劉大海，謝永鑫，黎俊初，宗崇文

(南昌航空大學航空制造工程學院， 南昌 330063)

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7075鋁合金蠕變時效成形工藝參數(shù)對回彈的影響

劉大海，謝永鑫，黎俊初，宗崇文

(南昌航空大學航空制造工程學院， 南昌 330063)

摘要：對7075鋁合金進行了蠕變時效成形試驗，通過正交試驗分析了時效溫度、保溫時間和模具半徑等工藝參數(shù)對該鋁合金蠕變時效成形后回彈的影響。結果表明：蠕變時效成形工藝參數(shù)對回彈的影響程度由大到小的順序為時效溫度、保溫時間、模具半徑；當時效溫度為190 ℃、保溫時間為15 h、模具半徑為300 mm時，7075鋁合金成形效率最高，回彈率最小，為29.43%；在其它工藝參數(shù)一定時，回彈率隨時效溫度的升高而降低，隨保溫時間的延長先快速下降然后逐漸趨于穩(wěn)定。

關鍵詞：蠕變時效成形；7075鋁合金；正交試驗；回彈率

0引言

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，對飛機結構的氣動性和整體性的要求也越來越高。整體壁板作為現(xiàn)代飛機上最重要的一類零件，既是構成飛機氣動外形的重要部分，也是機翼、機身等的主要承力構件[1]。由于整體壁板特殊和復雜的結構，傳統(tǒng)加工方法很難實現(xiàn)其有效成形，目前，較多地借助噴丸成形來實現(xiàn)。但噴丸成形的零件會因不均勻變形引起的內部殘余應力的釋放而造成外形變化，尺寸不穩(wěn)定[2]。蠕變時效成形(CAF)是于20世紀50年代初期，為解決鋁合金整體壁板成形問題而提出的一種新型成形技術，它具有零件殘余應力小、工藝可重復性好、成形精度高和能夠提高可時效鋁合金的抗疲勞性能等優(yōu)點,近些年得到了快速發(fā)展[3-4]。

CAF技術是利用金屬的蠕變特性，將成形與時效熱處理同步進行的一種成形方法[4]。它在一次成形中可以得到非常接近要求的形狀，且如果模具型面預先考慮了回彈，則可以一次完成成形，得到合格的產品。目前，CAF主要用于飛機上翼面壁板成形，在Gulf-stream GIV、B-1B、A330/340、Hawk、A380等機型上均有成功應用[5]。

然而，CAF技術在國內尚處于試驗研究階段，在飛機壁板制造中的實際應用尚未見報道。為了實現(xiàn)其工程化應用，必須掌握各種工藝條件下的成形規(guī)律。蔣建輝等[6]研究了單級時效7056鋁合金的顯微組織與性能，發(fā)現(xiàn)7056鋁合金有著極快的時效響應速度，在105，120，135，150 ℃時效溫度下，合金峰時效的析出相都以η′相為主，時效溫度的變化并沒有引起峰值硬度的明顯改變，但會顯著加快析出相的析出過程；湛利華等[7]研究了2124鋁合金在蠕變時效成形過程中的回彈量，發(fā)現(xiàn)在相同的試驗條件下，純彎曲的回彈量要比橫力彎曲的大，并驗證了回彈量預測模型的可靠性等。CAF在卸載過程中零件的回彈問題是影響制件成形質量的關鍵，掌握不同工藝參數(shù)對零件回彈的影響、探討其回彈控制手段和模具型面補償技術對促進該技術的工程化應用具有重要意義。為此，作者以航空用可時效強化型7075鋁合金為研究對象，使用深度相同、曲率半徑可更換的機械加載模具工裝，通過不同時效成形工藝進行了CAF試驗，分析了時效溫度和保溫時間對試樣成形后回彈的影響規(guī)律；利用正交試驗設計，獲得了時效溫度、保溫時間和模具半徑對試樣回彈的影響程度并建立了工藝參數(shù)與回彈關系的回歸方程，為該合金CAF工藝參數(shù)的優(yōu)化以及回彈預測提供參考。

1試樣制備與試驗方法

試驗材料為航空用7075鋁合金，經T6工藝處理，其屈服強度和抗拉強度分別為504 MPa和578 MPa，伸長率為12.8%，化學成分見表1。

表1　7075鋁合金化學成分 (質量分數(shù))Tab.1　Chemical composition of 7075 aluminumalloy (mass)　%

