Advances and challenges on springback control for creep age forming of aluminum alloy

Creep age forming (CAF) is an advanced forming technology that combines creep deformation and age hardening processes. When compared with the conventional forming technologies including roll bending and shot-peen forming, CAF has many advantages of low residual stress, excellent dimensional stability, good service performance and short production cycle. It is an optimal technique for precise manufacturing for shape and properties of large-scale complicated thin-walled components of light-weight and high strength aluminum alloys in the aviation and aerospace industries. Nevertheless, CAF has an inevitable disadvantage that a large amount of springback occurs after unloading, which brings a challenge on the accurate shape forming and property tailoring of components. Therefore, how to achieve accurate prediction and control of springback has always been a bottleneck hindering the development of CAF to more industrial applications. After the factors of affecting springback and measures of reducing springback are summarized from the internal and external aspects, constitutive models for predicting springback and springback compensation methods for CAF of aluminum alloy panel components are reviewed. Then, a review of research progresses on tool design for CAF is presented. Finally, in view of the key issue that it is difficult to predict and control the shape and properties of components during CAF, the technical challenges are discussed and future development trends of CAF are prospected.     

22MnB5超高强钢板热成形中的回弹机理分析

回弹是影响热冲压件形状精度的主要因素,为研究影响22MnB5超高强钢板热冲压成形中回弹的因素,在不同温度下对22MnB5高强钢板进行拉伸试验,考察了变形温度和应变速率对弹性应变和蠕变应变的影响,获得其热力学性能。通过等温度和非等试验考察了变形温度、热成形终了温度和压边对热成形后回弹的影响。采用有限元法对槽形件非等温热成形过程进行了数值模拟。从试验结果和模拟结果可知,热效应是引起回弹的主要因素,蠕变应变减少了热成形后的回弹量。蠕变应变和热效应是影响热成形中回弹的主要因素。     

Dependence of creep age formability on initial temper of an Al-Zn-Mg-Cu alloy

The initial temper of the material may directly affect the whole creep age forming(CAF)process. In terms of creep deformation and stress relaxation, using the constant-stress creep aging and constant-strain stress relaxation aging tests, the relationship between initial temper and CAF formability is investigated for an Al-Zn-Mg-Cu alloy at 165 °C for 18 h. Three tempers are selected as the initial tempers in CAF, viz., solution, retrogression and re-solution. The CAF formability of this alloy with initial temper of retrogression is the best, and the creep strain of the retrogression tempered specimen after creep aging of 18 h is about 1.21 and 1.34 times than that of the solution and the re-solution tempered specimens, respectively. The calculated stress exponents of this alloy with three initial tempers range from 7.3 to 9.5, indicating that the CAF of this alloy is mainly controlled by the dislocation creep. The various formability for three initial tempers are attributed to different inhibitions of the transgranular precipitates on the dislocation movement. For the retrogression temper, the initial fine and uniformly distributed precipitates are seriously coarsened after6 h of CAF, which minimally inhibit the dislocation movement. While, for the re-solution temper,the fine precipitates are re-precipitated in the matrix of the alloy, which observably hinder the dislocation movement and lead to the worst formability.     

LY12蠕变时效成形机制及回弹规律研究

研究了LY12的蠕变时效成形过程中第二相的析出演变特征,从微观角度分析了蠕变时效成形的强化机制。修正蠕变本构方程并开发为ABAQUS/CREEP,模拟研究了时效时间、时效温度和预弯半径对回弹规律的影响,建立了回弹函数。验证结果表明,回弹函数的计算准确率较高。     

大型机翼整体壁板时效成形技术

 分析了单级时效、双/多级时效、振动时效以及应力位向效应等工艺措施和因素对铝合金机翼整体壁板材料时效成形特性的影响,得到以下结论：应采用双/多级时效处理,以提高成形后壁板材料的综合性能;应采用振动时效应力松弛,以加速应力松弛,降低回弹,并提高成形后壁板材料的抗疲劳性能;对时效过程中存在应力位向效应的铝合金,应设计合适的时间温度曲线与加载曲线,以避免壁板材料因应力位向效应产生各向异性,导致材料屈服强度降低。提出了大型机翼整体壁板时效成形的工艺流程,给出了成形过程中热压罐内的温度时间曲线和气压时间曲线;提出了成形工装的模块化、标准化与柔性化设计以及解决壁板时效成形回弹问题的有限元方法,并对中国研究发展大型机翼整体壁板时效成形技术提出了建议。     

Improved creep aging response in Al-Cu alloy by applying pre-aging before pre-straining

The improvement of post-form properties without compromising creep formability has been a critical issue in creep age forming of aluminum alloy component. A pretreatment process incorporating artificial pre-aging at 165 °C for 6 h/12 h/24 h followed by pre-strain(3%–9%)has been developed. This method not only evidently improves the strength but also accelerates the creep deformation during creep aging of an Al-Cu alloy. A strength increase of 50 MPa with a slight decrease of ductility relative t...     

