，，

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

鋁合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度，是飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料，所用鋁合金件的質(zhì)量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的60%～80%[1]。2A12鋁合金(化學(xué)成分近似于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的2024鋁合金)具有良好的塑性成形性能和機(jī)械加工性能，且其密度低、強(qiáng)度高，因此在航空制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]：主要用于制造飛機(jī)上的受力構(gòu)件，如機(jī)翼下壁板、機(jī)身蒙皮、隔框、翼肋等[2]。

鋁合金制品大部分都需要經(jīng)過(guò)淬火、時(shí)效處理后才可以應(yīng)用，制品在淬火后會(huì)發(fā)生變形，因此需進(jìn)行校形。淬火后的制品在自然時(shí)效一段時(shí)間后，仍具備近似淬火狀態(tài)的優(yōu)良塑性。鋁合金板料在結(jié)束淬火處理后的一段時(shí)間里所處的尚未發(fā)生或完成時(shí)效硬化的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為新淬火狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，通常在鋁合金板料處于淬火狀態(tài)下進(jìn)行校形和加工。掌握板料在各種狀態(tài)下的成形性能，有利于對(duì)其進(jìn)行加工成形和有限元仿真模擬。目前，有關(guān)新淬火狀態(tài)下板料的成形性能及相關(guān)信息較少，在成形及有限元仿真模擬時(shí)均采用退火狀態(tài)下的工藝參數(shù)和成形極限來(lái)替代新淬火狀態(tài)下的，結(jié)果誤差較大。

由成形極限圖(FLD)能得到變形時(shí)板料在平面內(nèi)的兩個(gè)主應(yīng)變聯(lián)合作用下，某一區(qū)域發(fā)生破裂或頸縮時(shí)的最大應(yīng)變。現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中普遍采用的是由KEELER等[3]和GOODWIN[4]提出的以極限應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的成形極限圖，這些成形極限圖為評(píng)價(jià)板料的成形性能以及處理板料成形中的問(wèn)題提供了技術(shù)基礎(chǔ)和判斷依據(jù)。目前，我國(guó)研究人員已對(duì)鋁合金、鋼、高溫合金板料的成形性能進(jìn)行了研究并取得了一定的成果[5-8]，例如對(duì)新淬火狀態(tài)的2D12變形鋁合金板料進(jìn)行了成形極限試驗(yàn)和有限元分析[9-10]；對(duì)不同溫度7075-T6鋁合金進(jìn)行了成形極限試驗(yàn)研究，并得到了溫度對(duì)鋁合金成形性能的影響規(guī)律[11]；從控制塑性變形能的角度，建立了板料的成形極限預(yù)測(cè)判據(jù)[12]。

然而，相關(guān)手冊(cè)資料中有關(guān)2A12鋁合金的工藝數(shù)據(jù)僅局限于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，且數(shù)據(jù)大多是在退火狀態(tài)下測(cè)得的。為此，作者研究了新淬火狀態(tài)2A12鋁合金的成形極限。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司提供的自然時(shí)效狀態(tài)下的2A12鋁合金板，厚度為1.0 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 2A12鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 2A12 aluminum alloy (mass) %

根據(jù)GB/T 15825.8-2008，采用改變?cè)嚇訉挾取r(shí)效時(shí)間和潤(rùn)滑條件的方法進(jìn)行脹形試驗(yàn)，繪制成形極限圖，試驗(yàn)步驟如下。

在數(shù)控銑床上沿軋制方向加工出如圖1所示的試樣，用粗、細(xì)砂紙打磨邊緣，保證過(guò)渡圓角處光滑、無(wú)毛刺。試樣的截面形狀有兩種，一種為中部稍窄、兩端稍寬的階梯形，另一種為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形試樣的寬度b分別為100，120，140，160，180 mm。

圖1 試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shapes and size of specimens

將不同形狀的試樣在溫度為(497±3) ℃的硝鹽槽中進(jìn)行淬火處理，保溫25 min，用溫度不高于30 ℃的水冷卻。冷透后的試樣在40～50 ℃的熱水槽中清洗，再在(100±5) ℃的試片爐中保溫(120±10) min，空冷。所有試樣進(jìn)行校形處理后，置于-17 ℃冷藏箱內(nèi)恒溫保存。

將試樣從冷藏箱中取出，用專用鋁合金電解液通電腐蝕20 s，從而在試樣表面印制出直徑為5 mm的網(wǎng)格圓。試樣在室溫下分別自然時(shí)效10，20，30 min后，在Servo-Press 150型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上采用LDH凸模進(jìn)行脹形，凸模外徑為100 mm，運(yùn)動(dòng)速度為1.5 mm·s-1；潤(rùn)滑方式分別為聚乙烯薄膜固體潤(rùn)滑，油液體潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑；成形過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制操作，試樣發(fā)生破裂或產(chǎn)生頸縮時(shí)設(shè)備自動(dòng)停止。