7075鋁合金矩形板尺寸為200 mm×120 mm×2.03 mm，采用自制的機械加載模具工裝進行單曲率彎曲成形，加載設備如圖1所示。模具半徑為800 mm，其凹模撓度為6.27 mm，加載面外形與試樣尺寸一致,加載方式為螺釘緊固式的機械加載，且加載載荷在材料彈性范圍內。單曲率彎曲成形后將其整體放入101-1型電熱鼓風干燥箱進行機械加載下的蠕變時效處理，加熱設備控溫器靈敏度±1 ℃，誤差在±2 ℃內。蠕變時效工藝參數(shù)分別為：當保溫時間為4 h，時效溫度分別為120，140，160，180，200，220 ℃；當時效溫度為180 ℃，保溫時間分別為4，8，12，16，20，24 h。

圖1　蠕變時效成形機械加載模具工裝Fig.1　Mechanical loading setup for creep age forming

采用正交試驗方法來確定主要工藝參數(shù)對試樣回彈的影響程度。經初步試驗分析，確定試驗的主要影響因素為時效溫度、保溫時間和模具半徑。每個試驗因素取3個水平，不考慮因素的交互作用，采用L9(34)正交表設計3因素3水平正交試驗，共9組試驗[9],具體因素水平見表2。

表2　正交試驗因素水平Tab.2　Factor levels for orthogonal experiment

試樣經CAF后會發(fā)生回彈，使成形后試樣的實際曲率半徑Rf與試樣初始曲率半徑R0(即模具的曲率半徑)不同，如圖2所示。

圖2　回彈過程示意Fig.2　Schematic of springback process

根據弓高弦長法，Rf的計算公式如下：

(1)

式中：h為試樣回彈后的拱高，即試樣中間標記點到平板狀態(tài)的距離；L為試樣回彈后的弦長。

半徑法定義[6]的回彈率SP(R)(回彈百分比)計算公式為：

(2)

采用三坐標測量儀測量了成形后試樣的弦長L和拱高h，根據式(1)計算得到Rf，進而由式(2)可以得到回彈率SP(R)。

2試驗結果與討論

2.1　正交試驗結果

利用正交試驗中的極差分析方法，將工藝參數(shù)對試樣回彈的影響進行了分析。

由表3中算術平均值(ki)可以看出，最優(yōu)的工藝參數(shù)為：時效溫度190 ℃、保溫時間15 h、模具半徑300 mm，且經過進一步試驗驗證可知此時試樣成形效率最高，回彈率最小，為29.43%;由極差R可知，時效溫度對試樣回彈的影響最大，保溫時間的影響次之，模具半徑的影響較小。

表3　正交試驗結果Tab.3　Results of the orthogonal experiment

考慮應力、蠕變時間和溫度的蠕變模型可以根據修正的Garofalo關系式[10]進行描述：

(3)

彎曲時試樣內部距中性層距離y處所受應力σ大小為：

(4)

式中：E為彈性模量；R為彎曲半徑。

由式(3)和式(4)可知，試樣彎曲半徑越大，板內整體應力水平則越小，故蠕變速率越小，相應的回彈量就越大。根據式(3)可知，對于恒定應力蠕變，溫度越高則蠕變速率越大，但由于材料內部應力σ在CAF過程中逐漸減小，因而蠕變速率會隨著時間的延長而逐漸降低[11]。

2.2　時效工藝參數(shù)對回彈的影響

2.2.1時效溫度對回彈的影響

由圖3可知，回彈率隨時效溫度的升高而顯著降低。當時效溫度低于180 ℃時，回彈率下降趨勢比較平緩；時效溫度在180～220 ℃時，回彈率降低速率加快，曲線形狀基本為直線。位錯產生的滑移和攀移宏觀上反映了材料的塑性變形情況，且時效成形過程中的應力松弛現(xiàn)象是金屬在高溫下表現(xiàn)出的粘彈性特性[12-13]。金屬材料在常溫下一般不會發(fā)生蠕變或應力松弛，當溫度升高時，鋁合金粘彈性特性才會變得明顯。因此在相同應力條件下，溫度越高基體內部的滑移、攀移等微觀運動更為劇烈，最終使材料的成形效率提高，回彈率減小。

根據試驗所得數(shù)據進行一元線性回歸分析，得到回彈率與時效溫度的回歸方程：

(5)

