控制变形理论与应用
姓名：李承波
学号：113111133
指导老师：叶凌英
日期：2011、12
蠕变时效成形技术综述
摘 要：蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与时效热处理同步进行的一种成形方法。蠕变时效成形是实现大型蒙皮和壁板件成形的有效方法。文章从蠕变时效成形基本原理以及成形特点出发，重点阐述了基于零件回弹补偿的工装外型面的优化技术、成形工装、蠕变时效成形过程对零件材料微观组织性能的影响和新型可时效成形铝合金的开发及应用等关键技术的研究进展及发展趋势。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。详细论述了栽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。并针对我国大飞机的研制需求，结合国内现有研究基础和水平，提出了我国开展蠕变时效成形技术研究的建议。
关键词：蠕变时效成形；整体壁板；铝合金；有限元
ABSTRACT：Creep age forming(CAF)is acombined forming and ageing heat
treatment process. Starting from the principle and the characteristics of the creep age
formling process, the research situation and the developing tendency on the key
technologies, such as tool surface optimisation based on the springback, forming tools,
the effect of the creep age forming on mechmcal properties and microstructural
evolution, development of novel damage tolerant alloys are detailed introduced in this
paper. The principle of the creep age forming and the practical effect of the creep age
forming are analyzed by means of tests. Some key technologies, such as the loading
method and method of die surface determination are described in detail.The possible
application and the prospect of the creep age forming are introduced.Finally，based on
the existing research situation and the requirements for developing the large airplane
in China，some suggestions and research emphasis on developing creep age forming
technologies are pointed out．
Key words：Creep Age Forming ; Integral Panel; Aluminum ; FE
前言
在航空工业中，对飞机钣金件成形后的性能要求在不断提高，包括提高强度和刚度、减轻重量、提高抗疲劳断裂的能力等。蠕变时效成形由于能满足这些要求而得到发展，该方法将人工时效与成形制造相结合，利用铝合金在弹性应力作用下在一定温度发生蠕变变形，从而得到具有一定形状的结构件。同时，利用时效处理得到铝合金所需的性能。与常规的塑性成形方法相比，成形应力低于屈服应力，降低了材料发生破裂的几率。同时，时效成形过程中由于蠕变而导致应力松弛以及后续回弹，时效成形铝合金结构件残余应力水平低，耐疲劳与应力腐蚀性能有所提高，长期服役能力更好。同时工件的回弹量较小、残余应力小、产品精度高、成形后材料机械性能好、适用大型蒙皮类钣金件的成形等特点，其应用越来越广。除了用于小曲率大型复杂蒙皮类钣金件外，还可用于小批量的小型钣金件成形。蠕变时效成形还可以用于钣金件的校形。
因此在“湾流”的机翼上蒙皮、GIV、B-IB和空客A330/340/380上都采用了蠕变时效成形方法。在民用飞机的应用方面，空客、波音和麦道的早期机型已经部分采用该项技术，如MD82、A330/340和A380等大型民用飞机的整体壁板制造中，其中采用蠕变时效成形技术制造的A380飞机机翼上壁板材料为7055，零件长33m，宽2.8m，变厚度3mm-28mm，成形后外形贴合度小于1mm，如图1所示[1,2]。2000年美国NASA的IAS(Integral airframe structures)研究计划将该技术列为整体机身结构制造技术之一[3]。
整体壁板是现代飞机上最重要的一类零件，既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机翼、机身等的主要承力构件[4]。先进飞机的整体壁板不仅具有复杂双曲率外形，同时还具有复杂的内部结构，如整体加强凸台、口框、肋及筋条等，以达到既满足外形要求，同时又减少零件数量、减轻重量和提高使用寿命的目的。因此，这种具有复杂外形和结构的整体壁板零件的制造技术，就成为现代先进飞机的关键制造技术之一[4,5]。
