胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究_尚勇.pdf

第 58 卷0引言铝合金环形薄壁件是航空航天中广泛应用的典型零件，如固体火箭发动机关键连接件裙、航空发动机机匣等。环形薄壁件壁厚与内径曲率半径之比小于 1:20，壁厚小（最薄处 1mm）、刚度差，抵抗变形的能力很弱，制造加工工艺往往繁复、难度大，常常产生加工变形1。由于航空航天发动机对零部件尺寸精度和几何精度的要求都较高，当变形量过大时，工件超差甚至报废，严重影响着航空航天产品质量及交付进度2。根据型号工程一线制造中产生的加工变形及相关资料综合分析，铝合金零部件加工变形问题与材料中残余应力的大小及分布情况密切相关。研究表明：铝合金固溶淬火后、时效处理前对其进行一定程度的冷变形，能够消除淬火残余应力、调节合金组织、改善材料力学性能3。目前，许多学者研究了冷变形对铝合金板料淬火残余应力的影响，针对环形件的研究较少。铝合金环形件在固体火箭发动机上大量应用，因此开展环形件相关研究显得十分重要和必要，本文以某固体火箭发动机用铝合金环形件为研究对象，首先利用有限元软件 ABAQUS 对 2219 铝合金环形件淬火及胀形进行有限元模拟，将整个过程中的残余应力进行了对比，从而得到不同胀形量对环形件的淬火残余应力的消减规律。再进行 2219铝合金环形件淬火及胀形试验，采用压痕应变法测试环形件残余应力，比对试验结果与模拟结果。1铝合金环形件淬火及胀形法有限元分析1.1淬火有限元模拟及结果分析某固体火箭发动机用 2219 铝合金环形件具体尺寸如图 1 所示，该材料不同温度下的力学性能参数及热物性能材料参数见表 1 所示4。根据制造工厂已有工艺及相关文献标准，固溶温度选择 530，淬火转移时间为 10s，淬火介质为水、浸没式入水、水温为 20，冷却时间 600s。此过程中 2219 铝合金与空气的对流换热系数取为5。参考相关文献确定 2219铝合金与水的对流换热系数6，如表 2 所示。模拟分析中网格类型依据分析步选择，热传导分析选择收稿日期：2022-12-15；修订日期：2023-01-23作者简介：陈浩（1990），男，工程师，硕士，从事材料成形技术研究胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究尚勇，陈浩，曲中兴，宋泽彬（西安航天动力机械有限公司，陕西 西安 710025）摘要：针对铝合金淬火残余应力突出的问题，研究了消减铝合金环形件淬火残余应力的方法即胀形法。该方法通过液压胀形机对环形件施加胀形力，使得环形件产生拉伸的效果。采用 ABAQUS 有限元软件对 2219 铝合金环形件淬火残余应力及胀形法进行有限元模拟。进行胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力工艺试验，采用压痕应变法对环形件的残余应力进行测试。研究结果表明：该环形件淬火残余应力很大，最大值超过 300MPa；胀形法可有效消减淬火残余应力，当胀形量为 3%时，残余应力幅值降至40MPa 以内；试验结果与模拟结果一致。关键词：环形件；淬火残余应力；胀形法中图分类号：TG146.2+1文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.031文章编号：1672-0121（2023）03-0132-04第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.20231520143013482906060图 1铝合金环形件几何模型132-第 3 期Heat Transfer 单元，即 DC3D8：8 节点的线性传热六面体单元；热应力分选择 3D Stress 单元，即 C3D8R：8 节点的线性六面体缩减积分单元。环形件具有对称性，淬火结束后取环向截面进行残余应力分布情况分析，如图 2 可知，环形件厚壁段心部及外部残余应力较大，环形件中间段残余应力较小，厚壁段心部出现了明显的应力集中，残余应力最大幅值超过了 300MPa，淬火残余应力很大，必须采取合理措施予以消减。1.2胀形法有限元模拟及结果分析利用有限元软件对含有淬火残余应力的铝合金环形件进行冷胀形模拟,为了说明不同胀形量下的环形件各部分淬火残余应力消减效果，在环向截面上应力集中区域选取如图 3 所示的路径，该路径共包含 7 个节点，按此路径绘制不同胀形量下该路径上环向残余应力曲线，如图 4 所示。从图 4 可以看出，胀形后残余应力得到了显著降低，胀形量从 1%到 2%时残余应力变化很大，从2%增加到 3%时的残余应力变化很小，随着胀形量的增大，残余应力绝对值在不断减小，但当胀形量增大到 4%时，环形件残余应力绝对值反而出现部分增加。因此胀形量不是越大越好，过大的胀形量可能会引入残余应力。胀形量为 3%时残余应力的整体消除率较好，残余应力的最大值从接近 300MPa 降低至40MPa 以内。2环形件淬火及胀形法试验研究为验证胀形法消减环形件淬火残余应力的有效性及有限元模拟结果的准确性，开展环形件淬火及胀形工艺试验，试件尺寸及热处理工艺均与有限元模拟保持一致。胀形处理在 YZK-1000 全液压胀形机上进行，分别施加 1%、2%和 3%的胀形量，胀形量由液压控制系统精确控制。采用压痕应变法对残余应力的变化进行测量，压痕应变法测试采用中科院金属研究所生产的KJS-2 型压痕应力测试系统，为了便于测试，在环形件内圆距离上下端面 60cm 处和外圆距离上下端面96cm 圆周表面均匀选取 4 个点，如图 5 所示，用以表征环形件残余应力的变化，淬火及胀形后残余应力如表 3 所示，试验结果表明：胀形后环形件残余应力幅值得以降低，胀形法消减 2219 铝合金环形件淬火残余应力具有较理想的效果，且随着胀形量的增加试件残余应力幅值越来越小。有限元模拟结果与试验结果变化规律趋于一致。