深冷处理改善7A04铝合金锥形壳体加工过程尺寸稳定性研究

　　1 引 言

　　薄壁件加工过程是一个涉及多学科交叉的复杂问题，中国国内及国外学者在这方面进行了大量的研究，目前国内主要集中于飞机、航天器等薄壁结构加工变形的研究[1-5]，有关研究表明，毛坯初始残余应力是引起加工变形的主要原因之一，但相关研究刚刚起步，有待解决和深化。某兵器锥形薄壁壳体在成形与热处理过程中产生的残余应力，也极易导致尺寸不稳定性，在后续机械加工过程中，随着材料的去除，部分内部残余应力获得释放并进行重新分布，使构件部分尺寸出现0.2%—0.4% 的尺寸变化，严重影响加工精度，甚至导致报废[6-7]。深冷处理是一种去除铝合金构件残余应力提高尺寸稳定性的信息技术新工艺，

　　本文以7A04铝合金锥形壳体构件为研究对象，建立构件材料去除数学模型，对常规固溶热处理条件下和深冷处理后的锥形壳体的材料去除过程进行了数值模拟，评估材料去除过程中由残余应力诱发的构件加工变形规律。

　　2 残余应力诱发尺寸不稳定性的机理分析

　　2.1 锥形壳体残余应力的产生与控制

　　锥形壳体构件( 如图1所示) 在制造过程中需经过挤压成形、热处理、机械加工等工序，其热处理工序有固溶热处理(常规热处理，CHT)和深冷处理(DCT)，如图2所示。

　　在固溶热处理(如图2a) 过程中，由于构件表面与小端芯部存在很大的温度梯度，因而热处理后导致构件内部存在较大残余应力。运用有限元软件来模拟7A04铝合金锥形壳体固溶热处理过程的瞬态温度场与热应力场[8]，如图3所示，其最大Mises应力(225.1MPa)在小端外表面。大端开口的边缘处，由于壁厚薄，温度梯度较大，Mises 应力值也相对较大，固溶热处理后该处最大值为121.7MPa。这将严重影响到构件在机械加工过程中的尺寸稳定性。深冷处理(如图2b)是一种有效的尺寸稳定化新技术新工艺，它可以有效地消除残余应力，提高加工过程中的尺寸稳定性[6]。锥形壳体经深冷处理后其残余应力有明显的降低，运用有限元软件来模拟7A04铝合金锥形壳体固溶热处理后立即进行深冷处理的瞬态温度场与热应力场，可以发现深冷处理后7A04铝合金锥形壳体的残余应力分布状态基本不变，而最大幅度大幅度下降[9]，Mises应力最大值(110.1MPa)出现在小端外表面和小端芯部; 大端开口的边缘处，由于壁厚薄，温度梯度较大，Mises应力值也相对较大，深冷处理后该处最大值为104.1MPa。

　　2.2 锥形壳体残余应力诱发尺寸不稳定性的机理

　　锥形壳体(V0)材料去除前内部的残余应力处于自平衡状态，即V0内任一截面上的合力与合力矩满足: