新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮拉伸成形特性試驗(yàn)研究

吳 為 ， 閆 晶 ，呂鳳工 ，曾元松

（1.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；2. 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024；3. 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024）

新型Al-Li-Cu-Mg合金是一種新型輕量化高性能結(jié)構(gòu)材料，蒙皮是構(gòu)成飛行器氣動(dòng)外形的關(guān)鍵鈑金構(gòu)件，新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮融合了材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，將在航空航天等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，上述產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展迫切需要研究和發(fā)展新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮的先進(jìn)制造技術(shù)。

拉伸成形工藝（簡稱拉形）是制造鋁鋰合金機(jī)身蒙皮零件重要的技術(shù)手段。拉形工藝可分為兩類：縱拉和橫拉。不論何種方法，蒙皮拉形的主要工藝過程類似。如圖1所示，開始階段坯料兩端夾持在拉形機(jī)鉗口, 中間階段依靠夾鉗運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)上頂成形模具,使坯料和模具局部漸次與毛料接觸，毛料受拉產(chǎn)生不均勻的平面拉伸應(yīng)變，最終毛料全部與模具表面貼合。新型Al-Li-Cu-Mg合金板材板材表面為鏡面，拉形過程可能會(huì)出現(xiàn)“桔皮”或“滑移線”等表面缺陷，板材抗拉形表面缺陷的能力尚需揭示；拉形質(zhì)量對鋁鋰合金板材熱處理狀態(tài)十分敏感，但是新型Al-Li-Cu-Mg合金板材熱處理狀態(tài)較復(fù)雜，探索新型Al-Li-Cu-Mg合金板材熱處理制度，獲得合理的板材熱處理狀態(tài)，以及拉形質(zhì)量對板材熱處理狀態(tài)的敏感性仍需探索。上述新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形特性，已成為新型Al-Li-Cu-Mg合金板蒙皮成形質(zhì)量精確控制以及蒙皮設(shè)計(jì)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)研究、理論解析以及數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，系統(tǒng)深入地研究了各種典型蒙皮零件拉形過程的起皺、滑移線、桔皮和回彈等問題。在試驗(yàn)研究方面，萬敏等[1]分析了變形程度、拉形速度、毛料幾何尺寸、潤滑與操作方式對鏡面凸雙曲性蒙皮零件拉形滑移帶的影響,確定了臨界變形程度和拉形應(yīng)變速率的合理范圍。黃旭林等通過開展雙曲馬鞍形零件的工藝試驗(yàn)，確定蒙皮拉形軌跡，克服了蒙皮拉形過程的起皺，研制出凹雙曲馬鞍形蒙皮零件[2-3]。一些研究綜合采用試驗(yàn)研究、理論解析以及數(shù)值模擬的手段，基于響應(yīng)面法[4-5]，優(yōu)化拉形軌跡，以控制鋁合金零件的回彈[6]；基于遺傳算法，優(yōu)化了鈦合金蒙皮多道次拉形工藝參數(shù)，減小鈦合金蒙皮零件拉形的回彈量[7]；控制鋁合金蒙皮多道次拉形的應(yīng)變路徑，消除零件“桔皮”缺陷[8]。此外，國內(nèi)外學(xué)者針對不同類型鋁鋰合金的熱處理過程的力學(xué)性能、組織演變開展了大量的研究工作[9-12]，但是，針對新型Al-Li-Cu-Mg合金板材，探索拉形熱處理制度，揭示拉形質(zhì)量對板材熱處理狀態(tài)的敏感性，以及新型Al-Li-Cu-Mg合金板材抗拉形表面缺陷的能力的研究工作鮮見報(bào)道。

本文采用試驗(yàn)研究的方法，首先探索新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形熱處理制度，獲得合理的板材熱處理狀態(tài)，針對不同熱處理狀態(tài)板材，開展蒙皮拉形試驗(yàn)，揭示拉形質(zhì)量對板材熱處理狀態(tài)的敏感性，以及新型Al-Li-Cu-Mg合金板材抗拉形表面缺陷的能力。

圖1 蒙皮拉形工藝過程Fig.1 Skin stretch forming process

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文的試驗(yàn)材料為T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金和T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，板材表面為鏡面。表1和表2為兩種熱處理狀態(tài)的板材的室溫力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)，與T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg板材相比，T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材各方向斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較高，延伸率僅為T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg板材50%左右。因此，T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg板材能夠直接開展蒙皮拉形試驗(yàn)，對于T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg板材，需要探索熱處理制度，獲得合理的板材熱處理狀態(tài)，開展蒙皮拉形試驗(yàn)。

