葉陶勇

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金預(yù)拉伸板材因其性能優(yōu)異、機(jī)械加工或化銑后變形小甚至不變形被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、建筑和交通等領(lǐng)域[1]。但材料在加工中，特別是在軋制過程和熱處理淬火過程中，殘余應(yīng)力的釋放[2]需要在拉伸機(jī)上進(jìn)行，通過一定拉伸量使其發(fā)生塑性變形，同時(shí)讓板材沿厚度在軋制方向上的殘余應(yīng)力重新分布，并向減少板材殘余應(yīng)力的趨勢(shì)發(fā)展。因此，應(yīng)對(duì)板材殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理和消除方法進(jìn)行系統(tǒng)研究和論證。袁望姣[3]等研究了基于預(yù)拉伸工藝的鋁合金厚板殘余應(yīng)力消除機(jī)理，李利[4]研究了鋁合金板淬火殘余應(yīng)力的拉伸消除方法，梁軒[5]等對(duì)7075鋁合金預(yù)拉伸板在淬火中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，王志剛[6]研究了7075鋁合金板預(yù)拉伸夾持區(qū)預(yù)測(cè)方法。但在工業(yè)大生產(chǎn)中實(shí)際運(yùn)用拉伸機(jī)的拉伸來消除殘余應(yīng)力的技術(shù)沒有詳細(xì)的研究。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大多數(shù)選用拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸塑性變形來消除或減少鋁合金預(yù)拉伸板的殘余應(yīng)力。由于板材沿軋制方向的縱截面的各點(diǎn)拉伸率基本一致，因此本文僅對(duì)鋁合金預(yù)拉伸板在12 000 t拉伸機(jī)上發(fā)生塑性變形截面的拉伸率均勻性進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析和論證，為12 000 t拉伸機(jī)對(duì)板材殘余應(yīng)力影響的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。即通過對(duì)工藝進(jìn)行定量確定，最大限度地降低鋁合金預(yù)拉伸板材因原材料加工過程而導(dǎo)致的機(jī)加工變形概率。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

眾所周知，拉伸機(jī)在拉伸板材時(shí)易使板材產(chǎn)生塑性變形。在此過程中板材呈兩向壓縮、一向延伸的受力狀態(tài)，從宏觀結(jié)果上來講就是長(zhǎng)度變長(zhǎng)、寬度變窄和厚度減薄的變化現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)選取典型的7075-T651鋁合金預(yù)拉伸板作為本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象，且對(duì)選用的不同厚度、寬度但延伸率設(shè)定值一致的產(chǎn)品進(jìn)行劃線標(biāo)識(shí)，選取批次和規(guī)格如表1所示。

表1 選取批次和規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

拉伸前在板材上進(jìn)行精確劃線標(biāo)識(shí)，并在拉伸后逐個(gè)測(cè)量、記錄。以板材長(zhǎng)度中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行板材兩端對(duì)稱劃線標(biāo)識(shí)。劃線間距應(yīng)根據(jù)拉伸機(jī)拉伸延伸率規(guī)律因板材部位的不同而不同，一般為200～1 000 mm。實(shí)驗(yàn)劃線標(biāo)識(shí)如圖1所示。

圖1 板材劃線標(biāo)識(shí)示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)跟蹤

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物生產(chǎn)跟蹤和大量數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)拉伸完成后整個(gè)板材標(biāo)識(shí)線（對(duì)比線）有呈“（）”狀的趨勢(shì)，即從板材端頭向板材中心線看，標(biāo)識(shí)線由兩側(cè)向中部逐漸加大彎曲程度，彎曲方向指向鉗口區(qū)域且由板材兩端向中部彎。彎曲現(xiàn)象表明位移量逐漸減弱，到達(dá)板材中部區(qū)域時(shí)則基本無位移量，即證明此區(qū)域拉伸延伸率相對(duì)較均勻。

拉伸前對(duì)板材進(jìn)行定點(diǎn)、對(duì)稱劃線標(biāo)識(shí)然后再拉伸使其產(chǎn)生塑性變形，主要是測(cè)量劃線位置的偏移量即劃線位移量，以此論證拉伸后呈“（）”狀趨勢(shì)的正確性。如圖2所示，實(shí)線為拉伸前實(shí)物圖樣，虛線為拉伸后實(shí)線變化的實(shí)物圖樣。

圖2 拉伸后板材劃線變化示意圖

拉伸后對(duì)所有實(shí)驗(yàn)用鋁合金預(yù)拉伸板進(jìn)行實(shí)際延伸率測(cè)量（按長(zhǎng)、寬方向共取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)）和拉伸前后平直度測(cè)量，比較其拉伸前后的變化。圖3為實(shí)際延伸率測(cè)量點(diǎn)示意圖。

圖3 拉伸后板材實(shí)際延伸率測(cè)量點(diǎn)示意圖

板材厚度不同拉伸機(jī)鉗口夾持量也不同，當(dāng)板材厚度≥120 mm時(shí)，每端夾持長(zhǎng)度為滿夾即650 mm；當(dāng)80 mm≤板材厚度＜120 mm時(shí)，每端夾持長(zhǎng)度為400～450 mm；當(dāng)板材厚度＜80 mm時(shí)，每端夾持長(zhǎng)度為300～350 mm。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

根據(jù)各個(gè)板材劃線的位移量進(jìn)行測(cè)量和收集，可知位移量在板材寬度方向上呈對(duì)稱狀線性分布，越靠近中部位移量越小。因此選取在板材寬度方向上1/2處的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 位移量數(shù)據(jù)展示

