一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法

本发明涉及金属材料科研领域，具体涉及一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法。

背景技术：

超塑成形广泛应用于航空航天领域来成形多种形状复杂，质轻，结构强度高的薄板类工件。一个简单的超塑成形工序就能生产出复杂结构、近无加工余量的工件，且不需要焊接和铆接，使工序大为减少，大大降低了加工费用。材料在超塑状态下，塑性变形抗力急剧减小，塑性变形能力大幅度提高，并且凡乎无应变硬化产生，近似呈粘性流动状态。超塑成形是将材料置于超塑状态下进行的成形技术，与传统的加工技术相比，其优势十分明显。

金属板材的超塑性胀形可以通过介质压力进行自由胀形或模具中胀形；此法是先将板材夹紧于模具上，利用气压将板材未夹住部分吹入凹模成形，零件外形由凹模型面形状决定；主要的成形过程可为第一阶段板材的自由凸起和第二阶段板材接触模具到完全成形的过程；此法成形可使用单一凹模，节省模具设计及制造费用；成形过程中模具几乎没有磨耗，使模具有较长使用寿命；并且可以一次完全成形，减少加工次数，节省工作时间；一般该方法适用于制备外形复杂、具有突出面或特殊形状以及不要求均匀壁厚的零件；如果配合扩散连接结技术，可制备多层中空结构件；镁合金等气胀成形过程中，气压一般控制在0.2—1.0mpa，温度设定在573—723k；影响超塑气胀成形制品质量的主要因素有成形用板材的原始晶粒尺寸、模具的表面质量、超塑气胀成形过程中的防氧化措施、压力曲线选取是否合适、成形温度的控制精度。

尽管气胀成形工艺有一系列优点，但在实际加工过程中仍存在厚向应变不均匀现象；在胀形过程中，由于周边材料被模具压紧不参与变形，零件面积的增加完全由材料的变薄来实现，同时应力和应变场不均匀造成最终零件壁厚的明显差距，这个问题关键到零件能否满足设计要求，是限制该工艺应用和发展的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，以解决镁合金高温气胀成形过程中出现的板料壁厚不均匀的现象，进一步提高该工艺的成形效果。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，其特征在于：它包括气胀成形模具、压紧密封装置、加热装置以及供气系统；具体包括1、上垫板2、隔热板3、上加热板4、通气板5、工件6、凹模7、超塑性模具垫板8、高度可调的球头圆柱9、加热棒10、底座；在气胀成形开始阶段，坯料与型面不接触，坯料处于自由胀形状态，坯料中间部分最薄，靠近边缘处壁厚较厚，通过调整模具型面，使壁厚较厚的边缘继续发生变形，壁厚较薄的中间部位与模具型面接触由于摩擦力作用不发生变形；由于气胀成形中板料表面积的增加是通过板材厚度减少实现的，边缘部分继续变形，其表面积增大，厚度减薄，中间部分不变形或后变形，厚度不减薄或少减薄，从而实现成型件厚度分布可控；本技术利用可调节整体壁厚分布实现材料超塑成形的分部变化。

其中气胀成形模具分为凹模、超塑性模具垫板和多个高度可调的球头圆柱，由于超塑气胀成形压力小，所以对凹模、超塑性模具垫板和球头圆柱要求不高，只要在超塑温度下具有一定强度、硬度、抗氧化和不易燃即可，其中超塑性垫板随板坯变形，底部球头圆柱表面存在凹坑，加垫板为防止板坯与底部球头圆柱直接接触，可以保证板坯表面光滑；压紧密封装置包括上垫板与通气板，压力由压机供给，设备的工作压力通过压板与凹模将被加热的板坯压紧，使热态下变软的板坯产生塑性变形，从而实现压紧，密封；加热装置包括上、下加热板中的加热棒，并在外侧与垫板接触部分添加隔热板；供气系统为通气板，其结构中空，通气孔在中央。

