專利名稱：一種板料超塑成形加工方法及其超塑成形氣壓加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板料超塑成形加工方法及該方法用的超塑成形氣壓加載裝置。
背景技術(shù)：
超塑成形是一種制造難加工材料零件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成形工藝。超塑成形 中，模腔內(nèi)材料的變形依賴于板料厚度變薄。對(duì)復(fù)雜深腔類零件，成形過程中板料各點(diǎn)的應(yīng) 力狀態(tài)均不相同且隨時(shí)間變化，導(dǎo)致成形零件壁厚均勻性差。最后貼模部位的變形程度過 大，內(nèi)部孔洞分?jǐn)?shù)高，降低了成形零件的使用性能。改善成形件壁厚均勻性是人們關(guān)注的重 點(diǎn)之一。改善成形零件壁厚均勻性的技術(shù)措施有將變形集中部位的應(yīng)變速率控制在最佳 應(yīng)變速率范圍內(nèi)，正反成形等。 對(duì)鋁合金、金屬基復(fù)合材料等容易在超塑成形中產(chǎn)生孔洞的材料，通過施加約 0. 7 o s的背壓，在材料中建立起靜水壓力，可以有效地抑制孔洞的萌生和發(fā)展，能夠提高成 形零件的使用性能。 超塑成形工藝均需要超塑氣壓加載裝置才能實(shí)現(xiàn)。早期，超塑氣壓加載裝置依賴 人工斷續(xù)地控制閥門的開度，這必然會(huì)使應(yīng)變速率偏離最佳范圍。美國(guó)C. H. Hamilton研制 成功單片機(jī)控制的氣壓加載系統(tǒng)，成形氣壓可以按簡(jiǎn)單力學(xué)分析獲得的壓力P-時(shí)間t曲線 連續(xù)調(diào)節(jié)，控制精度大為提高，操作較為方便，但是，單片機(jī)控制的氣壓加載系統(tǒng)尚不能進(jìn) 行背壓成形和正反成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種超塑成形加工方法及該方法用的超塑成 形氣壓加載裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)背壓成形、正反成形。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法，其特征在于包括以 下步驟 (1)制作模具，根據(jù)模具材料與板料線膨脹系數(shù)差值確定縮放系數(shù)，保證成形零件 為所需的尺寸； (2)建立模型，利用商用有限元分析軟件，獲得壓力p-時(shí)間t曲線，保證超塑成形 在最佳應(yīng)變速率附近； (3)模具溫度加熱至板料開始氧化、吸氫的溫度前，自動(dòng)進(jìn)行吹氬抽真空，循環(huán)3 次，清洗管路和模具型腔； (4)模具達(dá)到成形溫度，按壓力p-時(shí)間t曲線自動(dòng)對(duì)毛坯板料施加氣壓； (5)超塑成形結(jié)束后，自動(dòng)排氣泄壓，模具和成形零件隨爐冷卻，達(dá)到出模溫度，開
模取零件。 所述的吹氬壓力為0. 1 0. 5MPa，開始吹氬抽真空的模具溫度與出模取件模具溫 度為200 550°C。 —種板料超塑成形加工方法用超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于包括控制系下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)由工業(yè)PC 和PLC組成，工業(yè)PC發(fā)出依照壓力p-時(shí)間t曲線的動(dòng)態(tài)指令，由PLC執(zhí)行指令并控制上 模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)的通斷。所述的上模氣壓加載系 統(tǒng)連接在上模進(jìn)口端，包括氣源、伺服單元、壓力變送器，所述的伺服單元根據(jù)控制系統(tǒng)的 PLC發(fā)出的指令，將氣源中的氣體按指定的壓力經(jīng)壓力變送器送到上模中，所述的壓力變送 器將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反饋PLC，由PLC根據(jù)管路中的壓力控制伺服單元?jiǎng)?作。所述的下模氣壓加載系統(tǒng)連接在下模進(jìn)口端，包括氣源、伺服單元、壓力變送器，所述的 伺服單元根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令，將氣源中的氣體按指定的壓力經(jīng)壓力變送器送 到下模中，所述的壓力變送器將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反饋PLC，由PLC根據(jù)管路 中的壓力控制伺服單元?jiǎng)幼?。