拉壓組合法消減鋁合金環形件淬火殘余應力研究

王并鄉，易幼平，崔金棟，黃始全

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拉壓組合法消減鋁合金環形件淬火殘余應力研究

王并鄉，易幼平，崔金棟，黃始全

(中南大學機電工程學院，高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙，410083)

針對環形件淬火殘余應力突出的問題，提出一種消減淬火殘余應力的新方法即拉壓組合法。該方法通過沿環形件內側45°方向施加壓力，同時產生拉伸和壓縮的效果。利用ABAQUS有限元軟件對7085鋁合金環形件淬火殘余應力及拉壓組合法進行數值仿真。進行拉壓組合法消減鋁合金環形件淬火殘余應力工藝實驗，采用環形件切口法來表征環形件應力的變化。研究結果表明：環形件淬火殘余應力主要表現為集中在截面芯部區域的周向拉應力，最大值為46 MPa；當高度方向變形量為0.6%時，芯部殘余應力降至10 MPa左右；隨著壓下量增加，芯部殘余應力由拉應力變為壓應力；施加0.6%變形量的環件切口由淬火時內縮2.26 mm變為張開0.34 mm，實驗結果與仿真結果一致。

環形件；淬火殘余應力；拉壓組合法；環件切口法

可熱處理強化的高強變形鋁合金被廣泛應用于航空航天及軍事領域[1]。這種合金通常需固溶?淬火處理以提高力學性能，但淬火會產生較大的淬火殘余應力。淬火是一個復雜而又非常短促的熱力耦合過程，對淬火殘余應力進行精確測量和定量描述十分困難，且各種測量方法均存在一定的局限性和誤差，這更增加了研究難度[2]。環形件是運載火箭關鍵連接件和飛機艙關鍵零件，基于環形件制造的高精度薄壁異形結構件，對環形件的殘余應力控制提出了苛刻要求。許多研究者對鋁合金構件的殘余應力問題進行了大量理論與試驗研究，但主要是針對鋁合金厚板淬火工藝及淬火殘余應力形成機制[3?5]以及拉伸法(Txx51)消減鋁合金厚板淬火殘余應力[6?8]等方面，而針對環形件淬火殘余應力及消減工藝的研究較少。國外航空制造企業普遍采用模壓法(Txx52)消減模鍛件淬火殘余應力[9?10]，國內尚未在此領域開展深入研究。為此，本文以7085鋁合金環形件為研究對象，對其淬火過程進行數值模擬，研究環形件淬火殘余應力分布規律，提出一種沿環件內側45°方向以拉壓組合(Txx54)的方式消減淬火殘余應力的新方法，分析不同變形量對環形件淬火殘余應力消減效果；在40 MN精密數控液壓機上開展拉壓組合法消減鋁合金環形件淬火殘余應力工藝實驗，沿直徑方向切開環形件，采用環形件切口法來表征環形件應力的變化[11?12]，以便為高性能、低殘余應力鋁合金環形件的研發提供參考。

1 環形件淬火及拉壓組合法有限元分析

1.1 淬火有限元模擬及結果分析

有限元仿真的準確性依賴于材料模型與材料實際情況的符合程度。為保證仿真的準確性，需開展材料物性參數的實驗研究，7085鋁合金材料物性參數測試結果[13]如表1和表2所示。

用于制造航空航天關鍵構件的環形件直徑一般較大，最大可達9 m。為研究環形件淬火殘余應力分布規律及其消減工藝，選用外徑為200 mm的7085鋁合金縮比環形件為研究對象，結構尺寸如圖1所示。利用ABAQUS有限元平臺對環形件按如下淬火工藝進行數值模擬：固溶溫度為470 ℃，固溶時間為2 h，轉移時間為10 s，淬火溫度為25 ℃，淬火介質為水，淬火方式為浸沒式入水。

