2124铝合金时效成形保温工艺优化方法

吕 源

（西安科技大学 机械工程学院，西安 710072）

在航空领域，人们对于飞机结构材料的机械性能提出了越来越高的要求[1]。时效成形技术在成形过程中对材料进行热处理，大幅度提高材料性能，很好地满足了这一要求，已经成功运用于许多飞机上大型整体壁板的加工制造[2]。在众多学者的努力下，时效成形技术得到迅速发展[3-6]。但已有的研究往往忽略了升温速率波动对成形件塑性应变量的影响，而在生产过程中利用热压罐加热大型模具和飞机整体壁板时，升温速率波动是不可避免的，因此有必要对时效成形保温工艺优化问题展开研究。

1 试验与方法

为了研究升温速率和保温时间对成形效率的影响，本文设计了两组不同试验条件的应力松弛试验，即不同升温速率试验和不同保温时间试验。

1.1 不同升温速率应力松弛试验

以不同升温速率为应力松弛试验条件，部分试验方案包括 1.17℃ /min、1.24℃ /min、1.30℃ /min、1.36℃ /min等，测量得到相应的升温阶段应力松弛量为136.50MPa、132.38MPa、131.25MPa、130.87MPa，相应的保温阶段应力松弛量为22.00MPa、22.38MPa、21.63MPa、20.00MPa。由此可知，升温速率与应力松弛量成反比。

1.2 不同保温时间的应力松弛试验

制定了不同保温时间的应力松弛试验来研究保温阶段应力松弛量与时间的关系，保温时间为0h、2h、4h、6h、8h，相应的应力松弛量为0MPa、9.13MPa、13.75MPa、24.35MPa、28.96MPa。试验表明，在保温阶段，应力松弛量与时间成线性关系。

1.3 保温时间调节算法

为了降低升温速率波动对应力松弛量的影响，本文提出了保温时间调节算法。具体的做法如下：首先采用稳健支持向量回归算法分别拟合出升温速率和保温时间与应力松弛量之间的函数关系；然后由已知的升温速率计算出升温阶段的应力松弛量，最后利用非线性原理通过调节保温时间来精确控制保温阶段的应力松弛量，从而保证成形过程中应力松弛总量不变。

若给定升温速率，则弹性保温时间的计算方法如式（1）所示：

式中，t为优化工艺参数后的初始保温时间；S*为升温阶段应力松弛量；SAVG升温速率为1.48℃/min时的应力松弛量；Bv为保温阶段应力松弛速率。

以1.48℃/min为正常升温速率，此时S*-SAVG=0，保温时间为t；当升温速率高于1.48℃/min时，由于S*-SAVG＜0，弹性保温时间tB为初始保温时间t加上；当升温速率低于1.48℃/min时，由于S*-SAVG＞0，弹性保温时间tB应为初始保温时间t减去

2 验证与讨论

为了对本文提出的保温时间调节算法进行验证，设计了固定保温时间应力松弛试验和弹性保温时间应力松弛试验。为此，在1.17～1.75℃/min随机选取9个不同的升温速率作为试验条件，并将弹性保温时间应力松弛试验结果与固定保温时间应力松弛试验结果进行对比，对比结果如图1所示。

图1 两种不同保温工艺的塑性应变值

对两种不同工艺方法的试验数据进行统计，固定保温时间工艺的塑性应变均值为0.13532%，方差为2.1329；弹性保温时间工艺的塑性应变均值为0.13522%，方差为0.3894。显然，采用弹性保温时间方法的塑性应变方差比前者小了一个数量级。因此，采用弹性保温时间工艺能够降低升温速率波动对试件塑性应变的影响。

3 结语

本文提出了铝合金应力松弛成形保温时间调节算法，通过保温工艺时间优化设计来提高产品优化目标的稳健性。首先，设计了不同升温速率和不同保温时间两组应力松弛试验，试验结果表明：升温速率与应力松弛量之间存在非线性关系，保温时间与应力松弛量之间存在显著的线性关系。其次，以不同升温速率应力松弛试验为例，进行固定保温时间和弹性保温时间对比试验，结果表明：两种不同保温方法的塑性应变均值比较接近，但是采用弹性保温时间方法的塑性应变方差比前者小了一个数量级，这说明保温时间调节算法能够降低升温速率波动对塑性应变的影响。