航空学报08大飞机专刊(18)_航空信息_民用航空_通用航空

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7000系列铝合金可进一步时效处理 ,可以在时效处理的同时成形。为扩大时效成形工艺的应用范围 ,英国 Sout hampton大学 [4]、Alcan铝业公司与法国达索航空公司 [5]分别研制了 Al2Cu2Mg时效成形铝合金 ,这些合金都可以用做下翼面整体壁板并且具有良好的时效成形性。欧洲在 “FP5计划” [6]中专门设置了时效成形的跨国联合研究项目 ,主要开发时效成形在机翼 (包括下机翼面板 ,整体刚性机翼构件 ,摩擦搅拌焊后构件 )和机身 (包括双曲面板材以及采用摩擦搅拌焊焊接的整体机身构件 )方面的应用 ,并研究开发相应的时效成形铝合金。周贤宾等 [728]利用时效成形方法实现了火箭带筋壁板、飞机蒙皮等薄壁铝合金零件的校形。
综上 ,中国发展大型飞机有必要对大型机翼整体壁板时效成形技术进行研究。本文对单级时效、性能。而文献 [ 11 ]对 7150铝合金的时效研究表明 ,双级时效使合金保持高的强度 ,同时具有较高的电导率。文献 [12 ]研究表明重固溶后再经低温 2高温 2低温 (L HL)多级时效处理有利于提高 7175铝合金的综合性能。因此 ,机翼整体壁板时效成形应采用双 /多级时效 ,以提高成形壁板的综合性能。

11 2　振动时效成形工艺
振动时效技术 ( Vibratory Stress Relief Method ,VSR)的主要特点是对构件施加一交变应力。如果交变应力幅与构件上某点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限
,这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某点产生晶格滑移 ,尽管宏观上没有达到屈服极限 ,但仍会产生微
以提高壁板局部区域的应力水平、加速应力松弛 ,降低残余应力 ,提高壁板抵抗破坏的能力 (提高疲劳强度 ),降低应力腐蚀。 Andrew等[ 13 ]在时效成形静载荷的基础上叠加周期性的小载荷振动 (< 10 %静载荷 )促进壁板预应变向永久变形的转变 ,
并减小回弹 ,取得了很好的效果。

11 3　应力位向效应在时效成形工艺的应用
时效成形是在一定预应力下进行的 ,应力的存在对铝合金的一些微观组织特别是析出相的取向有显著影响 ,这一现象被称为应力位向效应。 Zhu等[14216 ]研究了 Al2xCu合金在一定压应力下人工时效后的微观组织结构 ,发现应力时效时片状θ′相由无应力时效时的垂直排列转变为定向排列。 Bakavos等[ 17 ]在研究 2XU铝合金拉应力作用下的时效时同样发现合金中片状 θ′相转变成了定向排列。 Zheng等[ 18222 ]在研究 Al231 88Cu (析出相为 θ′)及 Al231 87Cu201 56Mg201 56Ag (析出相为 Ω)合金拉应力时效微观组织时也发现 θ′及 Ω呈择优取向析出。 θ′及 Ω等析出相的应力位向效应可能导致时效成形 Al2Cu2Xi合金 (Xi为 1种或几种合金元素 )性能的各向异性。进一步的 “双级时效”研究表明 ,时效初期先进行短时间有应力时效 ,再施以长时间无应力时效 ,析出相 θ′及 Ω等呈择优取向析出 ;而先进行短时间无应力时效 ,再施以长时间应力时效 ,则未发现应力位向效应。

与气压时间曲线如图 2所示。向尺寸相对稳定 ,一般保持在 4m以内 ;③厚度变化比较大 ,厚度从 2 mm到 30 mm不等 ,加上加强筋的高度 ,一般不超过 60 mm;④曲率较小 ,曲率半径一般在 1m以上。 A380机翼壁板如图 3所示 ,其长达 33 m,宽达 21 8 m,厚度从 3 mm到 28 mm[3]。

图 1　壁板时效成形工艺流程图 Fig11　Stress relaxation age forming process of aircraft wing panel
图 3　A380机翼壁板 Fig13　A wing panel of A380
结合大型机翼整体壁板结构特点 ,为降低成形工装的成本 ,并使成形工装易于搬运安装 ,使基础支架系统可应用于不同壁板的成形 ,成形工装应采用模块化、标准化、柔性化的设计制造

图 2　壁板时效成形中热压罐内温度时间曲线和气压时间曲线 Fig1 2　Temperature2time and air pressure2time relation curves of the forming process in the clave

壁板时效成形有限元模拟主要分为加载、成形、卸载、回弹等阶段。成形的工艺流程、主要

形模拟后壁板与设计壁板的外形。如果模拟后

壁板与设计壁板外形误差不符合设计要求 ,则型面控制成形工装设计制造标准化、模块化、主要工艺参数以及修正模具柔性化具有如下重要优点 :①有利于成形模具的型面继续进行模拟 ,最终 ,模拟成形出合格的壁
思想。目前 ,一般采用卡板式型面控制成形工装 ,如图 4所示 [13 ]。卡板式型面控制成形工装采用垂直于底座的线阵支撑结构的外形曲线构成所需要的模具外形 ;卡板式型面控制成形工装的修整主要是通过调整各支撑结构的高度与外形曲线实现。

图 4　型面控制成形工装示意图 Fig14　Schematic diagram of tools for surface shape control
于节约材料。

然而 ,飞机壁板厚度变化比较大 ,厚度从几毫米到几十毫米不等 ,加载过程中较薄区域容易产生局部过载现象 ,影响成形质量。在成形过程中 ,可通过在壁板与成形工装之间添加一特定厚度的较高强度的均匀垫板 ,如不锈钢薄板来避免局部过载问题 [ 23 ]。
3　时效成形的回弹预测
时效成形过程中 ,壁板的弹性变形不断向塑性变形转变 ,但是 ,卸除载荷后 ,壁板仍有弹性变形存在 ,甚至回弹量达到 60 %～70 %[2]。因此 ,进行时效成形的回弹预测以调整工艺流程、优化工艺参数、修整模具型面是成形出合格壁板的关键。由于壁板零件外形曲面复杂 ,而回弹是一个非线性力学过程 ,完全依靠试验法预测回弹成本高昂 ,目前一般先采用有限元模拟的方法预测回弹 ,完成成形工装型面的初步修正 ,以减少修正次数。有限元模拟的精度主要依赖于所提供的壁板材料的蠕变、应力松弛的本构方程。

31 1　材料蠕变、应力松弛本构方程
壁板时效成形是一应力动态平衡、应变不断协调的过程。材料内部的变形过程既不等同于蠕变 ,亦不与应力松弛相同 ,因此 ,单纯的蠕变本构方程或应力松弛本构方程都不足以描述材料在时效成形中材料内部的应力、应变关系。
　
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