式中：T為時效溫度。

通過式(5)繪制了回彈率與時效溫度擬合曲線，當保溫時間和模具半徑一定時，回彈率與時效溫度存在線性關系。

圖3　回彈率-時效溫度曲線Fig.3　Springback rate-aging temperature curves

2.2.2保溫時間對回彈的影響

由圖4可知，當保溫時間小于12h時，回彈率快速降低；保溫時間在12～24h時，回彈率下降緩慢，到24h后回彈率逐漸趨近于一個穩(wěn)定值?；貜椔孰S時效時間變化曲線接近于材料的應力松弛曲線。導致此現(xiàn)象的原因是因為在鋁合金蠕變時效成形過程中，初始彈性應變隨著保溫時間的延長逐漸轉化為塑性應變，其回彈量的大小取決于CAF結束后剩余的彈性應變，而剩余彈性應變在開始階段下降速度較快并隨保溫時間的延長漸漸減小。而在恒定時效溫度和應力的綜合作用下，不可運動位錯的數(shù)目會越來越多，空位密度下降，最終造成位錯組態(tài)趨于穩(wěn)定，應力松弛過程逐漸平衡，表現(xiàn)為材料回彈率漸漸趨于穩(wěn)定[14]。

圖4　回彈率-保溫時間曲線Fig.4　Springback rate-aging time curve

當時效溫度和模具半徑一定時，回彈率與保溫時間t呈非線性關系，進行非線性回歸分析可以得到回彈率與保溫時間對數(shù)的回歸方程：

(6)

根據式(6)擬合及試驗得到的保溫時間對數(shù)和回彈率曲線見圖5,可知試驗曲線與擬合曲線基本相符。

圖5　保溫時間對回彈率的影響Fig.5　Effect of creep aging time on springback rate

2.3　正交試驗回歸分析

為獲得各試驗因素與回彈率之間的關系，對正交試驗回彈率結果進行回歸分析，回歸方程如下：

(7)

將9組正交試驗工藝參數(shù)的值輸入到式(7)，計算得到各工藝參數(shù)下的回彈率，并與試驗值進行比較，如圖6所示。從圖6中可以看到，基于正交試驗結果建立的回歸方程回歸值與試驗值基本相符，且偏差不超過6%。

圖6　回彈率試驗值與計算值對比Fig.6　Comparison of calculated springback rateswith the experimental values

3結論

(1)CAF工藝參數(shù)對7075鋁合金回彈的影響程度由大到小的順序為時效溫度、保溫時間、模具半徑；當時效溫度為190 ℃、保溫時間為15h、模具半徑為300mm時，成形效率最高，回彈率最小，為29.43%。

(2) 當保溫時間和模具半徑一定時，回彈率隨時效溫度的升高逐漸降低，并呈線性關系；當時效溫度和模具半徑一定時，回彈率隨保溫時間延長先快速下降然后逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) 回彈率回歸方程可以對CAF后7075鋁合金的回彈行為進行較為合理的預測。

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Influences of Process Parameters on Springback of 7075 Aluminum Alloy

During Creep Age Forming

LIU Da-hai, XIE Yong-xin, LI Jun-chu, ZONG Chong-wen

(School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

Abstract:The creep age forming experiment of 7075 aluminum alloy was conducted, and the influences of aging temperature, aging time and die surface radius on springback of the aluminum alloy after creep age forming were analyzed by orthogonal experiments. The results show that the creep age forming parameters listed in descending order of effect on the springback was aging temperature, aging time and die surface radius. With the aging temperature of 190 ℃, aging time of 15 h, and die surface radius of 300 mm, the best forming efficiency was obtained, and the springback rate reached the minimum value of 29.43%. With the other process parameters constant, the springback rate decreased with the increase of aging temperature and first decreased rapidly then tended to be stable with the increase of aging time.

Key words:creep age forming; 7075 aluminum alloy; orthogonal experiment; springback rate

基金項目：湖北省自然科學基金資助項目(2014CFB627)；湖北省教育廳科學技術重點項目(D20141801)

作者簡介：劉繼雄(1983-)，男，湖北孝感人，工程師，博士。 王天國(1978-)，男，湖北十堰人，副教授，博士。

收稿日期:2015-01-21； 2015-01-07；

修訂日期:2015-10-08 2015-09-22

DOI:10.11973/jxgccl201512017 10.11973/jxgccl201512003

中圖分類號：TG306

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)12-0005-04