二維拉伸對(duì)鋁合金薄壁件淬火后殘余應(yīng)力的影響

鄭偉

本研究旨在減小7075鋁合金薄壁件淬火后的殘余應(yīng)力。在實(shí)驗(yàn)方法上對(duì)淬火過(guò)程采用Ansys Workbench15.0的穩(wěn)態(tài)熱（steady-state thermal）和瞬態(tài)熱（transient thermal）模塊模擬，并采用靜力學(xué)結(jié)構(gòu)（static structural）模塊進(jìn)行拉伸仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，一維拉伸方法只能消除部分殘余應(yīng)力，而二維拉伸方法可以使殘余應(yīng)力達(dá)到最小。結(jié)果提示，采用二維拉伸法當(dāng)長(zhǎng)度和寬度方向拉伸量被控制在一定范圍時(shí)可以消除絕大多數(shù)殘余應(yīng)力。

鋁合金薄壁件廣泛地存在于航空航天以及通信領(lǐng)域的典型零件中，淬火后的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致其后續(xù)機(jī)加工變形的重要原因。含有淬火后殘余應(yīng)力的坯料在加工時(shí)由于去除部分殘余應(yīng)力的釋放導(dǎo)致加工完成后構(gòu)件尺寸變形嚴(yán)重，以致報(bào)廢，降低了生產(chǎn)效率，影響了航天業(yè)的發(fā)展。

在國(guó)外，德國(guó)的Robinson采用過(guò)載壓縮法減少殘余應(yīng)力，他將薄壁件從長(zhǎng)度方向進(jìn)行3%的過(guò)載壓縮實(shí)驗(yàn)，但是零件只有局部殘余應(yīng)力有所降低。美國(guó)的Yoshihara使用機(jī)械拉伸法對(duì)最常用的拉伸板進(jìn)行了殘余應(yīng)力消除效果和拉伸變形量的研究，認(rèn)為拉伸量一般控制在1.0%～3.0%時(shí)可以很好的消除殘余應(yīng)力，具體拉伸量多大能使殘余應(yīng)力消除量最大并沒(méi)有提出。在國(guó)內(nèi)，林高等分別用模型詳細(xì)探討了淬火后殘余應(yīng)力的形成機(jī)理，從一維角度和塑性變形不均勻角度探討了薄壁板殘余應(yīng)力形成與分布的機(jī)制，闡述淬火過(guò)程中材料不同位置、不同時(shí)刻應(yīng)力相互作用的機(jī)制。王秋成采用長(zhǎng)度方向的機(jī)械拉伸法來(lái)減少殘余應(yīng)力，但這種方法最高只能消除80%的殘余應(yīng)力。

以上都是一維拉伸方法，但這些方法只能消除一部分殘余應(yīng)力，還是會(huì)對(duì)后續(xù)機(jī)械加工帶來(lái)影響。因此有必要進(jìn)一步對(duì)淬火后鋁合金殘余應(yīng)力進(jìn)行大量消除。本文先對(duì)鋁合金薄壁件進(jìn)行淬火模擬，然后利用有限元軟件來(lái)仿真一維拉伸法與二維拉伸法對(duì)殘余應(yīng)力的消除程度，最后通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

1二維拉伸法分析

淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是淬火過(guò)程中溫度與組織轉(zhuǎn)變共同影響的結(jié)果，包括溫度差異引起的熱應(yīng)力與組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力，對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，淬火過(guò)程中相變作用不明顯，淬火殘余應(yīng)力主要是冷卻時(shí)巨大的溫度梯度引起的熱應(yīng)力。

鋁合金薄壁板經(jīng)淬火后，由于其內(nèi)外殘余應(yīng)力在受到X或Y方向拉伸力超過(guò)材料的彈性極限后，將發(fā)生塑性變形，在拉伸前零件是有一定余量的，故拉伸后稍微的塑性變形不影響精加工后零件的尺寸精度。由于板材的內(nèi)層金屬原來(lái)就具有殘余拉應(yīng)力，所以殘余應(yīng)力首先超過(guò)彈性極限使板材進(jìn)入塑性變形。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度方向（兩側(cè)）拉伸后，長(zhǎng)度方向所產(chǎn)生的應(yīng)力與淬火后板材中的應(yīng)力疊加后的應(yīng)力將沿著長(zhǎng)度方向分布，并且大小明顯有所減小。當(dāng)給寬度方向（兩側(cè)）拉伸后，寬度方向所產(chǎn)生的應(yīng)力與淬火后板材中的應(yīng)力疊加后的應(yīng)力將沿著寬度方向分度，并且大小明顯有所減小。當(dāng)給長(zhǎng)度方向與寬度方向同時(shí)施加一定拉伸量的時(shí)候，板材中的殘余應(yīng)力是淬火后板材中的殘余應(yīng)力、長(zhǎng)度方向殘余應(yīng)力以及寬度方向所產(chǎn)生殘余應(yīng)力的疊加。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證二維拉伸法比一維拉伸法能消除更多的殘余應(yīng)力。

2不同方向拉伸的有限元仿真

2.1淬火前處理

利用workbench15.0軟件自帶的建模功能建立薄壁件淬火前模型，水箱規(guī)格為500*500*500， 7075鋁合金板的規(guī)格為200*100*5，水溫20℃，對(duì)流換熱系數(shù)為0.5W/（m·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/（m·℃），水的密度為1000 kg/m3，加熱到500℃時(shí)突然放入水箱。

2.2鋁合金薄壁件淬火后殘余應(yīng)力分析

利用ansys workbench15.0軟件對(duì)淬火后的材料進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，并把水箱隱藏，由圖可知鋁合金板在淬火后殘余應(yīng)力最高達(dá)到了72.196MPa。

2.3利用拉伸法仿真殘余應(yīng)力消除結(jié)果

2.3.1寬度方向拉伸。使寬度方向一端固定，基于正交試驗(yàn)法獲得拉伸量在0.1% -3.5%時(shí)殘余應(yīng)力數(shù)值，經(jīng)比較可知拉伸量在2.5%時(shí)殘余應(yīng)力量消除最大，且過(guò)了這個(gè)值后殘余應(yīng)力逐漸變大。該方向拉伸只消除了77.5%的殘余應(yīng)力。

2.3.2長(zhǎng)度方向拉伸。使長(zhǎng)度方向一端固定，基于正交試驗(yàn)法獲得拉伸量在0.1%-3.5%時(shí)殘余應(yīng)力數(shù)值，經(jīng)比較可知拉伸量在2.5%時(shí)殘余應(yīng)力量消除最大，且過(guò)了這個(gè)值后殘余應(yīng)力逐漸變大。該方向拉伸只消除了85%的殘余應(yīng)力。

2.3.3長(zhǎng)、寬度方向拉伸。采用二維拉伸，基于正交試驗(yàn)法獲得拉伸量在0.1% -3.5%時(shí)殘余應(yīng)力數(shù)值。經(jīng)比較可知最大殘余應(yīng)力達(dá)到最小值。

本文在一維拉伸法只能消除部分殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上提出了二維拉伸法。仿真結(jié)果證明二維拉伸比一維拉伸能消除更多的殘余應(yīng)力，尤其是當(dāng)長(zhǎng)寬方向拉伸量都達(dá)到2.5%時(shí)殘余應(yīng)力消除了92.6%。