表1 T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg鋁鋰合金力學(xué)性能

表2 T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg力學(xué)性能

1.2 熱處理方法

由于T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材經(jīng)歷了固溶處理、淬火、冷加工、人工時(shí)效處理的過程，因此本文針對T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，沿2060-T8板材軋制方向截取小尺寸板材試片，采用單因素輪換法，開展固溶處理、淬火、人工時(shí)效處理的熱處理試驗(yàn)，探索合理的T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材熱處理制度，獲得有利于蒙皮拉形的材料力學(xué)性能。

蒙皮拉形前板材的固溶處理在鹽浴固溶爐中開展，爐腔溫控精度和均勻性在±1℃以內(nèi)，固溶處理后，將板材置于時(shí)效熱處理爐中開展人工時(shí)效處理。

1.3 蒙皮拉形方法

1.3.1 蒙皮數(shù)模及設(shè)備

圖2為具有代表性的民機(jī)雙凸蒙皮數(shù)模，蒙皮的最小曲率半徑沿著蒙皮對角線逐步減小?；陔p凸蒙皮數(shù)模，設(shè)計(jì)制造拉形模具，在600t數(shù)控橫拉機(jī)上開展Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮拉形試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中夾鉗的運(yùn)動(dòng)位移以及力能參數(shù)可以由拉形設(shè)備直接讀出。

1.3.2 蒙皮拉形指標(biāo)

Al-Li-Cu-Mg合金雙凸形蒙皮拉形過程質(zhì)量采用如下質(zhì)量指標(biāo)描述：

（1） 最大主應(yīng)變?chǔ)舖ax≤ 10% ；

（2）最大間隙δ'≤ 0.5mm 。

1.3.3 測量方法

分別沿板材的拉伸方向和垂直于拉伸方向，采用記號筆在T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金的板料局部區(qū)域（懸空區(qū)、拉形模接觸區(qū)）上畫出50mm×50mm的網(wǎng)格，熱處理前采用劃針在T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板料上畫出50mm×50mm的網(wǎng)格，在板材橫向中線與拉形模接觸處，相互垂直貼2條應(yīng)變片，距離板材橫向中線，分別向兩端延伸至蒙皮懸空區(qū)，在拉伸方向中線上各貼1條應(yīng)變片，如圖3所示。

蒙皮拉形結(jié)束后，把零件放置在成形模具表面，以成形模具作為帖模精度檢驗(yàn)工裝。在蒙皮上局部給力40N，利用塞尺在零件邊緣測量，獲得帖模精度數(shù)據(jù)；采用軟皮尺測量網(wǎng)格尺寸，計(jì)算蒙皮零件的應(yīng)變分布。此外，拉形過程中可以在線監(jiān)控蒙皮表面是否有“桔皮”或“滑移線”發(fā)生，采用應(yīng)變片，可以記錄表面缺陷發(fā)生時(shí)蒙皮上位置點(diǎn)的應(yīng)變值。

圖2 具有代表性的民機(jī)雙凸蒙皮數(shù)模Fig.2 Representative skin digital model for commercial aircraft

圖3 板材網(wǎng)格及應(yīng)變片位置Fig.3 Plate grid and strain gage position

圖4 人工時(shí)效對材料性能的影響Fig.4 Effects of artificial ageing on material properties

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙皮熱處理制度

針對T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，在固溶處理水淬后，研究了不同人工時(shí)效溫度和時(shí)間對板材材料性能的影響。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)效溫度越高或時(shí)效時(shí)間越長，板材的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度越高。

2.2 蒙皮拉形特性

針對T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材和熱處理T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，開展蒙皮拉形試驗(yàn)，拉形采用包覆-補(bǔ)拉的軌跡，拉形軌跡參數(shù)值如表3所示。

2.2.1 拉形過程

T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材包覆過程如圖5所示，分為3步，第1步夾鉗帶動(dòng)板材豎直向下運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到目標(biāo)位置，板材隆起（圖5（a））；第2步，保持豎直方向位移不變，夾鉗帶動(dòng)板材作水平拉伸運(yùn)動(dòng)，板材隆起高度逐步降低，逐步與拉形模具貼合（圖5（b））；第3步，當(dāng)水平拉伸位運(yùn)動(dòng)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，板材實(shí)現(xiàn)包覆貼模（圖5（c）），蒙皮的補(bǔ)拉過程如圖5（d）所示，在板材包覆貼模的基礎(chǔ)上，繼續(xù)沿水平方向拉伸板材，直至達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變值。