所述的伺服單元是針閥，其驅(qū)動(dòng)源是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或步進(jìn)電 機(jī)。所述的壓力變送器連有緩沖氣瓶，所述的壓力變送器連有緩沖氣瓶，用于緩沖和穩(wěn)定管 路中的壓力。所述的上下模抽真空系統(tǒng)包括電磁閥、真空計(jì)、真空泵，所述的電磁閥連于上 模出氣端，所述的電磁閥連于下模出氣端，電磁閥與真空計(jì)和真空泵相連，電磁閥通過堵頭 與真空計(jì)和真空泵相連，電磁閥根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令打開或關(guān)斷管路，真空計(jì) 用于測(cè)量管路中真空情況，真空泵用于抽真空，所述的上模的進(jìn)氣端和出氣端連有差壓表， 下模的進(jìn)氣端和出氣端連有差壓表。 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下積極效果。本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法 能夠?qū)崿F(xiàn)背壓成形、正反成形，該方法用的超塑成形氣壓加載裝置，能夠?qū)辶铣艹尚慰?制在最佳應(yīng)變速率附近，充分發(fā)揮材料的超塑性能，改善成形零件的壁厚分布，提高成形零 件的使用性能。


圖1是本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法用的超塑成形氣壓加載裝置原理圖。 圖2是本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法的背壓成形方法示意圖。 圖3是本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法的正反成形方法示意圖。 附圖中1氣源，2和11伺服單元，3和13壓力變送器，4和12緩沖氣瓶，5、9、14和
17電磁閥，6和15差壓表，7上模，8板料，10氣源，16下模，18堵頭，19真空計(jì)，20真空泵。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的 實(shí)施范圍之中。 圖1是本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法用的超塑成形氣壓加載裝置原理圖， 包括控制系統(tǒng)、上模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)，所述的控制系 統(tǒng)由工業(yè)PC和PLC組成，PLC是工控機(jī)，工業(yè)PC發(fā)出依照壓力p-時(shí)間t曲線的動(dòng)態(tài)壓力 P指令，由PLC執(zhí)行指令并控制上模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng) 的通斷。所述的上模氣壓加載系統(tǒng)連接在上模進(jìn)口端A，包括氣源1、伺服單元2、壓力變送 器3，所述的伺服單元2根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令，將氣源1中的氣體按指定的壓力 經(jīng)壓力變送器3送到上模7中，所述的壓力變送器3將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反 饋PLC，由PLC根據(jù)管路中的壓力控制伺服單元2動(dòng)作。所述的下模氣壓加載系統(tǒng)連接在下
5模進(jìn)口端A'，包括氣源10、伺服單元11、壓力變送器13，所述的伺服單元11根據(jù)控制系統(tǒng) 的PLC發(fā)出的指令，將氣源10中的氣體按指定的壓力經(jīng)壓力變送器13送到下模16中，所 述的壓力變送器13將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反饋PLC，由PLC根據(jù)管路中的壓力 控制伺服單元11動(dòng)作。所述的伺服單元2和11是針閥，其驅(qū)動(dòng)源是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或步進(jìn) 電機(jī)。所述的壓力變送器3連有緩沖氣瓶4，所述的壓力變送器13連有緩沖氣瓶12，用于 緩沖和穩(wěn)定管路中的壓力。