基于宏微耦合的铝合金板材零件低残余应力热成形机理研究

Compared to yield strength of aluminium alloy sheet, the percentage of residual stress in sheet part is very large and easy to cause large scale creep behaviour, which has a serious effect on dimensional accuracy and operating life. According to the research results of literatures that the microstructure plays an important role in springback, a new method considering macro-micro coupling is proposed to decrease residual stress. Through control punch temperature, die temperature and holding time, gradual temperature and gradual microstructure can be obtained in deformation zone after hot sheet bending. If the gradual distribution is reasonable to satisfy the needed springback property, the residual stress will decrease..The physical simulation experiment and theory deduction will be employed to study the effect of thermal-mechanical conditions on microstructure evolution and the effect of microstructure on springback property. The mechanism of residual stress change induced by plastic deformation and metallurgical behaviour also will be investigated, and then the residual stress model considering different strain states will be established. The finite element numerical simulation will be carried out to study the effect of technological parameters on residual stress of a bened V-shpae beam. Finally, the process test of V-shape beam hot bending will be carried out to verify the new method. The design principle of technological parameters will be obtained, which will be provide theory basis for metal forming of part possessing low residual stress.

铝合金板材零件的残余应力相对于屈服强度所占比重较大，容易引起大幅度蠕变变形，严重影响尺寸精度和使用寿命。本项目基于微观组织影响弹性回复性能这一实践结果，提出一种基于宏微耦合的残余应力降低方法。在板材热弯曲变形完成后通过控制冲头温度和凹模温度以及模内保温时间，在零件的变形区域形成沿板厚方向的梯度温度分布和梯度微观组织分布，获得所需要的弹性回复性能，进而实现低残余应力分布。.项目将通过物理实验和理论推导，深入研究热力学工艺条件对铝合金微观组织演化以及微观组织对弹性回复的影响规律，揭示宏观变形和微观冶金行为综合作用下残余应力变化的机理，建立考虑应变状态的残余应力模型；利用有限元数值模拟方法研究工艺条件对热弯曲V形支梁残余应力的影响规律，并通过V形支梁热弯曲成形试验验证所提方法的正确性，得出工艺参数优化设计的原则，为实现V形支梁等对残余应力要求高的航空航天零件低残余应力成形奠定理论与实验基础。

项目基于微观组织影响弹性回复性能这一实践结果，提出了一种基于宏微耦合的残余应力降低方法。板材热成形时通过控制凸模温度和凹模温度，在零件的变形区域形成沿板厚方向的非均匀温度场和微观组织分布，获得所需要的弹性回复性能，进而实现低残余应力分布。项目综合采用模拟实验、理论建模、数值模拟和工艺试验等研究了所提方法的基本科学问题。. 首先，利用高温拉伸和压缩实验，获得了2024铝合金板材在不同应变状态下的流动应力-应变曲线，基于塑性变形理论分析了其流动行为机理，利用数值回归分析方法建立了不同应变状态下的流变本构方程；同时，基于动态材料模型和热加工图理论分析了不同应变状态下材料变形中功率耗散和失稳的差异，获得了最优的成形工艺条件。. 然后，采用金相观察和数据拟合相结合的方法，研究了2024铝合金板材热变形过程的微观组织演变规律，分析了其内在机理，建立了描述压应变状态下动态再结晶过程的激活准则、动力学方程和状态方程，提出了Gauss2D型拉伸微观组织晶粒尺寸模型，建立了拉伸平均晶粒大小与应变、Z参数的定量关系方程；采用力学性能试验研究了不同温度下晶粒大小对弹性模量的影响规律，建立了弹性模量与温度的定量关系以及热弯曲变形残余应力模型。. 最后，以2024 铝合金V 形支梁零件为对象，利用数值模拟软件和上述定量模型，通过改变坯料温度、凸模温度、凹模温度、保压时间等变量，研究了工艺参数对弯曲回弹及残余应力的影响规律；设计制造了凸模和凹模温度可控的V形支梁热弯曲试验模具，开展了成形工艺试验，研究了等温成形和差温成形对弯曲回弹和残余应力的影响规律，并结合有限元数值模拟结果基于温度梯度分析了其内在机理。结果表明，差温成形残余应力比等温成形残余应力降低36%，验证了所提方法在降低残余应力方面的效果。. 项目共发表学术论文5篇，培养毕业硕士生1名、在读博士生3名、硕士生1名。