對于T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，拉形前需進(jìn)行熱處理，熱處理后板材開展拉形，熱處理后板材呈現(xiàn)不規(guī)則波紋狀，第1步夾鉗帶動(dòng)板材豎直向下運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到目標(biāo)位置，板材有較高的隆起（圖6（a））；第2步，保持豎直方向位移不變，夾鉗帶動(dòng)板材作水平拉伸運(yùn)動(dòng)，板材隆起高度逐步降低，但隆起高度不均勻，逐步與拉形模具貼合（圖6（b））；第3步，當(dāng)水平拉伸位運(yùn)動(dòng)達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，板材基本實(shí)現(xiàn)包覆貼模，板模間存在一定的間隙（圖6（c）），蒙皮的補(bǔ)拉過程如圖6（d）所示，繼續(xù)沿水平方向拉伸板材，板材與模具完全貼合，直至達(dá)到目標(biāo)應(yīng)變值。

表3 雙凸蒙皮拉形軌跡

圖5 T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形過程Fig.5 Stretch forming process of T3 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate

圖6 T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形過程Fig.6 Stretch forming process of T8 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate

圖7 包覆過程靠近懸空區(qū)的應(yīng)變測量（2060-T3）Fig.7 Strain measurement of free contacting zone in the wrapping process（2060-T3）

圖8 T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材表面補(bǔ)拉過程桔皮Fig.8 Orange phenomenon of T3 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate surface in post stretch process

圖9 T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材補(bǔ)拉過程靠近懸空區(qū)的應(yīng)變測量（2060-T8）Fig.9 Strain measurement of free contacting zone of T8 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate in post stretch process（2060-T8）

2.2.2 表面缺陷

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)包覆階段板材表面無桔皮現(xiàn)象，因?yàn)榘策^程板材表面的塑性應(yīng)變值較?。▓D7）。但是，補(bǔ)拉過程中，當(dāng)靠近懸空區(qū)的應(yīng)變值為0.0215時(shí)，T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材表面出現(xiàn)了輕度桔皮（圖8）。

對于經(jīng)熱處理的T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形過程，當(dāng)板材靠近懸空區(qū)的應(yīng)變值為0.0215時(shí)，板材表面出現(xiàn)了輕度桔皮，如圖9所示。

因此，Al-Li-Cu-Mg合金拉形過程出現(xiàn)桔皮的臨界應(yīng)變，與材料熱處理狀態(tài)無關(guān)。

2.2.3 塑性應(yīng)變

試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，在T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材補(bǔ)拉過程中，當(dāng)靠近懸空區(qū)應(yīng)變值＞0.048時(shí)，板材夾持區(qū)發(fā)生斷裂的可能性將增大；在經(jīng)熱處理的T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材補(bǔ)拉過程中，當(dāng)靠近懸空區(qū)應(yīng)變值＞0.082時(shí)，板材夾持區(qū)發(fā)生斷裂的可能性將增大。

測量拉形蒙皮的應(yīng)變分布，測量位置如圖10所示。圖11為材料熱處理狀態(tài)對板材塑性應(yīng)變分布的影響，可見對于T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，板材中間區(qū)域的塑性應(yīng)變較小，兩端區(qū)域的應(yīng)變較大，應(yīng)變值分布較為均勻（圖11（a））；對于T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材，兩端區(qū)域的應(yīng)變較大，且由兩端向中間逐步減小，ε1的最大值為0.09，高于T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材（圖11（b））。因此，T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材采用的熱處理制度，提高了材料拉形抗斷裂的能力。

圖10 塑性應(yīng)變測量位置Fig.10 Measurement locations of plastic strain

圖11 熱處理狀態(tài)對塑性應(yīng)變分布的影響Fig.11 Effects of heat treatment states on plastic strain distributions

3 結(jié)論

針對不同熱處理狀態(tài)的新型Al-Li-Cu-Mg合金板材，開展典型民機(jī)雙凸蒙皮拉形試驗(yàn)，揭示了新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮拉形特性：

（1）在新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形過程，桔皮現(xiàn)象主要出現(xiàn)在補(bǔ)拉階段，蒙皮懸空區(qū)應(yīng)變值＞0.0215時(shí)，板材表面將出現(xiàn)桔皮，且與材料熱處理狀態(tài)無關(guān)。

（2）采用包覆-補(bǔ)拉軌跡能夠克服板材熱處理對板材幾何形狀的影響，實(shí)現(xiàn)新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮成形。

（3）T3態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材中間區(qū)域的塑性應(yīng)變較小，兩端區(qū)域的應(yīng)變較大，應(yīng)變值分布較為均勻。固溶處理時(shí)效熱處理制度能夠提高T8態(tài)Al-Li-Cu-Mg合金板材的拉形能力。

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