罐內(nèi)溫度時(shí)間曲線和氣壓時(shí)間曲線 Fig1 2 Temperature2time and air pressure2time relation curves of the forming process in the clave
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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
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 ,則型面控制成形工裝設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、主要工藝參數(shù)以及修正模具柔性化具有如下重要優(yōu)點(diǎn) :①有利于成形模具的型面繼續(xù)進(jìn)行模擬 ,最終 ,模擬成形出合格的壁
思想。目前 ,一般采用卡板式型面控制成形工裝 ,如圖 4所示 [13 ]。卡板式型面控制成形工裝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)。
圖 4 型面控制成形工裝示意圖 Fig14 Schematic diagram of tools for surface shape control
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 [ 23 ]。
3 時(shí)效成形的回彈預(yù)測(cè)
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 %[2]。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于所提供的壁板材料的蠕變、應(yīng)力松弛的本構(gòu)方程。
31 1 材料蠕變、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。
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