本超塑性气胀成形装置上部分中央有通气孔，为超塑气胀成形过程中吹气孔；上加热板与上垫板间有隔热板间隔，孔内放加热棒，直接对超塑性合金板材加热。加热到适当温度后，开始进行气胀成形，由于板料与模具型腔不接触，因此首先发生自由胀形，坯料中间部分最薄，靠近边缘处壁厚较厚，变形一段时间之后，调节模具型面不同位置球头圆柱高度，使中间部分与型面继续接触，边缘部分与型面脱离接触，从而使边缘部分继续变形，继续减薄；在边缘部分减薄到一定程度后，中央部分球头圆柱高度调节装置下降，与中间部分坯料脱离接触，使中间部分坯料进行变形，从而使加工后的板材板料更均匀。

与已有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.通过动态调整模具型面，可按需要控制坯料的变形顺序，实现整体均匀变形。进而实现壁厚可控。

2.通过在底部分布多个高度可调的球头圆柱可实现板材任意形状的形变，控制球头圆柱起伏可以分级控制板材形变顺序，使整体壁厚更加精确可控。

3.通过底部高度可调的球头圆柱上一种超塑性能良好且价格便宜的材料做垫板，可避免坯料与球头圆柱接触，大大改善零件表面质量，并且利于脱模。

4.本方法加工成本低，模具柔性化，适应性强，成品均匀化效果好，有利于提高生产效率，节省生产成本。

附图说明

图1是一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法的示意图；一种多点加工镁合金超塑性凹模气胀成形装置具体包括1、上垫板2、隔热板3、上加热板4、通气板5、工件6、凹模7、超塑性模具垫板8、高度可调的球头圆柱9、加热棒10、底座；其中气胀成形模具分为模框、超塑性模具垫板和球头圆柱高度调节装置，球头圆柱高度由底部螺纹控制；由于超塑气胀成形压力小，所以对凹模、超塑性模具垫板和球头圆柱要求不高，只要在超速温度下具有一定强度、硬度、抗氧化和不易燃即可；压紧密封装置包括上垫板与通气板，压力由压机供给，设备的工作压力通过压板与凹模将被加热的板坯压紧，使热态下变软的板坯产生塑性变形，从而实现压紧，密封；加热装置包括上、下加热板中的加热器，并在外侧与上垫板接触部分添加隔热板；供气系统为通气板，其结构中空，通气孔在中央。

图2是一种多点加工超塑性合金凹模气胀成形装置及方法的工艺流程。

具体实施方式

本发明提供了一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，具体的实施方式如下：

1、选择合适的超塑性合金板坯，裁切板材到合适尺寸，为防止成形件局部过分变薄产生破裂，板坯厚度不宜过小；

2、对模具和板坯预加热，模具温度按合金板材超塑性温度设定，然后将涂有润滑剂的板坯放入模具中压紧密封并加热到超塑温度；

3、开始气胀成形阶段，首先为自由胀形，此时气体压力较小慢速胀形；

4、由于此时板料最底端变形量最大，壁厚最薄，可变型面凹模处于边缘处的高度调节圆柱下降，中间位置处的圆柱上升；板材中间开始与底部模具型面贴合，板材边缘继续成形；

5、气胀变形到适当位置后，中间部分与底部模具型面脱离，继续变形；

6、成形最后阶段，为使板坯与模具型面充分贴合，应施加较大压力并保压一段时间，此阶段变形量不大；

7、加工结束，取出加工件。

技术特征：

1.一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，其特征在于：它包括气胀成形模具、压紧密封装置、加热装置以及供气系统；具体包括1、上垫板2、隔热板3、上加热板4、通气板5、工件6、凹模7、超塑性模具垫板8、高度可调的球头圆柱9、加热棒10、底座；在气胀成形开始阶段，坯料与型面不接触，坯料处于自由胀形状态，坯料中间部分最薄，靠近边缘处壁厚较厚，通过调整模具型面，使壁厚较厚的边缘继续发生变形，壁厚较薄的中间部位与模具型面接触，由于存在摩擦力不再发生变形；由于气胀成形中板料表面积的增加是通过板材厚度减少实现的，边缘部分继续变形，其表面积增大，厚度减薄，中间部分后变形，厚度不减薄或少减薄，从而实现成型件厚度分布可控；本技术利用可调节整体壁厚分布实现材料超塑成形的分部变化。