基于响应曲面的时效成形材料参数修正

为了提高时效成形中回弹现象的有限元仿真精度,使用均匀试验设计结合响应曲面设计的方法,建立了仿真误差对于材料参数的响应函数,求解出材料参数的修正解。以此法得到的仿真结果与试验结果相吻合。     

硬铝合金预拉伸、热处理后成形性能的正交试验研究

在铝合金实际成形工艺的基础上通过正交试验研究了成形过程的各个因素:热处理前的变形、试件取样拉伸方向、时效时间及材料厚度对淬火后铝合金各成形性能指标的影响,得到了这些因素对材料各个性能指标的影响规律和新淬火状态下铝合金成形性能的特点,指出了热处理后材料的变形效应并没有消失,甚至依然显著地影响着某些成形性能,给出了2D12铝合金板料在新淬火状态下的本构关系,为成形工艺的制定及数值模拟分析提供了依据。     

预处理对2219铝合金蠕变行为及力学性能的影响

为了研究不同预变形量对铝合金蠕变行为及力学性能的影响规律。以2219铝合金为研究对象,在温度为175℃,180 MPa应力条件下,研究0~8%的预变形量对2219铝合金蠕变行为及力学性能的影响。结果表明:预变形处理的引入,材料的蠕变变形量和力学性能大幅度增加。当预变形处理量为1%时,其蠕变变形量较未处理时试样蠕变变形量增加了118%。而随着预变形量的继续增加,试样的的力学性能呈现快速下降的变化趋势。综合考虑蠕变变形量与力学性能时,最利于构件的蠕变时效成形的2219铝合金的预变形处理量为3%。     

金属间化合物TiAl(W,Si)合金的蠕变行为和机制

 研究了 Ti-47Al-2 W-0.5 Si合金在 650～ 750℃区间的蠕变行为和变形机制。结果表明,合金 650℃蠕变寿命与施加应力之间符合线性的双对数关系,可用表达式 lg^t_f=10 lg^R+30来描述。蠕变寿命与最小蠕变速率之间满足 Monkman-Grant关系的修正式。合金的比蠕变强度与抗热腐蚀镍基高温合金 K438G相当。在700℃变载荷下蠕变时具有与恒载荷下蠕变相类似的特征。 800℃长期时效粗化合金组织,降低蠕变寿命。位错滑移和形变孪生是合金蠕变的主要变形机制。     

新型Al-Zn-Mg-Cu合金双级时效制度研究

采用硬度法测定了一种新型Al-Zn-Mg-Cu合金挤压带板的GP区临界形核温度TV（GP区在此温度下形核不依靠空位浓度）和TC（GP区在此温度以上不能形核）。他们的温度区间分别为130～140℃和170～180℃。依据实验结果确定了合金的一级时效温度为120℃,二级时效温度为165℃。合金在120℃/4h+165℃/8h制度下热处理后,L向的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断裂韧度和电导率分别为617MPa,590MPa,13.5%,41.6MPa m^1/2和39.1%IACS,是一种综合性能优良的双级时效600MPa级铝合金。     

整体壁板时效成形的回弹预测及模面补偿技术

时效成形是一种用于制造飞机整体壁板零件的成形工艺。由于其具有回弹量大的特点,需要开发一种准确预测成形后回弹量的方法,并在此基础上对模具型面进行补偿,以消除回弹对成形精度的影响。本文将有限元法应用于网格式高筋壁板时效成形及回弹的分析,并通过实验验证了有限元预测回弹量的准确性。提出了一种基于有限元回弹预测的适用于铝合金时效成形的模具型面补偿算法,并应用该算法进行了复杂高筋整体壁板局部件时效成形的修模计算分析。通过9次迭代计算,零件成形误差减小到0.4 mm以内,证明了该算法具有收敛速度快、精度高的优点。     

铝合金厚板时效成形回弹补偿算法

 时效成形是一种适用于飞机整体壁板零件制造的成形工艺,具有回弹量大的特点,因此需要在准确预测回弹量的基础上对模具型面进行修正,以消除回弹对成形精度的影响。本文提出了一种基于有限元计算驱动的适用于铝合金时效成形的模具型面迭代修正算法,并应用该算法进行了单曲率的圆柱面零件、双曲率的球面零件及马鞍形零件的修模计算分析。通过4次迭代计算,使圆柱面和球面零件成形误差减小到0.4 mm以内;通过5次迭代,使马鞍形零件除4个角部外,其余部位型面误差小于0.5 mm。证明了该回弹补偿算法具有计算精度高、收敛速度快的优点。     

FEM Analysis of Spring-backs in Age Forming of Aluminum Alloy Plates

The age forming technology, characterized by huge spring-backs, has been developed to manufacture large integral wing-skin panel parts, which necessitates devising a method of predicting spring-backs. A 7B04-T7451 aluminum alloy creep test in tension is accomplished at 155 ℃, and the creep curves are obtained. The material constants of the mechanism-based creep constitutive equations are determined through experiments. The age forming process and the spring-backs of 7B04 aluminum alloy plates are analyzed using the commercial finite element software ABAQUS. The effects of plate thickness and forming time on spring-backs are researched. The spring-backs decrease with the increase of plate thickness and forming time. The test results verify the reliability of the finite element method （FEM） analysis.     

