2024-W鋁合金型材不同預(yù)拉伸力對拉彎回彈的影響

竇志家，杭天明，曹 宇，王東輝，霍冬華

(營口忠旺鋁業(yè)有限公司，營口115000)

0 前言

2024鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化的Al-Cu-Mg系鋁合金，具有高的比強(qiáng)度、比剛度及優(yōu)秀的成形性能，在國防軍工、航空航天等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。但由于2024鋁合金淬火后在室溫條件下放置時(shí)其自然時(shí)效硬化過程速度較快，給后續(xù)的大變形折彎加工增加了難度。本文在固溶冷藏后對2024-W鋁合金型材用預(yù)拉伸變形代替淬火后的張力矯直，以降低材料的硬化程度，并研究了在不同拉伸力作用下材料拉伸回彈的變化。同時(shí)建立線塑性方程，通過計(jì)算對拉彎工藝進(jìn)行控制及預(yù)判，確定合理的預(yù)拉伸應(yīng)變量，減少拉彎回彈對材料一次加工成形的影響，提高生產(chǎn)效率。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鑄錠采用半連續(xù)鑄造工藝生產(chǎn)，其規(guī)格為?247 mm×570 mm，成分控制如表1所示。鑄錠經(jīng)均勻化處理后，采用20 MN高精密單動(dòng)反向擠壓設(shè)備進(jìn)行工藝試制生產(chǎn)。

對力學(xué)測試樣件進(jìn)行固溶處理，并在其淬火后半小時(shí)以內(nèi)完成力學(xué)拉伸試驗(yàn)，通過屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率的平均值建立線塑性方程，對不同變形量的預(yù)拉伸力值進(jìn)行計(jì)算，以便于在線試制控制。

試制材料采用1級均勻性立式淬火爐進(jìn)行熱處理。此過程會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力梯度[4]，材料經(jīng)完全冷卻后表面將會產(chǎn)生壓應(yīng)力，而內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。若不進(jìn)行消除，會對材料彎折后精加工產(chǎn)生極大影響，并影響問題分析及工藝控制。為此，結(jié)合消除淬火應(yīng)力的工藝可行性，淬火后快速將材料低溫冷藏以保持零件的固溶狀態(tài)，并在取出后半小時(shí)內(nèi)完成拉彎試制。拉彎過程中采用預(yù)拉伸替代淬火后張力矯直，預(yù)拉伸量從1%增至3%，并通過刻度法對比線塑性方程在力值控制下的拉伸量差異性。拉彎設(shè)備采用美國進(jìn)口的75 t轉(zhuǎn)臂拉彎機(jī)，過程采用變力包覆，其試驗(yàn)方案如圖1所示。

表1 2024鋁合金國標(biāo)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 線塑性方程建立

對材料W狀態(tài)進(jìn)行多次測量，其屈服強(qiáng)度σ0.2、σb及延伸率均值分別為152 MPa、375 MPa和22%。根據(jù)《中國航空材料手冊》[5]，彈性模量取72 GPa，材料線塑性方程如公式（1）所示。結(jié)合公式及材料截面面積，確定1%～3%不同應(yīng)變量下的預(yù)拉伸力大小，如表2所示。

表2 不同應(yīng)變量對應(yīng)的張力預(yù)拉伸力

2.2 彎折結(jié)果

通過對折彎數(shù)據(jù)的整理，不同應(yīng)變量下預(yù)拉伸理論伸長長度與實(shí)際長度的差值如圖2所示。從中可以看出不同預(yù)拉伸應(yīng)變量下理論預(yù)拉伸長度與實(shí)際預(yù)拉伸長度差值的變化趨勢，即隨著拉伸量的增加，長度差值逐漸增加，且經(jīng)現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)實(shí)際拉伸長度小于理論拉伸強(qiáng)度。經(jīng)過計(jì)算實(shí)際預(yù)拉伸應(yīng)變量在0.9%～2.6%之間，滿足試驗(yàn)要求。

不同預(yù)拉伸量與拉彎后回彈變化趨勢如圖3所示。從圖3可以看出，在不同應(yīng)變量的預(yù)拉伸力下進(jìn)行彎折后，隨著預(yù)拉伸變形量增加，材料的回彈逐漸減少。通過觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變量在1.5%以下時(shí)有可視褶皺；在應(yīng)變量達(dá)到2.5%以后，回彈變化較少，沒有明顯的可視褶皺。