2.根据权利要求1所述的一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，其特征在于：其中气胀成形模具分为模框、超塑性模具垫板和高度可调的球头圆柱，球头圆柱高度由底部螺纹控制；由于超塑气胀成形压力小，所以对凹模、超塑性模具垫板和球头圆柱要求不高，只要在超塑温度下具有一定强度、硬度、抗氧化和不易燃即可，其中超塑性垫板随板坯变形，底部球头圆柱表面存在凹坑，加垫板为防止板坯与底部球头圆柱直接接触，可以保证板坯表面光滑；压紧密封装置为平衡气体压力和压紧金属板坯，包括上垫板与通气板，压力由压机供给，设备的工作压力通过压板与凹模将被加热的板坯压紧，使热态下变软的板坯产生塑性变形，从而实现压紧，密封；加热装置包括上加热板与凹模中的加热棒，并在外侧与上垫板接触部分添加隔热板；供气系统为通气板，其结构中空，通气孔在中央。

3.根据权利要求1所述的一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均性的方法，其特征在于：本超塑性气胀成形装置上部分中央有通气孔，为超塑气胀成形过程中吹气孔；上加热板与上垫板间有隔热板间隔，孔内放加热棒，直接对超塑性合金板材加热。加热到适当温度后，开始进行气胀成形，由于板料与模具型腔不接触，因此首先发生自由胀形，坯料中间部分最薄，靠近边缘处壁厚较厚，变形一段时间之后，调节模具型面不同位置球头圆柱高度，使中间部分与型面继续接触，边缘部分与型面脱离接触，从而使边缘部分继续变形，继续减薄；在边缘部分减薄到一定程度后，中央部分高度可调的球头圆柱下降，与中间部分坯料脱离接触，使中间部分坯料进行变形，从而使加工后的板材板料更均匀。

4.根据权利要求1所述的一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，具体步骤如下：

(1)选择合适的超塑性合金板坯，裁切板材到合适尺寸，为防止成形件局部过分变薄产生破裂，板坯厚度不宜过小；

(2)对模具和板坯预加热，模具温度按合金板材超塑性温度设定，然后将涂有润滑剂的板坯放入模具中压紧密封并加热到超塑温度；

(3)开始气胀成形阶段，首先为自由胀形，此时气体压力较小慢速胀形；

(4)由于此时板料最底端变形量最大，壁厚最薄，可变型面凹模处于边缘处的高度调节圆柱下降，中间位置处的圆柱上升；板材中间开始与底部模具型面贴合不再发生变形，而板材边缘继续成形；

(5)气胀变形到适当位置后，中间部分与底部模具型面脱离，继续变形；

(6)成形最后阶段，为使板坯与模具型面充分贴合，应施加较大压力并保压一段时间，此阶段变形量不大；

(7)加工结束，取出加工件。

技术总结
本发明涉及一种利用可变型面改善超塑气胀成形件壁厚均匀性的方法，具体包括：可变型面气胀成形模具、压紧密封装置、加热装置以及供气系统；其特征在于超塑气胀模具的型面由多个可调节高度的球头圆柱装置组成，在变形过程中，控制控制球头圆柱的轴向位移可动态调节其型面形状，在球头圆柱与镁合金板材中垫上超塑性良好且价格低廉的一种材料作为中介材料；气胀成型过程中根据需要，可通过动态调整模具型面的变化，进而实现控制合金板坯各部位变形顺序，当板坯及中介材料与型面不接触时，其在气压作用下，发生超塑性变形，当板坯及中介材料与型面接触时，由于摩擦力作用，不发生超塑性变形；从而使板坯分步骤成形，提高了超塑性合金气胀成形件壁厚均匀性。

技术研发人员：李超;高一寒;张广东
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.05.13
技术公布日：2021.07.27