3结论对 2219 铝合金环形件的淬火残余应力进行了研究，建立有限元模型，获得 2219 铝合金环形环淬火残余应力的详细结果，进行胀形的有限元模拟，分析了不同胀形量下环形件淬火残余应力消减效果，表 12219 铝合金力学性能参数及热物性能材料参数温度泊松比弹性模量屈服强度热膨胀系数密度导热系数比热T/E/GPas/MPa/（10e-6/）/（g/cm3）K/（W/（m ）c/（J/（g ）250.33471.84834520.8002.848130.7100.8621000.33769.19632422.9992.833141.0390.9022000.34265.25820424.0342.812150.4000.9453000.34760.8587525.0812.790156.7380.9854000.35355.9982026.1422.767160.9821.0255000.36050.674827.2152.742163.5721.074表 2对流换热系数温度 T/对流换热系数 hf/（W （m2 ）-1）2515005024601004450150750020010850250150003001300040035005001000尚勇，等：胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究133-第 58 卷3002001000-100-200环向残余应力/MPa3002001000-100-200轴向残余应力/MPa020406080距离/mm020406080距离/mm020406080距离/mm3002001000-100-200径向残余应力/MPaquenchedbulged by 1%bulged by 2%bulged by 3%bulged by 4%quenchedbulged by 1%bulged by 2%bulged by 3%bulged by 4%quenchedbulged by 1%bulged by 2%bulged by 3%bulged by 4%图 4胀形对残余应力的影响（a）环向残余应力变化曲线（b）轴向残余应力变化曲线（c）径向残余应力变化曲线并设计验证比对试验。主要结论如下：（1）2219 铝合金环锻件淬火残余应力较大，分布不均匀，必须采取措施予以消除。（2）胀形法可有效消减铝合金环形件淬火残余应力，尤其是应力集中区域残余应力消除效果最为明显。当胀形量为 3%时，铝合金环形件的残余应力消除效果最佳，残余应力幅值降低至 40MPa 以内，很好地消除铝合金环形件的残余应力，为最优胀形量。（3）开展淬火及胀形工艺试验，采用压痕应变法测试环形件残余应力。胀形量为 3%时残余应力消减效果最好，有限元模拟与试验获得的残余应力变化规律趋于一致。（a）S11-环向残余应力（b）S22-轴向残余应力（c）S33-径向残余应力图 2淬火残余应力场图 3路径的选取134-第 3 期参考文献：1周文超.环形薄壁件加工变形分析及控制研究D.南京：南京航空航天大学，2015.2石广丰，王景梅，宋林森，等.薄壁零件的制造工艺研究现状J.长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（1）：6872.3陈 浩，曲中兴，张立武.高强度铝合金坯料残余应力抑制消除技术及发展趋势J.航天制造技术，2016（5）.4王祝堂.铝合金及其加工手册M长沙：中南工业大学出版社，20005王少辉.7085 铝合金整体结构件淬火残余应力分析及其消减工艺研究D长沙：中南大学，20116曹江.2A02 高强度铝合金热加工残余应力研究及其数值模拟D成都：西南石油大学，2014表 32219 铝合金环形件淬火及胀形试验结果淬火胀形 1%胀形 2%胀形 3%x/MPax/MPax/MPax/MPax/MPax/MPax/MPax/MPa内圆一-50.655-56.000-32.105-34.810-22.082-23.298-12.431-16.105内圆二-52.433-61.036-35.546-36.408-25.818-30.589-17.391-18.255外圆一-36.547-38.244-26.153-25.612-19.911-17.547-8.446-9.860外圆二-38.933-42.717-28.677-30.810-19.982-23.799-10.680-9.517Research on reducing quenching residual stress ofaluminum alloy ring parts by bulging methodSHANG Yong,CHEN Hao,QU Zhongxing，SONG Zebin（Xian Aerospace Power Machinery Co.,Ltd.,Xian 710025,Shaanxi China）Abstract:In response to the problem of outstanding quenching residual stress in aluminum alloys,a methodof reducing quenching residual stress in aluminum alloy ring parts by the bulging method has been studied.This method applies bulging force to the circular part through a hydraulic bulging machine,resulting in astretching effect on the circular part.The ABAQUS finite element software has been used to simulate thequenching residual stress and bulging method of 2219 aluminum alloy ring parts.A bulge forming methodhas been used to reduce the residual stress during quenching of aluminum alloy ring parts,the indentationstrain method has been taken to test the residual stress of the ring parts.The research results indicate thatthe quenching residual stress of the annular component is very large,with a maximum value exceeding300MPa.The bulging method can effectively reduce quenching residual stress.When the bulging amount is3%,the amplitude of residual stress decreases to within 40 MPa.The experimental results are consistent withthe simulation results.Key words:Annular parts;Quenching residual stress;Bulging method尚勇，等：胀形法消减铝合金环形件淬火残余应力研究欢迎投稿！欢迎订阅！欢迎刊登广告！135-