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7000系列鋁合金可進一步時效處理 ,可以在時效處理的同時成形。為擴大時效成形工藝的應用范圍 ,英國 Sout hampton大學 [4]、Alcan鋁業公司與法國達索航空公司 [5]分別研制了 Al2Cu2Mg時效成形鋁合金 ,這些合金都可以用做下翼面整體壁板并且具有良好的時效成形性。歐洲在 “FP5計劃” [6]中專門設置了時效成形的跨國聯合研究項目 ,主要開發時效成形在機翼 (包括下機翼面板 ,整體剛性機翼構件 ,摩擦攪拌焊后構件 )和機身 (包括雙曲面板材以及采用摩擦攪拌焊焊接的整體機身構件 )方面的應用 ,并研究開發相應的時效成形鋁合金。周賢賓等 [728]利用時效成形方法實現了火箭帶筋壁板、飛機蒙皮等薄壁鋁合金零件的校形。
綜上 ,中國發展大型飛機有必要對大型機翼整體壁板時效成形技術進行研究。本文對單級時效、性能。而文獻 [ 11 ]對 7150鋁合金的時效研究表明 ,雙級時效使合金保持高的強度 ,同時具有較高的電導率。文獻 [12 ]研究表明重固溶后再經低溫 2高溫 2低溫 (L HL)多級時效處理有利于提高 7175鋁合金的綜合性能。因此 ,機翼整體壁板時效成形應采用雙 /多級時效 ,以提高成形壁板的綜合性能。
11 2 振動時效成形工藝
振動時效技術 ( Vibratory Stress Relief Method ,VSR)的主要特點是對構件施加一交變應力。如果交變應力幅與構件上某點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極限
,這些點將產生塑性變形。如果這種循環應力使某點產生晶格滑移 ,盡管宏觀上沒有達到屈服極限 ,但仍會產生微
以提高壁板局部區域的應力水平、加速應力松弛 ,降低殘余應力 ,提高壁板抵抗破壞的能力 (提高疲勞強度 ),降低應力腐蝕。 Andrew等[ 13 ]在時效成形靜載荷的基礎上疊加周期性的小載荷振動 (< 10 %靜載荷 )促進壁板預應變向永久變形的轉變 ,
并減小回彈 ,取得了很好的效果。
11 3 應力位向效應在時效成形工藝的應用
時效成形是在一定預應力下進行的 ,應力的存在對鋁合金的一些微觀組織特別是析出相的取向有顯著影響 ,這一現象被稱為應力位向效應。 Zhu等[14216 ]研究了 Al2xCu合金在一定壓應力下人工時效后的微觀組織結構 ,發現應力時效時片狀θ′相由無應力時效時的垂直排列轉變為定向排列。 Bakavos等[ 17 ]在研究 2XU鋁合金拉應力作用下的時效時同樣發現合金中片狀 θ′相轉變成了定向排列。 Zheng等[ 18222 ]在研究 Al231 88Cu (析出相為 θ′)及 Al231 87Cu201 56Mg201 56Ag (析出相為 Ω)合金拉應力時效微觀組織時也發現 θ′及 Ω呈擇優取向析出。 θ′及 Ω等析出相的應力位向效應可能導致時效成形 Al2Cu2Xi合金 (Xi為 1種或幾種合金元素 )性能的各向異性。進一步的 “雙級時效”研究表明 ,時效初期先進行短時間有應力時效 ,再施以長時間無應力時效 ,析出相 θ′及 Ω等呈擇優取向析出 ;而先進行短時間無應力時效 ,再施以長時間應力時效 ,則未發現應力位向效應。
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與氣壓時間曲線如圖 2所示。向尺寸相對穩定 ,一般保持在 4m以內 ;③厚度變化比較大 ,厚度從 2 mm到 30 mm不等 ,加上加強筋的高度 ,一般不超過 60 mm;④曲率較小 ,曲率半徑一般在 1m以上。 A380機翼壁板如圖 3所示 ,其長達 33 m,寬達 21 8 m,厚度從 3 mm到 28 mm[3]。
圖 1 壁板時效成形工藝流程圖 Fig11 Stress relaxation age forming process of aircraft wing panel
圖 3 A380機翼壁板 Fig13 A wing panel of A380
結合大型機翼整體壁板結構特點 ,為降低成形工裝的成本 ,并使成形工裝易于搬運安裝 ,使基礎支架系統可應用于不同壁板的成形 ,成形工裝應采用模塊化、標準化、柔性化的設計制造
圖 2 壁板時效成形中熱壓罐內溫度時間曲線和氣壓時間曲線 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
形模擬后壁板與設計壁板的外形。如果模擬后
壁板與設計壁板外形誤差不符合設計要求 ,則型面控制成形工裝設計制造標準化、模塊化、主要工藝參數以及修正模具柔性化具有如下重要優點 :①有利于成形模具的型面繼續進行模擬 ,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構的外形曲線構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調整各支撐結構的高度與外形曲線實現。
圖 4 型面控制成形工裝示意圖 Fig14 Schematic diagram of tools for surface shape control
于節約材料。
然而 ,飛機壁板厚度變化比較大 ,厚度從幾毫米到幾十毫米不等 ,加載過程中較薄區域容易產生局部過載現象 ,影響成形質量。在成形過程中 ,可通過在壁板與成形工裝之間添加一特定厚度的較高強度的均勻墊板 ,如不銹鋼薄板來避免局部過載問題 [ 23 ]。
3 時效成形的回彈預測
時效成形過程中 ,壁板的彈性變形不斷向塑性變形轉變 ,但是 ,卸除載荷后 ,壁板仍有彈性變形存在 ,甚至回彈量達到 60 %～70 %[2]。因此 ,進行時效成形的回彈預測以調整工藝流程、優化工藝參數、修整模具型面是成形出合格壁板的關鍵。由于壁板零件外形曲面復雜 ,而回彈是一個非線性力學過程 ,完全依靠試驗法預測回彈成本高昂 ,目前一般先采用有限元模擬的方法預測回彈 ,完成成形工裝型面的初步修正 ,以減少修正次數。有限元模擬的精度主要依賴于所提供的壁板材料的蠕變、應力松弛的本構方程。
31 1 材料蠕變、應力松弛本構方程
壁板時效成形是一應力動態平衡、應變不斷協調的過程。材料內部的變形過程既不等同于蠕變 ,亦不與應力松弛相同 ,因此 ,單純的蠕變本構方程或應力松弛本構方程都不足以描述材料在時效成形中材料內部的應力、應變關系。
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