工藝參數對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響

秦海，王克旺

工藝參數對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響

秦海，王克旺

（景德鎮昌河飛機工業（集團）有限責任公司，江西 景德鎮 333002）

研究7075航空高強度鋁合金帶筋壁板時效成形過程中工藝參數對零件回彈的影響，以提高筋板類零件的產品質量。利用正交試驗開展不同工藝參數組合下的帶筋壁板時效成形試驗，并對帶筋壁板時效成形后的回彈率進行極差分析和規律曲線分析。帶筋壁板時效成形后的回彈同時受到時效參數和筋板結構參數的影響，各因素按對回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間、筋條厚度、筋條高度和時效溫度，筋條結構參數對調節構件回彈有重要作用，并且回彈率實測值基本處于回彈率隨工藝參數變化的擬合曲線附近。回彈率隨時效時間和筋條高度的增加表現為非線性下降趨勢，隨筋條厚度的增加呈現線性上升趨勢。7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈行為可以用回彈率回歸方程進行較為合理的描述。

鋁合金；帶筋壁板；時效成形；回彈

為滿足現代大型飛機的性能要求，航空鈑金類零件的成形制造逐漸向大型化、集成化和輕量化的趨勢發展[1-2]，以整體帶筋壁板結構為代表的整體結構件對飛機的使用壽命、結構效率、成本和周期具有非常重要的影響，已成為現代先進飛機設計制造領域的一個重要標志，而針對此類構件的成形制造技術也已成為現代飛機的關鍵制造技術之一[3]。

時效成形主要是一種利用金屬材料的蠕變或應力松弛特性，同步開展成形和時效的成形方法，由于所成形的零件內部殘余應力小、抗疲勞性能好，被認為是一種能夠實現大型飛機整體壁板零件成形的全新工藝[4-5]，并已在麥道、波音和空客等飛機機翼整體壁板的成形制造中得到了較為廣泛的應用，也是下一代大型飛機特別重要的金屬成形工藝之一[5-7]。目前國內對該工藝的研究還處于起步階段，為早日實現工程化應用，需加強相關基礎研究的力度[8]。

在時效成形過程中，板坯通過內部彈性應力的釋放獲得最終形狀。受時效過程中應力松弛和析出強化等特征的耦合影響，時效成形完的零件通常具有較大的回彈量，回彈問題是影響零件成形質量的關鍵[5,9]。盡管目前針對時效成形板坯回彈預測和控制等方向已開展了不少研究[5,9-10]，但針對帶筋板回彈問題的研究還相對較少[11]，主要表現在兩方面，一是產品結構參數的變化對回彈變形的影響，二是通過回彈預測實現零件的精確成形。Guines等[12]通過建立考慮硬化、熱軟化和應力松弛特征的材料模型等有限元手段對單曲率帶筋壁板的時效成形過程進行了仿真，發現通過選擇合適的邊界條件可以有降低回彈。Inforzato等[13]利用真空熱壓罐技術對包含縱、橫筋條特征的帶筋壁板時效成形規律進行了研究，并基于半經驗的仿真手段對回彈進行了預測。湛利華等[14]研究了柵格狀筋板件在蠕變時效加載下的成形規律，發現最終筋板件的形狀取決于筋條的塑性變形和構件的蠕變應力。相關研究表明，筋板件的結構特征對構件回彈量的影響效果顯著[11-14]，且與常規時效成形彈性加載的特征不同，帶筋壁板整體或局部變形通常超出材料的彈性極限[16]，筋條的塑性變形會限制蒙皮的回彈[14-15]，傳統平板件的回彈行為研究不能簡單地應用于帶筋壁板構件。由此可見，帶筋壁板時效成形回彈規律的影響因素更為復雜，而目前研究則較多地考慮了筋板結構特征的影響。相對來說，探討工藝參數和筋板特征結構耦合影響下帶筋壁板時效成形的回彈規律更具代表性。

文中以7075鋁合金T型帶筋件為研究對象，基于正交試驗方法，探討了時效參數和筋板結構參數耦合影響下零件的回彈規律，以期為該類鋁合金壁板件時效成形的回彈預測及工藝參數的優化提供一定的參考。

1 試驗

試驗材料為厚度25.4 mm的7075–T651航空高強鋁合金板材，其抗拉強度為571 MPa、屈服強度為505 MPa、伸長率為14.2%，化學成分如表1所示。

表1 7075鋁合金化學成分

Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy wt.%

選用的T型筋板件試樣由7075鋁合金厚板一體銑削加工而成，如圖1所示。試驗中，固定蒙皮尺寸為200 mm（長）×40 mm（寬）×4 mm（厚），引入變化的筋條高度和厚度。采用如圖2所示的自制單曲率機械加載裝置對試樣進行預應力加載，將加載裝置整體置于DHG–9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱（控溫精度±1 ℃）中，通過控制時效參數（溫度、時間）完成零件的時效成形工藝。

