2024-W铝合金型材不同预拉伸力对拉弯回弹的影响

2020-09-11窦志家杭天明王东辉霍冬华

铝加工 2020年4期

窦志家，杭天明，曹宇，王东辉，霍冬华

(营口忠旺铝业有限公司，营口115000)

0 前言

2024铝合金是一种可热处理强化的Al-Cu-Mg系铝合金，具有高的比强度、比刚度及优秀的成形性能，在国防军工、航空航天等诸多领域得到了广泛的应用[1-3]。但由于2024铝合金淬火后在室温条件下放置时其自然时效硬化过程速度较快，给后续的大变形折弯加工增加了难度。本文在固溶冷藏后对2024-W铝合金型材用预拉伸变形代替淬火后的张力矫直，以降低材料的硬化程度，并研究了在不同拉伸力作用下材料拉伸回弹的变化。同时建立线塑性方程，通过计算对拉弯工艺进行控制及预判，确定合理的预拉伸应变量，减少拉弯回弹对材料一次加工成形的影响，提高生产效率。

1 试验材料与方法

试验铸锭采用半连续铸造工艺生产，其规格为ϕ247 mm×570 mm，成分控制如表1所示。铸锭经均匀化处理后，采用20 MN高精密单动反向挤压设备进行工艺试制生产。

对力学测试样件进行固溶处理，并在其淬火后半小时以内完成力学拉伸试验，通过屈服强度、抗拉强度和延伸率的平均值建立线塑性方程，对不同变形量的预拉伸力值进行计算，以便于在线试制控制。

试制材料采用1级均匀性立式淬火炉进行热处理。此过程会产生较大的热应力梯度[4]，材料经完全冷却后表面将会产生压应力，而内部产生拉应力。若不进行消除，会对材料弯折后精加工产生极大影响，并影响问题分析及工艺控制。为此，结合消除淬火应力的工艺可行性，淬火后快速将材料低温冷藏以保持零件的固溶状态，并在取出后半小时内完成拉弯试制。拉弯过程中采用预拉伸替代淬火后张力矫直，预拉伸量从1%增至3%，并通过刻度法对比线塑性方程在力值控制下的拉伸量差异性。拉弯设备采用美国进口的75 t转臂拉弯机，过程采用变力包覆，其试验方案如图1所示。

表1 2024铝合金国标化学成分（质量分数/%）

2 试验结果

2.1 线塑性方程建立

对材料W状态进行多次测量，其屈服强度σ0.2、σb及延伸率均值分别为152 MPa、375 MPa和22%。根据《中国航空材料手册》[5]，弹性模量取72 GPa，材料线塑性方程如公式（1）所示。结合公式及材料截面面积，确定1%～3%不同应变量下的预拉伸力大小，如表2所示。

表2 不同应变量对应的张力预拉伸力

2.2 弯折结果

通过对折弯数据的整理，不同应变量下预拉伸理论伸长长度与实际长度的差值如图2所示。从中可以看出不同预拉伸应变量下理论预拉伸长度与实际预拉伸长度差值的变化趋势，即随着拉伸量的增加，长度差值逐渐增加，且经现场测量发现实际拉伸长度小于理论拉伸强度。经过计算实际预拉伸应变量在0.9%～2.6%之间，满足试验要求。

不同预拉伸量与拉弯后回弹变化趋势如图3所示。从图3可以看出，在不同应变量的预拉伸力下进行弯折后，随着预拉伸变形量增加，材料的回弹逐渐减少。通过观察发现，当应变量在1.5%以下时有可视褶皱；在应变量达到2.5%以后，回弹变化较少，没有明显的可视褶皱。

3 试验分析

3.1 预拉伸量理论与实际差异分析

根据试验结果可知，随着理论预拉伸量增大，理论拉伸量和实际拉伸量的差值不断增加。这是由于采用线塑性直线方程近似替代真实工程曲线所导致的结果。图4为工程应力-应变拉伸塑性曲线。从图中看出，在相同的应力下，其实际应变量低于理论应变量，并且差值是先增加后降低，即越接近屈服点和抗拉点，其差异性越小。在1%～3%应变量范围内，由于偏离屈服点距离相对较小，虽然差值随应变量有所增加，但通过实际测量，认为此结果是可接受的。

3.2 拉弯回弹问题分析

试验结果表明，随着预拉伸力增加，内弧褶皱消失，回弹量逐渐减少，并且回弹量变化速率减小。这是由于在预拉伸力的作用下，型材进入塑性变形阶段，在弯曲过程中，应力中性层将变形区划分为拉、压两个区域，外层金属受到拉应力产生更大的塑性变形。内层金属根据预拉伸应力大小不同，进入弹性卸载过程，或是反向弹塑性压缩变形，如图5所示。

根据学者对内弧褶皱的有关研究结果[6]，回弹后零件中性层半径与其相应变量之间的关系如公式（2）所示。从公式（2）可知，当模具和材料确定，即R和E为定值时，Rcel大小及变化跟材料应变刚模量D有关。再结合图5，随着预拉伸变形量的增加，D值变小，零件回弹中性半径Rcel减小，即中性层向内层偏移，随着预拉伸力的增加，材料弯折受力变形，由内层反向压缩塑性变形向内层反向压缩弹性变形转变[7-9]，从而使得褶皱消除。

随着预拉伸力增加回弹量减少是由于受到内弧与外弧应力差值影响所致[10]。而内外弧应力与其对应变刚模量成正比，即随着预应力增加，内弧与外弧的应变刚量差距减少，进而使得内外弧应力差值减少，回弹量减少。但受到应力-应变曲线特性限制，随着预拉伸力逐渐增加，内、外弧应变刚模量差值的变化速率降低，导致预拉伸力增加到一定程度后，回弹量变化速率逐步减少，并趋于稳定。

式中，Rcel为零件回弹中性半径；R为截面几何中心半径；D是材料应变刚模量，即对应塑性应变的加工硬化指数；E是材料弹性模量。