一种板料超塑成形加工方法及其超塑成形气压加载装置 【技术领域】
本发明涉及一种板料超塑成形加工方法及该方法用的超塑成形气压加载装置。
背景技术
超塑成形是一种制造难加工材料零件和复杂结构件的精密成形工艺。超塑成形中，模腔内材料的变形依赖于板料厚度变薄。对复杂深腔类零件，成形过程中板料各点的应力状态均不相同且随时间变化，导致成形零件壁厚均匀性差。最后贴模部位的变形程度过大，内部孔洞分数高，降低了成形零件的使用性能。改善成形件壁厚均匀性是人们关注的重点之一。改善成形零件壁厚均匀性的技术措施有：将变形集中部位的应变速率控制在最佳应变速率范围内，正反成形等。
对铝合金、金属基复合材料等容易在超塑成形中产生孔洞的材料，通过施加约0.7σs的背压，在材料中建立起静水压力，可以有效地抑制孔洞的萌生和发展，能够提高成形零件的使用性能。
超塑成形工艺均需要超塑气压加载装置才能实现。早期，超塑气压加载装置依赖人工断续地控制阀门的开度，这必然会使应变速率偏离最佳范围。美国C.H.Hamilton研制成功单片机控制的气压加载系统，成形气压可以按简单力学分析获得的压力p-时间t曲线连续调节，控制精度大为提高，操作较为方便，但是，单片机控制的气压加载系统尚不能进行背压成形和正反成形。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于提供一种超塑成形加工方法及该方法用的超塑成形气压加载装置，能够实现背压成形、正反成形。
为解决上述技术问题，本发明的一种板料超塑成形加工方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制作模具，根据模具材料与板料线膨胀系数差值确定缩放系数，保证成形零件为所需的尺寸；
(2)建立模型，利用商用有限元分析软件，获得压力p-时间t曲线，保证超塑成形在最佳应变速率附近；
(3)模具温度加热至板料开始氧化、吸氢的温度前，自动进行吹氩抽真空，循环3次，清洗管路和模具型腔；
(4)模具达到成形温度，按压力p-时间t曲线自动对毛坯板料施加气压；
(5)超塑成形结束后，自动排气泄压，模具和成形零件随炉冷却，达到出模温度，开模取零件。
所述的吹氩压力为0.1～0.5MPa，开始吹氩抽真空的模具温度与出模取件模具温度为200～550℃。
一种板料超塑成形加工方法用超塑成形气压加载装置，其特征在于：包括控制系统、上模气压加载系统、下模气压加载系统和上下模抽真空系统，所述的控制系统由工业PC和PLC组成，工业PC发出依照压力p-时间t曲线的动态指令，由PLC执行指令并控制上模气压加载系统、下模气压加载系统和上下模抽真空系统的通断。所述的上模气压加载系统连接在上模进口端，包括气源、伺服单元、压力变送器，所述的伺服单元根据控制系统的PLC发出的指令，将气源中的气体按指定的压力经压力变送器送到上模中，所述的压力变送器将管路中压力信号转换为电信号并反馈PLC，由PLC根据管路中的压力控制伺服单元动作。所述的下模气压加载系统连接在下模进口端，包括气源、伺服单元、压力变送器，所述的伺服单元根据控制系统的PLC发出的指令，将气源中的气体按指定的压力经压力变送器送到下模中，所述的压力变送器将管路中压力信号转换为电信号并反馈PLC，由PLC根据管路中的压力控制伺服单元动作。所述的伺服单元是针阀，其驱动源是电动执行机构或步进电机。所述的压力变送器连有缓冲气瓶，所述的压力变送器连有缓冲气瓶，用于缓冲和稳定管路中的压力。所述的上下模抽真空系统包括电磁阀、真空计、真空泵，所述的电磁阀连于上模出气端，所述的电磁阀连于下模出气端，电磁阀与真空计和真空泵相连，电磁阀通过堵头与真空计和真空泵相连，电磁阀根据控制系统的PLC发出的指令打开或关断管路，真空计用于测量管路中真空情况，真空泵用于抽真空，所述的上模的进气端和出气端连有差压表，下模的进气端和出气端连有差压表。
本发明相比于现有技术具有如下积极效果。本发明的一种板料超塑成形加工方法能够实现背压成形、正反成形，该方法用的超塑成形气压加载装置，能够将板料超塑成形控制在最佳应变速率附近，充分发挥材料的超塑性能，改善成形零件的壁厚分布，提高成形零件的使用性能。
【附图说明】
图1是本发明的一种板料超塑成形加工方法用的超塑成形气压加载装置原理图。
图2是本发明的一种板料超塑成形加工方法的背压成形方法示意图。
图3是本发明的一种板料超塑成形加工方法的正反成形方法示意图。