7085鋁合金環形件淬火過程仿真結果表明：環形件淬火殘余應力(采用柱坐標描述，表示徑向，表示周向，表示軸向)主要表現為環形件截面芯部區域的周向拉應力，徑向和軸向殘余應力絕對值較小。環形件具有對稱性，取環向截面進行分析(如圖2(a)所示)。圖2(b)所示為截面中間沿徑向淬火殘余應力變化規律，圖2(c)所示為截面中間沿軸向淬火殘余應力變化規律。圖2表明：環形件淬火殘余應力分布呈典型的內拉外壓特征，芯部區域存在較大的周向殘余拉應力，最大值達46 MPa。

1.2 拉壓組合法有限元模擬及結果分析

由淬火仿真得知，環形件淬火后芯部區域存較大的周向拉應力，徑向和周向殘余應力較小，機械拉伸法消減殘余應力并不適合環形件，模壓縮法只作用于環形件軸向。針對截面為正方形的環形件，提出一種沿環件內側45°方向以拉壓組合的方式消減淬火殘余應力的新方法，如圖3所示。上模為45°的錐模，下模為平砧，此方法在徑向和周向有拉伸的效果, 在軸向有壓縮的效果，為拉壓組合(Txx54)工藝。對于截面為矩形的環形件，可以適當調整壓下角度，或者上、下模具都選用錐模的拉壓組合法來達到消減殘余應力的效果。在ABAQUS有限元平臺上建立環形件拉壓組合有限元模型，下壓過程中下模固定、上模以0.005 mm/s的速度沿軸向對環形件進行冷壓變形。壓下量過大將可能引起冷作硬化、裂紋和斷裂，過小則使應力消除效果不佳，因此，變形量需要精確控制[14]。環形件高度為20 mm，設定0.4%~1.0%壓下量。當壓下量為0.4%，0.6%，0.8%和1.0%時，對應的模壓量分別為0.08，0.12，0.16和0.20 mm。

表1 7085鋁合金力學性能參數

表2 7085鋁合金導熱系數及熱膨脹系數

圖1 環形件尺寸

(a) 環向截面；(b) 截面中間沿徑向淬火殘余應力變化規律；(c) 截面中間沿軸向淬火殘余應力變化規律1—徑向殘余應力；2—周向殘余應力；3—軸向殘余應力。

圖3 拉壓組合法有限元模型

仿真結果表明：拉壓組合方法能有效降低環形件殘余應力特別是芯部區域的周向拉應力。試件芯部殘余應力隨壓下量變化曲線如圖4所示，壓下量為0%試件的應力即為淬火殘余應力。由圖4可知：壓下量為0.6%對試件殘余應力消減效果最好，試件芯部周向殘余應力由46 MPa降至10 MPa以下，徑向和軸向應力絕對值較小，可將環形件最大的殘余應力消減70%左右；當壓下量小于0.6%時，殘余應力消減效果不明顯；當壓下量大于0.6%時，芯部殘余應力由拉應力變為壓應力，且應力隨著壓下量增大而增大。

1—徑向殘余應力；2—周向殘余應力；3—軸向殘余應力。

2 環形件淬火及拉壓組合法實驗研究

為進一步驗證拉壓組合法消減環形件淬火殘余應力的有效性，開展環件淬火及拉壓組合工藝試驗，試件尺寸如圖1所示。熱處理工藝如下：固溶溫度為 470 ℃，保溫時間為2 h，然后水淬，淬火時間不小于10 min。取淬火后的試件進行實驗，在40 MN精密數控液壓機控制下，上錐模沿環形件試件內側45°方向對試件進行下壓(見圖3)，模壓速度為0.005 mm/s。將編好號的試件按表3分別施加0.6%，0.8%和1.0%的變形量，壓下量由液壓控制系統精確控制。

運用環形件切口法測試和分析環形件殘余應力變化，其原理如圖5所示。實驗后，在試件上端面中間標記2個相距約10 mm的標記點1和2(如圖5(a)所示)，用數碼相機拍照；用線切割(切割絲直徑0.18 mm)在環形件試件1和2中間沿徑向切開(如圖5(b)所示)，在同樣的視角拍照。6.0軟件處理切割前后的照片，測得1和2這2點距離為0，切割后和這2點距離為f，=0?f表示切割前后標記點距離變化差。＞0表示環形件沿周向張開，＜0表示環形件沿周向收縮。