圖2 網(wǎng)格圓的3種變形方式Fig.2 Three deformation modes of the grid circle

在脹形之后網(wǎng)格圓主要發(fā)生3種變形，如圖2所示，圖中d0為初始網(wǎng)格圓的直徑，5 mm；d1，d2分別為變形后網(wǎng)格圓的長(zhǎng)軸和短軸。在每個(gè)試樣破裂區(qū)的周圍選取3個(gè)完整的、變形程度較大的網(wǎng)格圓，使用Vispec影像測(cè)量?jī)x測(cè)量網(wǎng)格圓的長(zhǎng)軸和短軸，計(jì)算試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變，計(jì)算公式為

ε1=ln(d1/d0)×100%

(1)

ε2=ln(d2/d0)×100%

(2)

式中：ε1為沿長(zhǎng)軸方向的表面真實(shí)極限主應(yīng)變；ε2為沿短軸方向的表面真實(shí)極限次應(yīng)變。

以ε1為橫坐標(biāo)，ε2為縱坐標(biāo)，繪制得到成形極限圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

由圖3可知：在相同時(shí)效時(shí)間下，固體和液體潤(rùn)滑條件下試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象比無(wú)潤(rùn)滑條件下的明顯；在相同潤(rùn)滑條件下，時(shí)效時(shí)間短的試樣的破裂或頸縮現(xiàn)象更明顯。

圖3 時(shí)效不同時(shí)間試樣在不同潤(rùn)滑方式下脹形后的宏觀形貌Fig.3 Appearance of specimens aged for different time intervals after bulging with different lubrication methods

圖5 時(shí)效不同時(shí)間后試樣的成形極限圖Fig.5 Forming limit diagrams of specimens aged for different time intervals

2.2 成形極限圖

在成形過(guò)程中，金屬薄板在達(dá)到分散性失穩(wěn)后，會(huì)持續(xù)一段時(shí)間的塑性變形，再發(fā)生集中性失穩(wěn)[13-14]。因此，可根據(jù)網(wǎng)格的分布將在一定條件下得到的成形極限圖分為安全區(qū)、臨界區(qū)和破裂區(qū)等3個(gè)區(qū)域。

作者采集了試樣破裂處附近(如圖4所示)應(yīng)變最大的網(wǎng)格圓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)，計(jì)算得到試樣的表面真實(shí)極限應(yīng)變，繪制成成形極限圖，如圖5所示。圖5中由真實(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)成的條帶形區(qū)域?yàn)榕R界區(qū)，條帶形區(qū)域外上方為破裂區(qū)，下方為安全區(qū)。

圖4 臨界網(wǎng)格圓的選取Fig.4 Selection of critical mesh circles

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8,11,15]，對(duì)新淬火狀態(tài)2A12鋁合金成形極限圖中的左半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，右半部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行二次函數(shù)擬合，擬合公式分別為

ε1=F0+aε2

(3)

(4)

式中：F0為成形極限圖中上部分曲線的最高點(diǎn)；F1為成形極限圖中下部分曲線的最低點(diǎn)；a，b為系數(shù)。

式(3)和式(4)體現(xiàn)了板料成形過(guò)程中的平面應(yīng)變狀態(tài)，擬合得到的曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出：ε1始終為正值，即試樣縱向始終為拉伸狀態(tài)，ε2由負(fù)值逐漸變?yōu)檎?，說(shuō)明試樣橫向由單向拉伸逐漸過(guò)渡到雙向拉伸狀態(tài)；隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的成形極限曲線保持形狀不變但向下移動(dòng)，說(shuō)明試樣的塑性逐漸降低，安全區(qū)越來(lái)越小。板料的加工成形應(yīng)在安全區(qū)內(nèi)進(jìn)行。淬火2A12鋁合金自然時(shí)效10 min時(shí)的塑性較好，因此其成形加工前的自然時(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)自然時(shí)效不同時(shí)間后得到的新淬火狀態(tài)2A12鋁合金在不同潤(rùn)滑條件下進(jìn)行脹形試驗(yàn)，得到不同時(shí)效時(shí)間下的成形極限圖；在脹形過(guò)程中試樣縱向始終為拉伸狀態(tài)，橫向則由單向拉伸逐漸過(guò)渡到雙向拉伸狀態(tài)。

(2) 隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的成形極限曲線形狀基本保持不變，但曲線向下移動(dòng)，說(shuō)明試樣的塑性逐漸降低，成形安全區(qū)變小。

(3) 試樣經(jīng)自然時(shí)效10 min時(shí)仍具有良好的成形性能，成形加工前的自然時(shí)效時(shí)間應(yīng)控制在10 min以內(nèi)。

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