3 試驗(yàn)分析

3.1 預(yù)拉伸量理論與實(shí)際差異分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著理論預(yù)拉伸量增大，理論拉伸量和實(shí)際拉伸量的差值不斷增加。這是由于采用線塑性直線方程近似替代真實(shí)工程曲線所導(dǎo)致的結(jié)果。圖4為工程應(yīng)力-應(yīng)變拉伸塑性曲線。從圖中看出，在相同的應(yīng)力下，其實(shí)際應(yīng)變量低于理論應(yīng)變量，并且差值是先增加后降低，即越接近屈服點(diǎn)和抗拉點(diǎn)，其差異性越小。在1%～3%應(yīng)變量范圍內(nèi)，由于偏離屈服點(diǎn)距離相對較小，雖然差值隨應(yīng)變量有所增加，但通過實(shí)際測量，認(rèn)為此結(jié)果是可接受的。

3.2 拉彎回彈問題分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著預(yù)拉伸力增加，內(nèi)弧褶皺消失，回彈量逐漸減少，并且回彈量變化速率減小。這是由于在預(yù)拉伸力的作用下，型材進(jìn)入塑性變形階段，在彎曲過程中，應(yīng)力中性層將變形區(qū)劃分為拉、壓兩個(gè)區(qū)域，外層金屬受到拉應(yīng)力產(chǎn)生更大的塑性變形。內(nèi)層金屬根據(jù)預(yù)拉伸應(yīng)力大小不同，進(jìn)入彈性卸載過程，或是反向彈塑性壓縮變形，如圖5所示。

根據(jù)學(xué)者對內(nèi)弧褶皺的有關(guān)研究結(jié)果[6]，回彈后零件中性層半徑與其相應(yīng)變量之間的關(guān)系如公式（2）所示。從公式（2）可知，當(dāng)模具和材料確定，即R和E為定值時(shí)，Rcel大小及變化跟材料應(yīng)變剛模量D有關(guān)。再結(jié)合圖5，隨著預(yù)拉伸變形量的增加，D值變小，零件回彈中性半徑Rcel減小，即中性層向內(nèi)層偏移，隨著預(yù)拉伸力的增加，材料彎折受力變形，由內(nèi)層反向壓縮塑性變形向內(nèi)層反向壓縮彈性變形轉(zhuǎn)變[7-9]，從而使得褶皺消除。

隨著預(yù)拉伸力增加回彈量減少是由于受到內(nèi)弧與外弧應(yīng)力差值影響所致[10]。而內(nèi)外弧應(yīng)力與其對應(yīng)變剛模量成正比，即隨著預(yù)應(yīng)力增加，內(nèi)弧與外弧的應(yīng)變剛量差距減少，進(jìn)而使得內(nèi)外弧應(yīng)力差值減少，回彈量減少。但受到應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性限制，隨著預(yù)拉伸力逐漸增加，內(nèi)、外弧應(yīng)變剛模量差值的變化速率降低，導(dǎo)致預(yù)拉伸力增加到一定程度后，回彈量變化速率逐步減少，并趨于穩(wěn)定。

式中，Rcel為零件回彈中性半徑；R為截面幾何中心半徑；D是材料應(yīng)變剛模量，即對應(yīng)塑性應(yīng)變的加工硬化指數(shù)；E是材料彈性模量。

4 結(jié)論

通過對上述的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究和分析，得到如下結(jié)論：

（1）建立2024-W線塑性方程曲線，并與理論值進(jìn)行差異性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，伸長量的差異變化在1%～3%范圍內(nèi)是可以接受的，滿足工藝試制及控制要求。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在較低的預(yù)拉伸應(yīng)變量下彎折時(shí)，材料內(nèi)弧易出現(xiàn)褶皺，可通過提高預(yù)拉伸應(yīng)變量消除。同時(shí)，在2.5%以上的應(yīng)變量下進(jìn)行彎折時(shí)，回彈量較小，滿足材料一次成型的加工要求，有助于提高生產(chǎn)效率。