郑伟

本研究旨在减小7075铝合金薄壁件淬火后的残余应力。在实验方法上对淬火过程采用Ansys Workbench15.0的稳态热（steady-state thermal）和瞬态热（transient thermal）模块模拟，并采用静力学结构（static structural）模块进行拉伸仿真实验。结果表明，一维拉伸方法只能消除部分残余应力，而二维拉伸方法可以使残余应力达到最小。结果提示，采用二维拉伸法当长度和宽度方向拉伸量被控制在一定范围时可以消除绝大多数残余应力。

铝合金薄壁件广泛地存在于航空航天以及通信领域的典型零件中，淬火后的残余应力是导致其后续机加工变形的重要原因。含有淬火后残余应力的坯料在加工时由于去除部分残余应力的释放导致加工完成后构件尺寸变形严重，以致报废，降低了生产效率，影响了航天业的发展。

在国外，德国的Robinson采用过载压缩法减少残余应力，他将薄壁件从长度方向进行3%的过载压缩实验，但是零件只有局部残余应力有所降低。美国的Yoshihara使用机械拉伸法对最常用的拉伸板进行了残余应力消除效果和拉伸变形量的研究，认为拉伸量一般控制在1.0%～3.0%时可以很好的消除残余应力，具体拉伸量多大能使残余应力消除量最大并没有提出。在国内，林高等分别用模型详细探讨了淬火后残余应力的形成机理，从一维角度和塑性变形不均匀角度探讨了薄壁板残余应力形成与分布的机制，阐述淬火过程中材料不同位置、不同时刻应力相互作用的机制。王秋成采用长度方向的机械拉伸法来减少残余应力，但这种方法最高只能消除80%的残余应力。

以上都是一维拉伸方法，但这些方法只能消除一部分残余应力，还是会对后续机械加工带来影响。因此有必要进一步对淬火后铝合金残余应力进行大量消除。本文先对铝合金薄壁件进行淬火模拟，然后利用有限元软件来仿真一维拉伸法与二维拉伸法对残余应力的消除程度，最后通过比较实验数据得出结论。

1二维拉伸法分析

淬火残余应力的产生是淬火过程中温度与组织转变共同影响的结果，包括温度差异引起的热应力与组织转变引起的组织应力，对于铝合金来说，淬火过程中相变作用不明显，淬火残余应力主要是冷却时巨大的温度梯度引起的热应力。

铝合金薄壁板经淬火后，由于其内外残余应力在受到X或Y方向拉伸力超过材料的弹性极限后，将发生塑性变形，在拉伸前零件是有一定余量的，故拉伸后稍微的塑性变形不影响精加工后零件的尺寸精度。由于板材的内层金属原来就具有残余拉应力，所以残余应力首先超过弹性极限使板材进入塑性变形。在经过长度方向（两侧）拉伸后，长度方向所产生的应力与淬火后板材中的应力叠加后的应力将沿着长度方向分布，并且大小明显有所减小。当给宽度方向（两侧）拉伸后，宽度方向所产生的应力与淬火后板材中的应力叠加后的应力将沿着宽度方向分度，并且大小明显有所减小。当给长度方向与宽度方向同时施加一定拉伸量的时候，板材中的残余应力是淬火后板材中的殘余应力、长度方向残余应力以及宽度方向所产生残余应力的叠加。通过实验可以验证二维拉伸法比一维拉伸法能消除更多的残余应力。

2不同方向拉伸的有限元仿真

2.1淬火前处理

利用workbench15.0软件自带的建模功能建立薄壁件淬火前模型，水箱规格为500*500*500， 7075铝合金板的规格为200*100*5，水温20℃，对流换热系数为0.5W/（m·℃），导热系数为0.6 W/（m·℃），水的密度为1000 kg/m3，加热到500℃时突然放入水箱。

2.2铝合金薄壁件淬火后残余应力分析

利用ansys workbench15.0软件对淬火后的材料进行残余应力分析，并把水箱隐藏，由图可知铝合金板在淬火后残余应力最高达到了72.196MPa。

2.3利用拉伸法仿真残余应力消除结果

2.3.1宽度方向拉伸。使宽度方向一端固定，基于正交试验法获得拉伸量在0.1% -3.5%时残余应力数值，经比较可知拉伸量在2.5%时残余应力量消除最大，且过了这个值后残余应力逐渐变大。该方向拉伸只消除了77.5%的残余应力。

2.3.2长度方向拉伸。使长度方向一端固定，基于正交试验法获得拉伸量在0.1%-3.5%时残余应力数值，经比较可知拉伸量在2.5%时残余应力量消除最大，且过了这个值后残余应力逐渐变大。该方向拉伸只消除了85%的残余应力。

2.3.3长、宽度方向拉伸。采用二维拉伸，基于正交试验法获得拉伸量在0.1% -3.5%时残余应力数值。经比较可知最大残余应力达到最小值。

本文在一维拉伸法只能消除部分残余应力的基础上提出了二维拉伸法。仿真结果证明二维拉伸比一维拉伸能消除更多的残余应力，尤其是当长宽方向拉伸量都达到2.5%时残余应力消除了92.6%。