航空制造中的蠕變時(shí)效成形技術(shù)

2016-04-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在生活節(jié)奏快,壓力大,“慢生活”的概念逐漸火了起來?？磿?品茶,聽?wèi)?在喧囂嘈雜中享受內(nèi)心的寧?kù)o。工作中,我們也常說慢工出細(xì)活,不急于求成,精心制造才能打造完美產(chǎn)品。

蠕者,慢也,今天小編想跟大家講的蠕變時(shí)效成形,就是一種慢心態(tài)(不是懶啊喂!!!)的技術(shù)。

1.什么是蠕變時(shí)效成形

在講時(shí)效成形之前,先來科普一下什么是蠕變。蠕變是指固體材料在一定的溫度和較小的恒定外力作用下,其形變隨時(shí)間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。舉個(gè)生活中常見的栗子,家里用的晾衣繩,剛掛上去的時(shí)候繃得很緊,但晾曬衣服用得久了繩子就變得松弛了。

最為關(guān)鍵的一點(diǎn)是,材料的變形不是像塑性變形那樣在短時(shí)間較大的力作用下完成,而是遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度的力長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)緩慢作用的結(jié)果。

有了蠕變的概念,我們?cè)賮砜纯词裁词侨渥儠r(shí)效成形。蠕變時(shí)效成形(creep-age forming)主要是將材料的人工時(shí)效與零件成形相結(jié)合,同時(shí)利用材料在彈性應(yīng)力作用下于一定溫度時(shí)發(fā)生的蠕變變形,從而得到帶有一定形狀的結(jié)構(gòu)件。

2.蠕變時(shí)效成形的過程

蠕變時(shí)效成形工藝過程可分為3個(gè)階段:

1)加載。在室溫下,將零件通過一定的加載方式使之產(chǎn)生彈性變形,并固定在具有一定外形型面的模具上。

2)人工時(shí)效。將零件和模具一起放入加熱爐或熱壓罐內(nèi),在零件材料的人工時(shí)效溫度內(nèi)保溫一段時(shí)間,材料在此過程中受到蠕變、應(yīng)力松弛和時(shí)效機(jī)制的作用,內(nèi)部組織和性能均發(fā)生較大變化。

3)卸載。在保溫結(jié)束并去掉模具的約束后,所施加到零件上的部分彈性變形在蠕變和應(yīng)力松弛的作用下,轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰盟苄宰冃?從而使零件在完成時(shí)效強(qiáng)化的同時(shí),獲得所需外形。

3.蠕變時(shí)效成形的力學(xué)特性

下圖是蠕變時(shí)效成形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線。

在初期彈性加載的過程中,彈性應(yīng)變逐漸增加;當(dāng)進(jìn)入時(shí)效保溫過程時(shí),隨著加載時(shí)間的增加,蠕變變形逐漸增加,而彈性形變因總變形不變而逐漸減少,由于彈性變形降低引起應(yīng)力相應(yīng)地減少產(chǎn)生應(yīng)力松弛;最后,去除外加約束,零件自由回彈,由于蠕變應(yīng)變的存在,零件將無法回彈到初始狀態(tài),從而保留了一定的外形。

4.蠕變時(shí)效成形的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的冷加工塑性變形相比,蠕變時(shí)效成形的優(yōu)點(diǎn)主要有:

1)蠕變時(shí)效成形時(shí),成形應(yīng)力通常低于其屈服應(yīng)力,因此相對(duì)于常規(guī)塑性變形而言,時(shí)效成形減小了零件因進(jìn)入屈服狀態(tài)后而引發(fā)失穩(wěn)甚至破裂的危險(xiǎn),大大降低了零件發(fā)生加工裂紋的幾率;

2)利用材料時(shí)效強(qiáng)化和應(yīng)力松弛特性,在成形的同時(shí),還完成了對(duì)零件材料的人工時(shí)效強(qiáng)化,從而改善了材料的微觀組織,提高了材料強(qiáng)度;

3)蠕變時(shí)效成形的零件具有很高的成形精度、可重復(fù)性和成形效率。在成形復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的零件時(shí),時(shí)效成形技術(shù)僅需要一次熱循環(huán)就可使零件的外形達(dá)到所需精度,外形精度誤差小于1mm;

4)蠕變時(shí)效成形的零件內(nèi)部殘余應(yīng)力幾乎完全被釋放,尺寸穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)像噴丸成形的零件在放置一段時(shí)間后因內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放而造成外形變化等問題。此外,對(duì)于焊接整體壁板,還可有效降低焊接殘余應(yīng)力,增強(qiáng)耐應(yīng)力腐蝕能力,延長(zhǎng)零件的使用壽命。

5.蠕變時(shí)效成形的關(guān)鍵技術(shù)

01工裝外型面優(yōu)化技術(shù)

由于受到材料本身時(shí)效周期的限制,無法將試件內(nèi)已有的彈性變形全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?因此成形后均存在一定的回彈量。通常,回彈量可達(dá)到總應(yīng)變量的70%以上。因此,應(yīng)用蠕變時(shí)效成形工藝需要精確預(yù)測(cè)回彈量,并將回彈量補(bǔ)償?shù)侥＞咝兔嫔?只有解決這一關(guān)鍵問題,才能得到所需的零件外形。

最初,對(duì)于零件成形后回彈量的確定主要是采用試錯(cuò)法,通過大量的基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)公式的外推來完成對(duì)模具型面的設(shè)計(jì)。由于這種方法效率不高,而且適應(yīng)性較差,數(shù)值模擬被引入到了蠕變時(shí)效成形技術(shù)的研究中。

一種方法是通過有限元模擬的方法從宏觀角度進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,利用有限元建立能夠描述蠕變成形的材料本構(gòu)模型。然而由于該方法忽略了成形過程中時(shí)效強(qiáng)化和塑性應(yīng)變之間的相互作用,因此還無法對(duì)蠕變時(shí)效成形過程進(jìn)行全面準(zhǔn)確的描述。

當(dāng)前,隨著材料微觀組織演化模擬理論的不斷完善以及各種測(cè)試手段的出現(xiàn),研究材料微觀組織演變和蠕變時(shí)效成形過程工藝參數(shù)之間的關(guān)系,建立它們之間的本構(gòu)方程,已成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究人員的主要研究方向。

02蠕變時(shí)效成形工裝

蠕變時(shí)效成形發(fā)展之初,主要是通過機(jī)械壓板或卡板使零件產(chǎn)生彈性變形,使用普通熱處理爐即可進(jìn)行。該種工裝比較容易實(shí)現(xiàn),但由于機(jī)械加載所產(chǎn)生的壓緊力不夠大且分布不均勻,因此該種方法一般僅限于成形不太厚的、厚度均勻的和加強(qiáng)筋與成形軸線平行的零件。

20世紀(jì)80年代中期,美國(guó)Textron公司開發(fā)了熱壓罐蠕變時(shí)效成形工藝。其基本的成形過程是先用真空袋和密封裝置將零件和工裝的型面密封起來,通過抽真空,使零件在上下表面空氣壓差的作用下固定到工裝的型面上,然后一同放入熱壓罐內(nèi),通過熱壓罐的壓力系統(tǒng)對(duì)零件施加足夠的均勻壓力,使零件完全貼合到工裝型面上,與此同時(shí)加熱到一定溫度并保溫一定時(shí)間,完成對(duì)零件的精確時(shí)效成形。因此,該工裝工藝能夠很好地控制零件的外形,特別適合具有復(fù)雜外形和結(jié)構(gòu)的大型整體壁板構(gòu)件的成形。

6.蠕變時(shí)效成形與航空制造

由于蠕變時(shí)效成形具有諸多優(yōu)點(diǎn),因此歐美等國(guó)很早就開展了對(duì)時(shí)效成形技術(shù)的相關(guān)研究,并已將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮和壁板制造中。

軍用飛機(jī)方面,以美國(guó)B-1B超音速戰(zhàn)略轟炸機(jī)的上下機(jī)翼壁板為典型案例。

在當(dāng)時(shí),這被認(rèn)為是飛機(jī)工業(yè)使上所成形的最大、最復(fù)雜的機(jī)翼壁板。該零件材料采用可熱處理強(qiáng)化的鋁合金2124和2419,厚度突變從2.54mm增加到63.5mm,展向有整體加強(qiáng)桁條。該壁板的生產(chǎn)采用熱壓罐時(shí)效成形技術(shù),壁板表面十分光滑,形狀準(zhǔn)確度高,裝配貼合度可控制在0.25mm以下。

在民用飛機(jī)的應(yīng)用方面,空客、波音和麥道的早期機(jī)型已經(jīng)部分采用該項(xiàng)技術(shù),如MD82、A330/340和A380等大型民用飛機(jī)的整體壁板制造中。

其中采用蠕變時(shí)效成形技術(shù)制造的A380飛機(jī),機(jī)翼上壁板材料為鋁合金7055,零件長(zhǎng)33m,寬2.8m,變厚度3mm~28mm,成形后外形貼合度小于1mm。

2000年美國(guó)NASA的IAS(Integral airframe structures)研究計(jì)劃將該技術(shù)列為整體機(jī)身結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)之一。

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