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铝合金的时效成形技术

发布:tianligongyelu!@$# 浏览:1735次

    当代航空工业中,先进的时效成形技术已经成功地应用于铝合金壁板类零件的制造,特别适合制造飞机的机翼。时效成形技术已有大量的研究和探讨。本文介绍了铝合金的先进时效成形技术。详细地阐述了铝合金时效成形的基本理论、工装和设备和工艺。概括了国内外研究时效成形工艺、铝合金时效成形后组织性能及相关时效成形铝合金的开发现状。提出了铝合金时效成形的一些未来发展的方向。

    在当代飞机制造工业中,整体壁板的广泛运用可以有效地减轻飞机的重量,还具有工装效率高、型面灵活易于优化设计、密封性好等突出优点,已经越来越受到当代航空工业所青睐。但是大型整体壁板结构复杂,不仅拥有厚的蒙皮、较高的加强筋,而且大型壁板呈现出整体集成度高、结构网格化等特点导致了整体壁板难于制造。传统的整体壁板制造技术主要是增量压弯冷成形。该技术利用专用压力机构驱动压头在整体壁板表面沿着一定的轨迹进行局部塑性变形,通过逐次的变形累积使得整个壁板表面变形至所需要的曲率。由于该成形技术为局部塑性变形会导致工件表面残余应力高,局部萌生微裂纹,合金内组织变化不均匀,此外该成形技术生产效率低下。为此,欧美等发达国家研发出一种先进的整体壁板制造技术—时效成形技术。

    该整体壁板成形技术将合金的塑性成形与人工时效相结合,利用铝合金在应力场和温度场共同作用下的蠕变行为来获得满足形状并保持良好的组织和性能。实践证明,时效成形技术较传统的壁板制造技术具有工装模具简单、成形精度高和成形质量稳定等优点,适用于尺寸大,曲率半径大的壁板类零件的制造,又适用于铝合金等薄板零件的校形制造。特别是对于横截面不均匀的大尺度机翼壁板,时效成形是一种方便经济的制造方法。

    由于时效成形对制造整体壁板的先进性,西方航空工业发达国家很早就针对时效成形技术开展了相关研究,并已应用于一些飞机的整体壁板的加工制造。如B-1B 飞机的上下蒙皮、空中客车公司的AirbusA330 /A340、Airbus A380 等飞机的下翼面整体壁板的制造。甚至欧盟还特意设立了“时效成形”的跨国联合研究项目,希望拓展该成形技术的运用范围并研发适合时效成形的铝合金。但是,目前我国对时效成形具体的变形机制尚未明确,也没有掌握成形过程中应力场和温度场对合金组织和性能的影响关系,在基础工艺试验方面也缺少系统的研究。

1、时效成形机理

    时效成形是一个耦合了应力松弛、蠕变和时效强化的复杂过程。其中时效成形过程中主要发生的是由蠕变引起的应力松弛,将零件内的弹性应变逐渐转化为永久的塑性应变。

   实际生产中工件加工成形后不可避免地会发生回弹。而由于时效成形是一种应力松弛变形,其变形量小,那么时效成形加工结束后工件的回弹是制约工件成形精度的关键因素。回弹现象是由于工件的外加载荷被移除后,工件通过回复使得工件内原先的弹性应变消失,这将导致工件在卸载过程中发生附加变形。回弹也是材料寻求内应力相互平衡的过程。当弹性恢复过程结束时,工件内部应力达到相互平衡,此刻工件内的剩余应力即为残余应力。残余应力对工件的服役性能有着显著的影响,主要表现在工件的疲劳和腐蚀性能上。

   时效成形中另一部分主要行为就是铝合金在变形过程中同时发生的沉淀析出强化。铝合金沉淀析出是指合金的饱和固溶体在一定温度下保温一段时间后,合金中的固溶原子沉淀析出,改变了合金的显微组织,因此可以提高合金的强度。通过改变铝合金的固溶淬火和时效制度的办法,从而改变析出相的密度,大小和分布状态,这样就可以控制铝合金的时效强化效果,获得优异的综合性能。

2、时效成形的未来发展

   时效成形技术是一种很有工程应用价值的新技术,已经开始在工业生产中进行应用和推广。但是在时效成形过程中具体的时效成形机理还没有统一的认识,应力松弛的回弹不能精确控制。此外,该技术过程中各个实验因素如时效温度、保温时间等对时效过程的影响,成形质量不稳定等问题都制约着该技术的发展。未来铝合金的时效成形更加注重工件的成形精度和合金性能。这就对时效成形工艺提出更高的要求,真正达到控形和控性的要求。综上所述,铝合金时效成形未来发展需要突破的关键技术主要集中在以下几点:

  1) 时效成形形变曲率柔性模具设计;

  2) 时效成形过程的数学模拟,精确预测回弹,实现铝合金工件的精确成形;

  3) 非等温时效成形工艺,实现成形后铝合金组织的控制和性能的提高;

  4) 开发新型的适合时效成形的铝合金。


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