所述的上下模抽真空系統(tǒng)包括電磁閥5、9、14和17、真空計(jì)19、 真空泵20，所述的電磁閥5連于上模進(jìn)氣端A，所述的電磁閥14連于下模進(jìn)氣端A'，所述 的電磁閥9連于上模出氣端B，所述的電磁閥17連于下模出氣端B'，電磁閥9與真空計(jì)19 和真空泵20相連，電磁閥17通過堵頭18與真空計(jì)19和真空泵20相連，電磁閥5、9、 14和 17根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令打開或關(guān)斷管路，真空計(jì)19用于測(cè)量管路中真空情況， 真空泵20用于抽真空，所述的上模7的進(jìn)氣端A和出氣端B連有差壓表6，下模的進(jìn)氣端 A'和出氣端B'連有差壓表15。除氣源1、氣源10與真空泵20夕卜，其余元器件全部安裝在 一個(gè)控制柜的內(nèi)部與面板上。采用絕壓式壓力變送器，壓力變送器3的量程為0 12MPa， 壓力變送器3的量程為0 5MPa。采用紫銅管和快速接頭或擴(kuò)口接頭連接形成管路。采用 的差壓表耐壓15MPa，其量程為0 0. lMPa。 圖2是本發(fā)明的一種板料超塑成形加工方法的背壓成形方法示意圖。本發(fā)明的一 種板料超塑成形加工方法，包括以下步驟 (1)制作模具，根據(jù)模具材料與板料線膨脹系數(shù)差值確定縮放系數(shù)，保證成形零件 為所需的尺寸，上模7和下模16采用熱作模具鋼、耐熱不銹鋼或高溫合金等材料制造；
(2)建立超塑成形零件模型，利用商用有限元分析軟件，獲得壓力p-時(shí)間t曲線， 并讀入工控機(jī)，保證超塑成形在最佳應(yīng)變速率附近； (3)模具溫度加熱至板料開始氧化、吸氫的溫度前，自動(dòng)進(jìn)行吹氬抽真空，循環(huán)3 次，清洗管路和模具型腔； (4)模具達(dá)到成形溫度，按壓力p-時(shí)間t曲線自動(dòng)對(duì)毛坯板料施加氣壓； (5)超塑成形結(jié)束后，自動(dòng)排氣泄壓，模具和成形零件隨爐冷卻，達(dá)到出模溫度，開
模取零件。 所述的吹氬壓力為0. 1 0. 5MPa，開始吹氬抽真空的模具溫度與出模取件模具溫 度為200 55(TC。模具加熱方式為熱成形機(jī)床電加熱平臺(tái)或液壓機(jī)床附件箱式電爐。所 述吹氬抽真空，首先由PLC工控機(jī)控制伺服單元針閥運(yùn)動(dòng)，電磁閥5和14打開，電磁閥9和 17關(guān)閉，在管路與模具型腔內(nèi)產(chǎn)生吹氬壓力，其次PLC工控機(jī)控制伺服單元針閥關(guān)閉及電 磁閥5和14關(guān)閉，電磁閥9和17打開，形成上下模具型腔、毛坯板料及真空泵通路，完成抽 真空，到達(dá)預(yù)定時(shí)間后電磁閥14和17自動(dòng)斷開。 圖2超塑成形工藝的背壓成形加工方法是在上模氣壓加載系統(tǒng)對(duì)上模腔加載氣 壓，使毛坯板料8產(chǎn)生變形，同時(shí)下模氣壓加載系統(tǒng)對(duì)下模腔加載一定氣壓，約O. 7 o s，使板 料8在近似靜水壓力狀態(tài)下變形，這樣可以有效地抑制變形不均。 圖3超塑成形工藝的正反成形方法是按零件形狀要求，既向上模加壓又向下模加 壓，使零件完成復(fù)雜形狀的成形，本發(fā)明裝置提供了上、下模氣壓加載系統(tǒng)，可以同步或分 步實(shí)施上、下模加壓，完成零件成形。 運(yùn)用本發(fā)明的超塑成形氣壓加載裝置還可以實(shí)現(xiàn)二層板對(duì)向成形工藝、三層或四
6層板擴(kuò)散連接組合工藝，完成多種復(fù)雜零件形狀的超塑成形。 本發(fā)明裝置能夠?qū)辶铣艹尚慰刂圃谧罴褢?yīng)變速率附近，充分發(fā)揮材料的超塑性能，改善成形零件的壁厚分布，提高成形零件的使用性能。
權(quán)利要求
一種板料超塑成形加工方法，其特征在于包括以下步驟(1)制作模具，根據(jù)模具材料與板料線膨脹系數(shù)差值確定縮放系數(shù)，保證成形零件為所需的尺寸；(2)建立模型，利用商用有限元分析軟件，獲得壓力p-時(shí)間t曲線，保證超塑成形在最佳應(yīng)變速率附近；(3)模具溫度加熱至板料開始氧化、吸氫的溫度前，自動(dòng)進(jìn)行吹氬抽真空，循環(huán)3次，清洗管路和模具型腔；(4)模具達(dá)到成形溫度，按壓力p-時(shí)間t曲線自動(dòng)對(duì)毛坯板料施加氣壓；(5)超塑成形結(jié)束后，自動(dòng)排氣泄壓，模具和成形零件隨爐冷卻，達(dá)到出模溫度，開模取零件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板料超塑成形加工方法，其特征在于所述的吹氬壓力為0. 1 0. 5MPa。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種板料超塑成形加工方法，其特征在于開始吹氬抽真空的模具溫度與出模取件模具溫度為200 550°C。
