硬质铝合金厚板拉伸矫直夹持钳口优化及其试验研究

发布时间：2020-07-09 21:27

【摘要】：超大规格硬质铝合金预拉伸厚板(简称硬质铝合金厚板)是现代大飞机制造不可或缺的材料,硬质铝合金厚板在经过轧制和淬火工艺处理后,其内部会存在很大的残余应力,这种残余应力如不及时消除,将会导致硬质铝合金厚板应力腐蚀及疲劳断裂敏感性增加,从而降低部件的使用寿命,影响飞机的飞行安全性能,因此有效消除硬质铝合金厚板内部残余应力,是实现航空用硬质铝合金厚板生产工艺不可或缺的重要环节。目前,消除硬质铝合金厚板中的残余应力,最行之有效的办法就是在硬质铝合金厚板淬火后进行预拉伸矫直,利用其塑性变形早期阶段来释放应力,使其内部沿厚度方向上的残余应力重新分布并趋向均匀。为消除硬质铝合金厚板内部的残余应力,东北轻合金有限责任公司(简称:101厂)从意大利引进了预拉伸矫直设备“8500T铝板拉伸机(简称:拉伸机)”,但是该设备在实际拉伸矫直厚度为180-200mm硬质铝合金厚板的生产过程中,经常发生硬质铝合金厚板在拉伸机钳口处局部断裂情形,这不仅影响了硬质铝合金厚板的质量、成品率和经济收益,同时还容易对拉伸机设备本体造成损坏,引发设备故障和安全事故。本课题针对此情况,从分析硬质铝合金厚板在拉伸机钳口处发生局部断裂的原因入手,以优化拉伸机夹持钳口,减少厚度为180-200mm的硬质铝合金厚板在拉伸机钳口处发生局部断裂为目标,开展对拉伸机夹持钳口优化及其试验研究,用以解决硬质铝合金厚板进行预拉伸矫直过程中在钳口处频繁发生局部断裂这一技术难题。首先,开展了拉伸机钳口组件与硬质铝合金厚板相互作用力学特性分析,介绍了拉伸机系统组成及功能参数,并从其夹持钳口的结构组成和工作原理上分析了易造成夹持端部应力分布不均的原因。针对拉伸机钳口组件与硬质铝合金厚板的相互作用形式,分别开展了硬质铝合金厚板力学特性分析、末端执行机构力学特性分析和支撑结构件力学特性分析,以材料力学特性分析的形式获得了硬质铝合金厚板应力大小及分布情况。其次,针对拉伸机钳口组件与硬质铝合金厚板之间力学作用关系,开展了硬质铝合金厚板拉伸断裂模式数值模拟研究。基于有限元分析理论,利用ANSYS有限元仿真软件建立拉伸组件仿真模型,对钳口及硬质铝合金厚板夹持端的拉伸特性进行有限单元法数值模拟分析。根据分析结果对夹持钳口重新建模,并开展相应的夹持刚度和应力分布仿真分析,优化夹持钳口设计参数。最后,为与上述力学特性分析和数值模拟分析结果相互验证,开展了基于改进夹持钳口的硬质铝合金厚板拉伸试验研究。根据理论受力分析与仿真模拟中优化的钳口结构参数,对夹持钳口进行了改进设计,并进行了多组硬质铝合金厚板拉伸试验,并与钳口改进前的拉伸效果进行了对比。经过拉伸机夹持钳口的优化改进,以及对改进后的硬质铝合金厚板拉伸性能测定、拉伸试验验证和拉伸质量分析,验证了硬质铝合金厚板拉伸矫直夹持钳口优化的技术可行性。最终用最少的资金投入、最短的时间影响、和最小的设备改动,解决了厚度为180-200mm硬质铝合金厚板在预拉伸工艺过程中出现其在钳口处局部断裂的这一技术难题,实现了国产大飞机用超大规格硬质铝合金厚板的顺利生产。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V262
【图文】：

厚板,铝合金,实际应用

a)飞机的肋板、腹板和外梁 b)飞机的机翼壁板图 1-1 硬质铝合金厚板实际应用经轧制、淬火处理后的硬质铝合金厚板内部会存在很大的残余应力，这种残余应力如不及时消除，硬质铝合金厚板就会发生严重翘曲最终致使其报废。目前，用于消除硬质铝合金厚板残余应力的诸多方法中，预拉伸矫直工艺最为简单易行，该工艺在满足大于硬质铝合金厚板屈服强度的拉应力条件下，使硬质铝合金厚板较为均匀地沿截面延伸，最终达到规定的延伸比例。该工艺使得硬质铝合金厚板存留的残余应力得到明显消除，其表面平整度也得到一定的改善，经过拉伸处理的硬质铝合金厚板由于残余应力基本消除，即使经机械深加工后也可以保证其外形尺寸的稳定性，不仅大大提高了部件的使用寿命，同时也提高了机械加工的成品质量。我国以前由于受预拉伸矫直机能力的限制，不但生产的硬质铝合金厚板厚度偏薄，而且在性能和质量等方面，都远不能满足我国大飞机发展的需要，导致我国大飞机所需的硬质铝合金厚板全部依赖进口，进而制约了我国航空工业的发展。101 厂为实现硬质铝合金厚板国产化生产，从意大利引进

示意图,厚板,铝合金,残余应力分布

从整个工艺流程看，为了大大降低甚至消除硬质铝合金厚板在淬火过程中产生的大量残余应力，拉伸矫直工艺是重要环节之一，关系到飞机能否安全飞行等实际问题，由于硬质铝合金厚板表面相对冷却速度较快，且晶粒较小，致使表面屈服极限高，但在中心部分就相对较低，所以硬质铝合金厚板在固溶热处理后表面产生的是压应力，中心是拉应力。通过拉伸矫直工艺可使硬质铝合金厚板内部的应力重新分布。拉伸矫直工艺是通过拉伸加载均匀的载荷，使其纵向金属纤维受塑性拉伸达到一定的延伸率和断面收缩率，这时硬质铝合金厚板中心将产生压应力，这种压应力和原来的残余应力相互叠加，屈服强度较小的硬质铝合金厚板中心将产生一定的弹性变形和塑性变形[13,14]，不仅能够显著地降低硬质铝合金厚板在快速淬火后产生的热、冷应力，还能基本消除硬质铝合金厚板的残余应力。同时，硬质铝合金厚板的厚度越大，其内部存留的残余应力越大，在拉伸过程中所施加的力也越大[15-17]。拉伸矫直工艺与松弛理论相似，即残余应力只要满足一定的温度和足够的时间，就可通过拉伸完全消除，达到预期的理想效果。拉伸前后残余应力分布如图 1-3 所示。

压力矫直机,辊式矫直机

板材的纵向金属纤维受塑性拉伸达到一定延伸率，去余应力，并在卸掉外力后经塑性变形达到矫直平整效在矫直的同时还可使铝合金板材达到硬化的程度，进。板材矫直机按照机身结构分类，主要包括压力矫直机伸弯曲矫直机、预拉伸张力矫直机[19]。压力矫直机直机可分为立式压力矫直机和卧式压力矫直机，其中为常见，如图 1-4 所示，工作原理为两个固定铰支点板材，通过活动压头加压反弯，实现对轧制后的铝合矫直机的用途广泛，除了上述工作外也可被用来矫直或者对辊式矫直机矫直后的板材进行二次矫直。虽然用途广泛，但是由于其生产效率较低并且操作复杂，果也不如辊式矫直机等其它类型的矫直机明显，现在基本淘汰该类型矫直机。

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