(a) 切口前；(b) 切口后

7085鋁合金環形件淬火及拉壓組合工藝實驗結果與數值模擬結果如表3所示。假設原始環件殘余內應力為0 N。環件切開后沿周向張開的距離較小，僅為0.26 mm；環形件淬火后，芯部區域較大的周向殘余拉應力導致環件沿周向向內收縮達2.26 mm。給試樣施加一定量冷變形后，芯部的殘余應力減小，當變形量為0.6%時，環形件淬火殘余應力降低70%，環形件沿周向張開距離為0.34 mm，與原始試樣沿周向張開距離最接近，淬火殘余應力消減效果最好，實驗結果驗證了仿真結果的準確性。當變形量大于0.8%時，試樣芯部殘余拉應力變為殘余壓應力，試樣張開的距離隨著模壓下增大而增大；仿真結果與實驗結果變化規律趨于一致。

表3 環形件模壓仿真結果

3 結論

1) 建立了7085鋁合金環形件淬火有限元仿真模型，研究了環形件淬火工藝參數對淬火殘余應力的影響。環形件淬火殘余應力集中表現為芯部區域的周向拉應力，最大值為46 MPa。

2) 提出了一種拉壓組合消減淬火殘余應力的新方法。采用該方法，沿環件內側45°方向施加0.6%的變形量可以降低環形件70%的周向淬火殘余應力。隨著變形量增加，芯部殘余應力應力由拉應力變為壓 應力。

3) 采用環形件切口法分析環形件殘余應力的變化，原始試樣切開后沿周向張開的距離僅為0.26 mm，沿環件內側45°方向施加0.6%變形量的試樣切口由淬火時內縮2.26 mm變為張開0.34 mm，張開距離與原始試樣張開距離最接近，殘余應力消減效果最好，仿真結果與實驗結果變化規律趨于一致。

參考文獻：

[1] 李大峰, 丁華鋒, 劉立斌,等. 7075鋁合金板淬火殘余應力模擬及實驗研究[J]. 機械研究與應用, 2012, 1(3): 292?295. LI Dafeng, DING Huafeng, LIU Libin, et al. Numerical simulation and experimental study of quenching-induced residual stress in 7075 aluminum alloy plates[J]. Mechanical Research & Application, 2012, 1(3): 292?295.

[2] 林高用, 鄭小燕, 馮迪,等. 鋁合金厚板淬火殘余應力的研究進展[J]. 材料導報, 2008, 22(6): 70?73. LIN Gaoyong, ZHENG Xiaoyan, FENG Di, et al. Research development of quenching-induced residual stress of aluminum thick plates[J]. Materials Review, 2008, 22(6): 70?73.

[3] 胡少虬, 張輝, 楊立斌,等. 7075鋁合金厚板淬火溫度場及熱應力場的數值模擬[J]. 湘潭大學自然科學學報, 2004, 26(2): 66?71. HU Shaoqiu, ZHANG Hui, YANG Libin, et al. Numerical analysis of temperature and thermal stresses fields in quenching 7075 aluminum alloy thick plates[J]. Natural Science Journal of Xiangtan University, 2004, 26(2): 66?71.

[4] 龔海, 吳運新, 廖凱. 不同淬火工藝對7075鋁合金厚板殘余應力的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2010, 41(4): 1354?1359. GONG Hai, WU Yunxin, LIAO Kai. Influence of different quenching techniques on residual stress of 7075 aluminum alloy thick-plate[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2010, 41(4): 1354?1359.

[5] 張園園, 吳運新, 李麗敏, 等. 7075鋁合金預拉伸板淬火后殘余應力的有限元模擬[J]. 材料熱處理技術, 2008, 37(14): 88?91. ZHANG Yuanyuan, WU Yunxin, LI Limin, et al. Finite element simulation of residual stress in pre-stretching thick-plates of 7075 aluminum alloy after quenching[J]. Material & Heat Treatment, 2008, 37(14): 88?91.