2060铝锂合金冷模热成形界面换热系数确定的实验与算法

2060铝锂合金具有密度低、比强度高等优势,在航空航天零件制造领域已得到广泛应用。通过冷模热成形工艺可以提高2060铝锂合金成形性,减少开裂、拉毛、回弹等缺陷的发生,后续时效处理可以提高零件整体刚度。然而在实际成形过程中缺乏对温度场的准确预测,即缺乏2060铝锂合金在变压强下界面换热行为的准确描述,无法对成形效果进行评估。本文利用冷模热成形界面换热测试平台,对不同压强下2060铝锂合金与H13热作模具钢的换热行为进行测试研究,基于考虑模具钢变热物性参数的显式有限差分法反算模具表面温度,计算得到不同压强下的界面换热系数,并与Beck反传热算法进行对比,两者计算结果相近。实验结果显示2060铝锂合金IHTC随压强增大而增大,在20 MPa下IHTC=1.906 6 kW/（m²·K）。改进的有限差分法具有计算效率高、速度快、反映实际模具内部温度场、误差较低等优点,可拓展应用于其他薄板材料在冷模热成形条件下的界面换热系数求解。     

公转速度对冷滚打成形制件回弹影响研究

在冷滚打成形过程中,滚打轮对工件击打和滚压的同时,工件变形区域储存了较大的弹性应变能,导致工件成形结束后会出现回弹,回弹现象对成形工件的廓形精度有着较大的影响。本文主要针对滚打轮公转速度与回弹量之间的关系进行研究。建立了冷滚打成形回弹的有限元仿真模型,通过动态仿真分析获得了不同公转速度时成形齿槽截面在切向、轴向和径向的变形规律;通过静态分析获得了成形齿槽截面各部分在不同公转速度下切向、轴向和径向的回弹规律。结果表明,相同工艺条件下冷滚打实验得到的工件廓形与仿真结果吻合,验证了仿真结果的正确性,通过合理选择工艺参数可以有效控制回弹,提高制件成形精度。     

TiAl合金PST晶体中Ti3Al片层取向对其蠕变性能的影响

 对２种硬取向（＝９０°和０°,为外力轴与片层界面的夹角）的ＴｉＡｌ合金ＰＳＴ晶体试样的高温压缩性能及蠕变性能进行了测试,并对其蠕变组织进行了观察。结果表明：２种取向试样的屈服强度及蠕变性能存在明显的差异;在Ｔ＝８００℃,σ＝３５０ＭＰａ蠕变条件下,＝９０°试样过早出现蠕变失稳阶段,这与该取向试样片层组织中α２相在蠕变过程中发生球化及剪切带的形成有关。     

碳纤维环氧预浸料前热处理及储放老化对复材力学性能的影响

基于DSC测试数据,采用非模型拟合动力学方法 Flynn-Wall-Ozawa(FWO)对碳纤维环氧预浸料的固化过程进行研究,并将试验结果与模型预测进行对比。结果表明,采用FWO法能很好地预测预浸料的固化行为。同时,结合热隔膜成型工艺特点,将预浸料分别置于80℃和室温中进行分段处理,将经不同预处理的预浸料采用相同的固化工艺制作成复合材料板并进行力学测试。结果显示,随着80℃预加热时间的延长,层合板剪切强度逐渐降低,试样厚度增加,弯曲模量略微低,弯曲强度出现小幅度波动。室温老化结果表明,随着老化时间的延长,层合板的层间剪切性能和弯曲性能都存在小的波动,但无明显规律。     

热处理对激光增材制造TC4合金耐蚀性及室温压缩蠕变性能的影响

随着钛合金装备在航空、航天、航海等领域的使用逐渐增多,其服役环境日益严苛,对构件材料的抗腐蚀性能及室温应力蠕变性能提出了更高要求。针对钛合金耐蚀性及抗压缩蠕变的性能,分析了激光增材制造TC4合金不同热处理状态试样电化学及室温压缩蠕变性能,并结合蠕变曲线修正了蠕变第Ⅰ阶段本构方程的参数。结果表明,双重退火处理会显著减小增材制造TC4钛合金中α板条长径比与尺寸,而固溶时效可使α板条长径比增大、尺寸减小,导致了材料耐蚀性、屈服极限以及抗压缩蠕变性能的变化。沉积态合金经过固溶时效后自腐蚀电流降低64.92%,稳态蠕变应变率降低46.31%,蠕变应变降低50%。而经过双重退火后合金自腐蚀电流降低26.14%,稳态蠕变应变率提升111.20%,蠕变应变提升48.68%。相比于铸锻工艺制备TC4合金蠕变本构方程,修正后的拟合系数与蠕变曲线吻合度更高。     

蠕变时效成形的关键技术及应用

蠕变时效成形是实现大型蒙皮和壁板件成形的有效方法。分析了蠕变时效成形的原理,结合试验分析了蠕变时效成形的实际效果,详细论述了载荷施加方式和型面确定方法等关键技术,并阐述了蠕变时效成形可能的应用领域和应用前景。