附图中：1气源，2和11伺服单元，3和13压力变送器，4和12缓冲气瓶，5、9、14和17电磁阀，6和15差压表，7上模，8板料，10气源，16下模，18堵头，19真空计，20真空泵。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述地实施范围之中。
图1是本发明的一种板料超塑成形加工方法用的超塑成形气压加载装置原理图，包括控制系统、上模气压加载系统、下模气压加载系统和上下模抽真空系统，所述的控制系统由工业PC和PLC组成，PLC是工控机，工业PC发出依照压力p-时间t曲线的动态压力p指令，由PLC执行指令并控制上模气压加载系统、下模气压加载系统和上下模抽真空系统的通断。所述的上模气压加载系统连接在上模进口端A，包括气源1、伺服单元2、压力变送器3，所述的伺服单元2根据控制系统的PLC发出的指令，将气源1中的气体按指定的压力经压力变送器3送到上模7中，所述的压力变送器3将管路中压力信号转换为电信号并反馈PLC，由PLC根据管路中的压力控制伺服单元2动作。所述的下模气压加载系统连接在下模进口端A′，包括气源10、伺服单元11、压力变送器13，所述的伺服单元11根据控制系统的PLC发出的指令，将气源10中的气体按指定的压力经压力变送器13送到下模16中，所述的压力变送器13将管路中压力信号转换为电信号并反馈PLC，由PLC根据管路中的压力控制伺服单元11动作。所述的伺服单元2和11是针阀，其驱动源是电动执行机构或步进电机。所述的压力变送器3连有缓冲气瓶4，所述的压力变送器13连有缓冲气瓶12，用于缓冲和稳定管路中的压力。所述的上下模抽真空系统包括电磁阀5、9、14和17、真空计19、真空泵20，所述的电磁阀5连于上模进气端A，所述的电磁阀14连于下模进气端A′，所述的电磁阀9连于上模出气端B，所述的电磁阀17连于下模出气端B′，电磁阀9与真空计19和真空泵20相连，电磁阀17通过堵头18与真空计19和真空泵20相连，电磁阀5、9、14和17根据控制系统的PLC发出的指令打开或关断管路，真空计19用于测量管路中真空情况，真空泵20用于抽真空，所述的上模7的进气端A和出气端B连有差压表6，下模的进气端A′和出气端B′连有差压表15。除气源1、气源10与真空泵20外，其余元器件全部安装在一个控制柜的内部与面板上。采用绝压式压力变送器，压力变送器3的量程为0～12MPa，压力变送器3的量程为0～5MPa。采用紫铜管和快速接头或扩口接头连接形成管路。采用的差压表耐压15MPa，其量程为0～0.1MPa。
图2是本发明的一种板料超塑成形加工方法的背压成形方法示意图。本发明的一种板料超塑成形加工方法，包括以下步骤：
(1)制作模具，根据模具材料与板料线膨胀系数差值确定缩放系数，保证成形零件为所需的尺寸，上模7和下模16采用热作模具钢、耐热不锈钢或高温合金等材料制造；
(2)建立超塑成形零件模型，利用商用有限元分析软件，获得压力p-时间t曲线，并读入工控机，保证超塑成形在最佳应变速率附近；
(3)模具温度加热至板料开始氧化、吸氢的温度前，自动进行吹氩抽真空，循环3次，清洗管路和模具型腔；
(4)模具达到成形温度，按压力p-时间t曲线自动对毛坯板料施加气压；
(5)超塑成形结束后，自动排气泄压，模具和成形零件随炉冷却，达到出模温度，开模取零件。
所述的吹氩压力为0.1～0.5MPa，开始吹氩抽真空的模具温度与出模取件模具温度为200～550℃。模具加热方式为热成形机床电加热平台或液压机床附件箱式电炉。所述吹氩抽真空，首先由PLC工控机控制伺服单元针阀运动，电磁阀5和14打开，电磁阀9和17关闭，在管路与模具型腔内产生吹氩压力，其次PLC工控机控制伺服单元针阀关闭及电磁阀5和14关闭，电磁阀9和17打开，形成上下模具型腔、毛坯板料及真空泵通路，完成抽真空，到达预定时间后电磁阀14和17自动断开。
图2超塑成形工艺的背压成形加工方法是在上模气压加载系统对上模腔加载气压，使毛坯板料8产生变形，同时下模气压加载系统对下模腔加载一定气压，约0.7σs，使板料8在近似静水压力状态下变形，这样可以有效地抑制变形不均。
图3超塑成形工艺的正反成形方法是按零件形状要求，既向上模加压又向下模加压，使零件完成复杂形状的成形，本发明装置提供了上、下模气压加载系统，可以同步或分步实施上、下模加压，完成零件成形。
运用本发明的超塑成形气压加载装置还可以实现二层板对向成形工艺、三层或四层板扩散连接组合工艺，完成多种复杂零件形状的超塑成形。
本发明装置能够将板料超塑成形控制在最佳应变速率附近，充分发挥材料的超塑性能，改善成形零件的壁厚分布，提高成形零件的使用性能。