2124鋁合金時效成形保溫工藝優化方法

呂 源

（西安科技大學 機械工程學院，西安 710072）

在航空領域，人們對于飛機結構材料的機械性能提出了越來越高的要求[1]。時效成形技術在成形過程中對材料進行熱處理，大幅度提高材料性能，很好地滿足了這一要求，已經成功運用于許多飛機上大型整體壁板的加工制造[2]。在眾多學者的努力下，時效成形技術得到迅速發展[3-6]。但已有的研究往往忽略了升溫速率波動對成形件塑性應變量的影響，而在生產過程中利用熱壓罐加熱大型模具和飛機整體壁板時，升溫速率波動是不可避免的，因此有必要對時效成形保溫工藝優化問題展開研究。

1 試驗與方法

為了研究升溫速率和保溫時間對成形效率的影響，本文設計了兩組不同試驗條件的應力松弛試驗，即不同升溫速率試驗和不同保溫時間試驗。

1.1 不同升溫速率應力松弛試驗

以不同升溫速率為應力松弛試驗條件，部分試驗方案包括 1.17℃ /min、1.24℃ /min、1.30℃ /min、1.36℃ /min等，測量得到相應的升溫階段應力松弛量為136.50MPa、132.38MPa、131.25MPa、130.87MPa，相應的保溫階段應力松弛量為22.00MPa、22.38MPa、21.63MPa、20.00MPa。由此可知，升溫速率與應力松弛量成反比。

1.2 不同保溫時間的應力松弛試驗

制定了不同保溫時間的應力松弛試驗來研究保溫階段應力松弛量與時間的關系，保溫時間為0h、2h、4h、6h、8h，相應的應力松弛量為0MPa、9.13MPa、13.75MPa、24.35MPa、28.96MPa。試驗表明，在保溫階段，應力松弛量與時間成線性關系。

1.3 保溫時間調節算法

為了降低升溫速率波動對應力松弛量的影響，本文提出了保溫時間調節算法。具體的做法如下：首先采用穩健支持向量回歸算法分別擬合出升溫速率和保溫時間與應力松弛量之間的函數關系；然后由已知的升溫速率計算出升溫階段的應力松弛量，最后利用非線性原理通過調節保溫時間來精確控制保溫階段的應力松弛量，從而保證成形過程中應力松弛總量不變。

若給定升溫速率，則彈性保溫時間的計算方法如式（1）所示：

式中，t為優化工藝參數后的初始保溫時間；S*為升溫階段應力松弛量；SAVG升溫速率為1.48℃/min時的應力松弛量；Bv為保溫階段應力松弛速率。

以1.48℃/min為正常升溫速率，此時S*-SAVG=0，保溫時間為t；當升溫速率高于1.48℃/min時，由于S*-SAVG＜0，彈性保溫時間tB為初始保溫時間t加上；當升溫速率低于1.48℃/min時，由于S*-SAVG＞0，彈性保溫時間tB應為初始保溫時間t減去

2 驗證與討論

為了對本文提出的保溫時間調節算法進行驗證，設計了固定保溫時間應力松弛試驗和彈性保溫時間應力松弛試驗。為此，在1.17～1.75℃/min隨機選取9個不同的升溫速率作為試驗條件，并將彈性保溫時間應力松弛試驗結果與固定保溫時間應力松弛試驗結果進行對比，對比結果如圖1所示。

圖1 兩種不同保溫工藝的塑性應變值

對兩種不同工藝方法的試驗數據進行統計，固定保溫時間工藝的塑性應變均值為0.13532%，方差為2.1329；彈性保溫時間工藝的塑性應變均值為0.13522%，方差為0.3894。顯然，采用彈性保溫時間方法的塑性應變方差比前者小了一個數量級。因此，采用彈性保溫時間工藝能夠降低升溫速率波動對試件塑性應變的影響。

3 結語

本文提出了鋁合金應力松弛成形保溫時間調節算法，通過保溫工藝時間優化設計來提高產品優化目標的穩健性。首先，設計了不同升溫速率和不同保溫時間兩組應力松弛試驗，試驗結果表明：升溫速率與應力松弛量之間存在非線性關系，保溫時間與應力松弛量之間存在顯著的線性關系。其次，以不同升溫速率應力松弛試驗為例，進行固定保溫時間和彈性保溫時間對比試驗，結果表明：兩種不同保溫方法的塑性應變均值比較接近，但是采用彈性保溫時間方法的塑性應變方差比前者小了一個數量級，這說明保溫時間調節算法能夠降低升溫速率波動對塑性應變的影響。