图1 蠕变时效成形的A380机翼上壁板
Fig.1 Creep age formed upper wing skin of A380
1. 蠕变时效成形技术现状
蠕变时效成形是指蠕变、应力松弛和时效通过压力罐等手段综合在一起完成的工艺过程。在蠕变时效过程中。钣金材料被加热到人工时效温度。然后通过真空袋技术对板料加压使其向模具移动。一旦板料贴模，在压力的作用下保持板料位置不变，并且控制在一定时间范围内容许应力松弛发生。在这个阶段，金属纤维组织发生改变。提高了材料的屈服强度。但板料上的压力释放以后．板材会出现回弹。回弹是由于完成合适的机械性能要求的时效时间有限，弹性变形没有能够完全转化为塑性变形。然而与滚轧成形、轧压成形、喷丸成形、拉伸成形等其他传统方法相比，蠕变时效成形件最后的残余应力很小。这样，由于提高了抗断裂疲劳性能。成形件的耐久性能得到改善。与其他的成形技术有所不同，蠕变时效成形的变形发生在低应力水平。并且塑性变形的程度直接与时效时间和温度有关，因而伴随着成形过程的析出硬化，析出硬化强化材料降低蠕变率，与材料蠕变成形相关的特性比传统的蠕变和应力松弛特性更复杂。例如由于时效热处理，材料的屈服强度提高15％-20％。
时效成形技术或时效蠕变成形技术是在20世纪50年代初期，为成形整体壁板零件而发展起来的一项技术，即利用金属的蠕变特性，将成形与时效同步进行的一种成形方法。与喷丸成形和增量压弯成形相比，该成形方法适于成形可时效强化型合金的整体带筋和变厚度大曲率复杂外形和结构的整体壁板构件，被认为是下一代大型民用飞机特别重要的金属成形工艺之一，在我国大型军用运输机、大型客机等“大飞机”项目的研制中具有广泛的应用前景[6]。
为了使蠕变时效成形能在实际中得到应用，各国的科技人员进行了很多研究工作，主要从蠕变时效成形材料制备、蠕变时效的微观机理、统一的蠕变时效本构方程、成形后的回弹、蠕变时效成形对材料性能的影响及工艺参数对材料性能的影响等方面进行研究。
蠕变时效成形过程中可能改变合金的微观组织，降低耐损伤性。X.D.Du研究了时效过程对蠕变包含0.1％锆铝合金裂纹生长速度的影响，分析了时效析出相尺寸和分布对铝合金时效裂纹生长速度的影响，结果表明过多的A13Zr在250℃时效48h条件下能够由阵中析出。粒子细化并分散，位于晶界边缘上，这些粒子有效地阻止裂纹生长。表明少量的锆具有强大的阻止蠕变裂纹生长的能力。在200℃时效48h或250℃时效24h，析出粒子不能有效地阻止蠕变裂纹的成长。在300℃时效48h后，铝合金就丧失了原来的性能。M.J.Starink等人研究了Al-Cu-Mg-Li(Mn，Zr，Sc)铝合金微结构、析出相、时效成形性和损伤在时效成形中的关系。在不同的时效条件下蠕变时效成形对合金屈服强度、韧性及抗疲劳裂纹扩展性能影响不同。因此需要研究具有良好时效性能的材料及相应的最佳时效条件。特别是下翼面蒙皮，如果采用蠕变时效成形方法进行加工，则对材料的要求更高，因为下翼面处于拉应力状态，对疲劳要求高，同时要求时效成形不能降低耐损伤性。针对下翼面用的蠕变时效成形材料，英国南安普敦大学设计了一系列Al (1.5-2.5)Cu - (0.8-1.2)Mg-(0.5-1.5)Li-(Zr-Mn)铝合金；2001年法国申请了一种新型Al-Cu-Mg系列铝合金专利，该铝合金具有较好的时效成形性能。
从蠕变时效成形过程可以看出，由于受到材料本身时效周期的限制，无法将试件内已有的弹性变形全部转变为塑性变形，因此成形后均存在一定的回弹量。通常，回弹量可达到总应变量的70％以上[7]。因此，应用蠕变时效成形工艺需要精确预测回弹量，并将回弹量补偿到模具型面上，只有解决这一关键问题，才能得到所需的零件外形。最初，对于零件成形后回弹量的确定主要是采用“试错法”，如Textron公司研制B-1B机翼壁板时，就是通过大量的基础工艺试验以及经验公式的外推来完成对模具型面的设计。由于这种方法效率不高，而且适应性较差，数值模拟被引入到了蠕变时效成形技术的研究中[8,9]。实现蠕变时效成形过程有限元模拟的关键，是建立一种能够准确描述以上变形过程的材料本构模型。早在20世纪70年代，许多学者就已开始针对这种既包含与时间无关的弹塑性变形，又存在着与时间相关的蠕变、应力松弛的复杂过程进行研究，并相继提出了一些材料模型，如Miller/Sherby模型、walker/Wilson模型等，为开展时效成形有限元模拟奠定了理论基础。
1991年M.Sallah，J.Peddieson等[10]首次将蠕变时效成形过程概念性地划分为3个阶段。加载过程、时效(蠕变、应力松弛)和卸载阶段(回弹)。其中，线弹性对应于加载和卸载过程，非线性的应力松弛对应于时效过程。在粘弹性力学基础之上分别讨论了线性Maxwell模型和Walker/wilson模型，初步给出了两种模型的应力松弛公式，并在Bernoulli/Euler梁以及圆柱面上进行了应用，为进一步的理论分析提供了依据。1998年，Andrew Levers基于ABAQUS有限元软件对壁板进行了时效成形模拟。
当前，随着材料微观组织演化模拟理论的不断完善以及各种测试手段的出现，研究材料微观组织演变和蠕变时效成形过程工艺参数之间的关系、建立它们之间的本构方程，已成为当前该领域研究人员的主要研究方向。
2000年，英国伯明翰大学J.Lin，K.C.Ho等基于蠕变、应力松弛理论和时效动力学，提出了一套将传统应力应变分析与微观组织演化，如沉淀相析出、晶粒长大、位错等相结合的统一的蠕变一时效本构方程。其中，蠕变率不仅是应力和位错强化的函数，而且是时效强化的函数。同时，沉淀相的形核、长大均与蠕变