通過正交試驗設計得出試驗件的回彈率隨各工藝參數的變化規律。根據文獻[16-17]選取時效參數（時效時間、時效溫度）和結構參數（筋條高度、筋條厚度）作為影響回彈率的主要工藝參數，并以該鋁合金較適宜的時效參數160 ℃/10 h為參照，制定不考慮因素交互作用的四因素三水平正交試驗，如表2所示。

采用目前普遍使用的半徑法對時效成形后試樣的回彈量進行定量描述，而其測量則基于常用的弓高弦長法。圖3為回彈表征和測量參數的示意圖?；貜椔实挠嬎愎饺缡剑?）所示。

式中：b為回彈后零件的曲率半徑；t為成形時的理論模具半徑。b的計算公式如式（2）所示。

式中：為回彈后零件兩端之間的距離，即弦長；為弦長到零件的最大距離，即弓高。

零件成形后的相關尺寸可以通過數字化檢測設備測量得出，把測量出來的數值帶入式（2）可得出b，進而可計算得出回彈率。

圖3 回彈表征和測量參數的示意圖

表2 時效成形正交試驗設計

Tab.2 Orthogonal test design of aging forming

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

為了得出試驗件卸載后的回彈受工藝參數的影響程度，文中采用極差分析法對時效成形正交試驗結果進行分析。正交試驗結果如表3所示，其中K表示水平所對應的試驗指標的數值之和，k表示水平所對應的試驗指標數值之和的平均數，表示工藝參數對回彈的影響程度。通過極差分析法得出，各因素按對回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間＞筋條厚度＞筋條高度＞時效溫度。通過計算k可知，3333的時效成形工藝參數組合為試驗結果的最優解。

基于修正的Garofalo關系式[18]對材料的蠕變時效成形材料特征進行描述，如式（3）所示。

由式（3）可知，在應力不變的情況下，時效溫度越高，試驗件的蠕變速率越快，但隨著試驗件內部應力的逐漸減小，蠕變速率會隨時效時間的增加呈現出減慢的趨勢[19]。典型筋板件截面圖如圖4所示，圖4中最大壓應力c和最大拉應力T的計算分別見式（4）—（5）。

式中：為橫截面的彎矩；1和2分別為受拉和受壓部分至中性軸的最遠距離；為底板上表面到中性軸的距離；為筋板件的寬度；為筋條厚度。

從式（4）和（5）可以看出，隨著筋板試驗件的寬厚比/和筋條高厚比/（為筋條高度）的變大，帶筋壁板的拉應力和壓應力也會變大，當超過材料的屈服應力后，帶筋壁板就會產生塑性應變，導致永久變形，最終使帶筋壁板的回彈減小。

圖4 典型筋板件截面圖

表3 正交試驗結果

Tab.3 Results of orthogonal experiments

2.2 工藝參數對回彈的影響

2.2.1 時效時間

回彈率和時效時間的關系曲線如圖5所示。可以看出，試驗件的回彈率與時效時間的關系曲線呈現出一種非線性下降的趨勢，當時效時間為0～14 h時，試驗件的回彈率隨著時間的增加而迅速下降。由文獻[20]可知，材料應力松弛的效果主要是由可動和不可動位錯的多少決定的。由于在時效初始階段，材料內部存在較多的空位和可動位錯，材料應力松弛速率較大。當時效時間超過14 h后，回彈率下降速率緩慢減小。這是因為材料內部的空位密度和位錯密度隨著時效時間的增加而逐漸減小，材料內部的位錯狀態慢慢趨于平衡，金屬材料的應力松弛效果越來越弱。

圖5 回彈率–時效時間曲線

根據回彈率與時效時間呈現出的函數關系，文中選取二元一次方程對試驗數據進行回歸分析，得到的回歸方程如式（6）所示。

式中：為時效時間；S為受時效時間影響的回彈率。通過對比發現，擬合曲線和試驗曲線基本重合，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與時效時間的關系。

2.2.2 結構參數

文中研究的影響帶筋壁板成形后回彈大小的結構參數主要為筋條高度和筋條厚度，圖6為回彈率隨筋條高度的變化曲線。可以看出，當筋條高度小于13 mm時，回彈率下降很快；當筋條高度大于13 mm時，回彈率下降趨勢逐漸變得緩慢，整個過程呈現非線性下降趨勢。按此規律，當筋條高度為0 mm時，相當于無筋條壁板，回彈將達到最大，由此可知，筋條能起到抑制壁板回彈的作用。回彈率隨筋條厚度的變化曲線如圖7所示，可以看到，回彈率隨著筋條厚度的增加呈現緩慢線性上升的趨勢。