4. 一種板料超塑成形加工方法用超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于包括控制系統(tǒng)、上模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)由工業(yè)PC和PLC組成，工業(yè)PC發(fā)出依照壓力p-時(shí)間t曲線的動(dòng)態(tài)指令，由PLC執(zhí)行指令并控制上模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)的通斷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的上模氣壓加載系統(tǒng)連接在上模(7)進(jìn)口端，包括氣源(1)、伺服單元(2)、壓力變送器(3)，所述的伺服單元(2)根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令，將氣源(1)中的氣體按指定的壓力經(jīng)壓力變送器(3)送到上模(7)中，所述的壓力變送器(3)將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反饋PLC，由PLC根據(jù)管路中的壓力控制伺服單元(2)動(dòng)作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的下模氣壓加載系統(tǒng)連接在下模(16)進(jìn)口端，包括氣源(10)、伺服單元(11)、壓力變送器(13)，所述的伺服單元(11)根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令，將氣源(10)中的氣體按指定的壓力經(jīng)壓力變送器(13)送到下模(16)中，所述的壓力變送器(13)將管路中壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并反饋PLC，由PLC根據(jù)管路中的壓力控制伺服單元(11)動(dòng)作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的伺服單元(2)和(11)是針閥，其驅(qū)動(dòng)源是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或步進(jìn)電機(jī)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的壓力變送器(3)連有緩沖氣瓶(4)，所述的壓力變送器(13)連有緩沖氣瓶(12)，用于緩沖和穩(wěn)定管路中的壓力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的上下模抽真空系統(tǒng)包括電磁閥(5) 、(9) 、(14)和(17)、真空計(jì)(19)、真空泵(20)，所述的電磁閥(5)連于上模出氣端，所述的電磁閥(14)連于下模出氣端，電磁閥(9)與真空計(jì)和真空泵相連，電磁閥(17)通過堵頭(18)與真空計(jì)(19)和真空泵(20)相連，電磁閥(5)、 (9)、 (14)和(17)根據(jù)控制系統(tǒng)的PLC發(fā)出的指令打開或關(guān)斷管路，真空計(jì)(19)用于測(cè)量管路中真空情況，真空泵(20)用于抽真空。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超塑成形氣壓加載裝置，其特征在于所述的上模(7)的進(jìn)氣端和出氣端連有差壓表(e)，下模(16)的進(jìn)氣端和出氣端連有差壓表(is)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種板料超塑成形加工方法及超塑氣壓加載裝置，屬于板料超塑成形加工技術(shù)領(lǐng)域，該方法及氣壓加載裝置的特征在板料超塑變形始終控制在最佳應(yīng)變速率及最佳應(yīng)變速率范圍附近，充分發(fā)揮材料的超塑性能，改善成形零件的壁厚均勻性，提高成形零件的使用性能。本發(fā)明的氣壓加載裝置，包括控制系統(tǒng)、上模氣壓加載系統(tǒng)、下模氣壓加載系統(tǒng)和上下模抽真空系統(tǒng)，采用本發(fā)明的超塑成形加工方法及氣壓加載裝置，能夠進(jìn)行高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物等板料的超塑成形、背壓成形、正反成形工藝，成形復(fù)雜零件外形。
文檔編號(hào)B21D26/02GK101791651SQ20101010935
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者李光俊, 童國(guó)權(quán) 申請(qǐng)人:成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司;南京航空航天大學(xué)