在實(shí)際拉伸延伸率的測(cè)定上，采取“九點(diǎn)”測(cè)量法，即在板材的“頭、中、尾”固定對(duì)稱選擇測(cè)量點(diǎn)，以確保長(zhǎng)度方向和寬度方向的數(shù)據(jù)收集，如表3所示。

表3 實(shí)際延伸率數(shù)據(jù)展示

另外，對(duì)此次實(shí)驗(yàn)用鋁合金預(yù)拉伸板材于12 000 t拉伸機(jī)上拉伸前后的不平度也進(jìn)行了定點(diǎn)跟蹤測(cè)量，發(fā)現(xiàn)所有板材在12 000 t拉伸機(jī)上拉伸前后的不平度變化量均小于0.3 mm。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由表2、表3中的數(shù)據(jù)可以看出，在鋁合金預(yù)拉伸板長(zhǎng)度方向上固定位置進(jìn)行劃線標(biāo)識(shí)，然后在其它工藝不變且設(shè)定同等拉伸延伸率（每塊板材對(duì)應(yīng)設(shè)定一個(gè)延伸率）和不考慮設(shè)備精度誤差的情況下，各個(gè)規(guī)格的鋁合金預(yù)拉伸板材經(jīng)12 000 t拉伸機(jī)拉伸后，可知：

（1）劃線位移量均是由靠近鉗口向板材中部逐漸降低，直至為零。

（2）長(zhǎng)度方向上的延伸率由標(biāo)識(shí)線位移量和實(shí)際測(cè)量延伸率可知。越接近兩端鉗口，延伸率與設(shè)定值差值越大，當(dāng)距離鉗口500～800 mm后，整個(gè)板材延伸率基本一致。

（3）同理，寬度方向的延伸率在同一橫截面上顯示為兩側(cè)邊部往中部方向延伸率的差異越來越大，當(dāng)距離鉗口500～800 mm后，整個(gè)板材延伸率基本一致。

3 拉伸均勻性分析

拉伸是消除鋁合金厚板殘余應(yīng)力最有效的方法。研究發(fā)現(xiàn)，淬火后的板材殘余應(yīng)力呈現(xiàn)內(nèi)拉外壓的分布規(guī)律。淬火后的鋁合金厚板經(jīng)拉伸后，中間部分應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動(dòng)不大，而鉗口端的拉伸區(qū)域會(huì)出現(xiàn)很大的應(yīng)力。在拉伸過程中厚度上沿軋制方向上的應(yīng)力應(yīng)變也在發(fā)生變化。拉伸前內(nèi)層金屬受拉應(yīng)力，而表層金屬受壓應(yīng)力。在拉伸的起始階段，表層金屬所受壓應(yīng)力逐漸減小，一直到0 MPa后，又逐漸增大為拉應(yīng)力，內(nèi)層金屬是受拉應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)拉伸量超過一定量時(shí)，內(nèi)外層金屬同時(shí)受拉應(yīng)力。內(nèi)層金屬一直受拉應(yīng)力，應(yīng)力的變化幅度比外層的要小。內(nèi)層金屬先超過彈性極限進(jìn)入塑性變形。在拉伸過程中，鋁合金厚板產(chǎn)生彈塑性變形，當(dāng)預(yù)拉伸一定量后松開夾具，厚板會(huì)回彈，從而釋放彈性應(yīng)變，只留下塑性變形，在回彈過程中，應(yīng)力重新分布[3]。

鋁合金板材在經(jīng)拉伸機(jī)拉伸后，由于沿軋制方向上拉伸率的不均勻性，鉗口端的拉伸區(qū)域殘余應(yīng)力與中部殘余應(yīng)力分布不一致，前者未完全消除，而后者因中部拉伸率較為均勻且實(shí)際拉伸率與設(shè)定拉伸率基本一致，從而使板材中部的殘余應(yīng)力分布較為均勻。

4 結(jié)論

通過對(duì)12 000 t拉伸機(jī)拉伸后預(yù)拉伸板材的實(shí)際測(cè)量，研究了板材的長(zhǎng)度和寬度方向上延伸率的均勻性，得出如下結(jié)論。

（1）證明板材在拉伸過程中存在拉伸不均勻區(qū)域，且其不均勻性與板材長(zhǎng)度和寬度沒有絕對(duì)對(duì)應(yīng)關(guān)系；不均勻部位區(qū)域長(zhǎng)度只與板材厚度對(duì)應(yīng)的鉗口夾持量和延伸率設(shè)定有關(guān)系。

（2）可確認(rèn)拉伸完成后整個(gè)板材標(biāo)識(shí)線（對(duì)比線）呈“（）”狀。

（3）長(zhǎng)度方向延伸率不均勻時(shí)寬度方向上的延伸率也不均勻。

（4）同合金規(guī)格的板材，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，拉伸延伸率設(shè)定越大，其不均勻部位區(qū)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)。

（5）為切除宏觀上的板材延伸率不均勻部分，降低加工變形概率，應(yīng)根據(jù)預(yù)拉伸板材厚度和實(shí)際延伸率的差異，將其頭尾切除900～1 500 mm，確保預(yù)拉伸板材延伸率均勻。

對(duì)12 000 t拉伸機(jī)拉伸延伸率均勻性的研究，下一步應(yīng)結(jié)合板材合金牌號(hào)、規(guī)格和拉伸延伸率等要素在如何減少板材不均勻性部分及不同部位加工變形概率等方面開展研究。