[6] 梁軒, 彭大暑, 張輝. 7075鋁合金預拉伸板消除殘余應力的試驗研究[J]. 輕合金加工技術, 2003, 31(1): 15?17. LIANG Xuan, PENG Dashu, ZHANG Hui. Experimental study on reduction of residual stress in quenched thick plate of 7050 aluminum[J]. Light Alloy Fabrication Technology, 2003, 31(1): 15?17.

[7] 吳運新, 廖凱. 鋁合金厚板拉伸過程橫向殘余應力消減分析[J]. 材料工程, 2009, 1(10): 45?48. WU Yunxin, LIAO Kai. Research of transverse stress reduction in pre-stretching of aluminum alloy thick plate[J]. Materials Engineering, 2009, 1(10): 45?48.

[8] 廖凱. 鋁合金厚板淬火?預拉伸內應力形成機理及其測試方法研究[D]. 長沙: 中南大學機電工程學院, 2010: 21?26. LIAO Kai. Research on mechanism and measurement method of quenching-pre-stretching stress in aluminum alloy thick plate[D]. Changsha: Central South University. School of Mechanical and Electrical Engineering, 2010: 21?26.

[9] Muammer Koc, John Culp, Taylan Altan. Prediction of residual stresses in quenched aluminum blocks and their reduction through cold working processes[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 174(1/3): 342?354.

[10] ROBINSON J S, HOSSAIN S, TRUMAN C E, et al. Residual stress in 7449 aluminum alloy forgings[J]. Materials Science and Engineering A, 2010, 527(10/11): 2603?2612.

[11] PARKA J W, FERRACANE J L. Measuring the residual stress in dental composites using a ring slitting method[J]. Dental Materials, 2005, 21(9): 882?889.

[12] SEIF M A, SHORT S R. Determination of residual stresses in thin-walled composite cylinders[J]. Exp Techniques, 2002, 26(2): 43?46.

[13] 王少輝, 易幼平, 黃始全, 等. 大型鋁合金框梁結構航空模鍛件淬火殘余應力分析[J]. 宇航材料工藝, 2011, 1(4): 84?88. WANG Shaohui, YI Youping, HUANG Shiquan, et al. Analysis of quenching residual stress for large- size aluminum alloy aircraft forging with frame and beam structure[J]. Aerospace Materials & Technology, 2011, 1(4): 84?88.

[14] 王秋成, 柯映林. 航空高強度鋁合金殘余應力的抑制與消除[J]. 航空材料學報, 2002, 22(3): 59?62. WANG Qiucheng, HE Yinglin. Control and relief of residual stresses in high-strength aluminum alloy parts for aerospace industry[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2002, 22(3): 59?62.

(編輯 陳燦華)

Research on reduction of quenching residual stress for aluminum alloy ring by combination of tension and compression method

WANG Bingxiang, YI Youping, CUI Jindong, HUANG Shiquan

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Aiming at the prominent issue of quenching residual stress in ring, a new method for reduction of residual stress named combination of tension and compression method was proposed. The method produced tension and compression through exerting pressure along the inside of the ring in the direction of 45°. ABAQUS finite element software was used to predict quenching residual stresses of 7085 aluminum alloy ring and combination of tension and compression method for the numerical simulation. The experiments of quenching and combination of tension and compression processes for aluminum alloy ring were performed and the ring slitting method was used to test and analyze the residual stress. The results show that the residual stresses of the ring are mainly on the center of cross section with the maximum value 46 MPa. On the condition of 0.6% deformation on the height direction, the residual stress residual stress deceases to about 10 MPa. Residual stresses convert from compress-stresses to tension-stresses with the increase of deformation. The change in the distance between the scribed points is ?2.26 mm after quenching, while it is 0.34 mm with 0.6% deformation. The experimental results agree well with the simulation results.

ring; quenching residual stress; combination of tension and compression method; ring slitting method

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.014

TB31

A

1672?7207(2016)10?3381?05

2015?11?12；

2016?01?22

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目 (2012CB619504)；國家重點實驗室基金資助項目(zzyjkt2014-02) (Project(2012CB619504) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(zzyjkt2014-02) supported by the State Key Laboratory Foundation)

易幼平，博士，教授，從事航空鍛件制造工藝與組織性能控制技術研究；E-mail：yyp@csu.edu.cn