圖6 回彈率–筋條高度曲線

圖7 回彈率–筋條厚度曲線

根據回彈率與筋條高度呈現出的函數關系，文中選取二元一次方程對試驗數據進行回歸分析，得到的回歸方程如式（7）所示。

式中：S為受筋條高度影響的回彈率。通過對比發現，擬合曲線和試驗曲線大致接近，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與筋條高度的關系。

根據回彈率與筋條厚度呈現出的函數關系，文中選取一元一次方程對試驗數據進行回歸分析，得到的回歸方程如式（8）所示。

式中：為受筋條厚度影響的回彈率。通過對比發現，擬合曲線與試驗曲線大致接近，表明得到的回歸方程基本能描述回彈率與筋條厚度的關系。

綜上可知，筋條高度和筋條厚度對帶筋壁板回彈的影響規律大致上是相反的。這可以從前面典型單筋試驗件彎曲成形的力學分析中得到解釋，在只考慮結構參數對帶筋壁板回彈的影響時，保持時效時間和時效溫度不變，此時由鋁合金時效產生的效果大致相等，所以帶筋壁板的回彈大小主要取決于試驗件的幾何結構尺寸，其中影響最大的是筋條高厚比/隨著筋條高厚比的增大，帶筋壁板內部截面應力也隨之增加，當超過材料的屈服應力時，帶筋壁板就會產生塑性應變導致永久變形，從而抑制整個帶筋壁板的回彈。由/可知，隨著筋條高度的增加，/變大，帶筋壁板截面應力增大，產生的永久變形區域增多，帶筋壁板回彈減?。环粗S著筋條厚度增大，/減小，帶筋壁板截面應力減小，產生的永久變形區域減少，帶筋壁板回彈變大。

2.3 正交試驗回歸分析

通過對時效成形正交試驗數據進行擬合分析，得到了時效成形后試驗件的回彈率與各個主要工藝參數之間的關系，回歸方程如式（9）所示。

S=

式中：T為時效溫度；StTHd為受時效時間、時效溫度、筋條高度、筋條厚度綜合影響的回彈率。通過將上述2.1節正交試驗的工藝參數組合代入式（9），可得到9組成形參數組合下的試驗件回彈率，如圖8所示，對比發現實際開展的時效成形正交試驗結果與回歸方程得出來的結果大致相接近。

3 結論

通過對正交試驗的結果進行顯著性分析，發現各因素按對7075鋁合金帶筋壁板時效成形回彈的影響程度由大到小的順序依次為時效時間＞筋條厚度＞筋條高度＞時效溫度，試驗件的回彈受零件幾何結構尺寸以及蠕變時效應變共同影響。

2）7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈率與時效時間和筋條高度呈現非線性下降趨勢，回彈率隨筋條厚度的增加而呈現線性上升趨勢。

3）通過對試驗結果進行擬合分析，得到的回彈率回歸方程能夠合理地表現7075鋁合金帶筋壁板時效成形后的回彈現象。

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Effects of Process Parameters on Creep Age Forming Springback of 7075 Aluminum Alloy Stiffened Panel

QIN Hai, WANG Ke-wang

(Jingdezhen Changhe Aircraft Industry Group Corporation, Jiangxi Jingdezhen 333002, China)

The work aims to study the effects of process parameters on springback of 7075 aviation high strength aluminum alloy with stiffened panel during creep age forming, to improve the product quality of stiffened panel. Based on the orthogonal test, the creep age forming experiments of stiffened panel were carried out under different technological parameters, and the range analysis and law curve analysis of the springback rate of the stiffened panel after creep age forming were carried out. The springback of the stiffened panel after creep age forming was affected by both the aging parameters and the structural parameters of the stiffened panel. The effect degree of each factor on springback was the aging time, reinforcement thickness, reinforcement height and aging temperature in descending order. The structural parameters of the reinforcement played an important role in adjusting springback. It was found that the measured value of springback rate was near the fitting curve of springback rate changing with the process parameters. The studies show that the springback rate decreases linearly with the increase of aging time and reinforcement height, and increases linearly with the increase of reinforcement thickness. The springback behavior of 7075 aluminum alloy stiffened panel after creep age forming can be reasonably described by the regression equation of springback rate.

aluminum alloy; stiffened panel; creep age forming; springback

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.008

TG146.2+1

A

1674-6457(2022)09-0060-06

2021–09–12

國家自然科學基金（51375220）；江西省自然科學基金（2016BAB206115）

秦海（1992—），男，碩士生，主要研究方向為金屬塑性成形工藝。

責任編輯：蔣紅晨