（材料加工工程专业论文）铝合金汽车覆盖件超塑成形的工艺和工具研究.pdf

机械科学研究院硕士论文 铝合金汽车覆盖件超塑成形的工艺和工具研究 摘要 由于汽车在减重方面的要求，用铝合金板材代替钢板制造汽车覆盖件 已是当前汽车行业的重要发展趋势之一。在冷冲压条件下与钢板相比铝合 金板材存在着塑性低和回弹大的缺点，由于超塑成形可以解决这些问题， 因此铝合金汽车覆盖件超塑成形工艺研究已成为当前国际上的研究热点。 目前国际上应用于汽车覆盖件超塑成形的铝合金板材主要为经过工艺改 进的5 0 8 3 超塑成形专用铝合金板材，晶粒较细，超塑性能较好，热成形 后工件强度较高，但是这种5 0 8 3 铝合金板材只有少数公司能批量生产， 因此难以得到大规模地工业应用。本文首次对两种工业牌号铝合金板材 a a 5 1 8 2 和6 0 1 6 进行了汽车覆盖件超塑成形的工艺和模具研究。这两种铝 合金板材是当前汽车覆盖件冷冲压成形的主流铝合金板材。本次研究将有 助于推动铝合金在汽车工业上的应用。 本文的主要研究工作包括以下几个方面： 1 对两种工业牌号铝合金板材a a 5 18 2 和6 0 1 6 进行了超塑性能拉伸 试验。试验结果表明材料a a 5 1 8 2 表现出一定的超塑性能，在应变速率 为0 0 0 1 6 s ，温度为3 7 5 时延伸率达到2 1 0 ，m 值达到o 2 5 ；当应变 速率为o 0 r 6 s ，温度为5 0 0 时延伸率达到2 2 5 ，m 值达到o 3 5 。而 6 0 1 6 在5 0 0 下的延伸率均小于15 0 ，m 值在0 1 6 附近，超塑性很低。 2 。对变形前后材料进行了微观组织观察。观察结果表明a a 5 18 2 的晶 粒在变形前后保持等轴状态不变，而6 0 1 6 的晶粒在变形中被拉长。根据 超塑变形的微观机理：超塑变形是以晶界滑移为主，伴随有扩散蠕变和 位错蠕变，这表明a a 5 1 8 2 的变形是以晶界滑移为主，因此超塑性能较 好，具有较大的延伸率，而6 0 1 6 的变形以位错蠕变为主，超塑性能很差， 机械科学研究院硕士论文 延伸率较低。 3 对两种工业牌号铝合金板材a a 5 18 2 和6 0 1 6 进行了吹泡试验。结 果表明在胀形的二维应力状态下，初始壁厚为1 m m 的a a 5 18 2 铝合金板 材在3 7 5 和内径为9 0 m m 的凹模胀形下变薄至o 3 m m 时发生破坏，材 料的最大变薄率达到7 0 ，吹泡高度达到4 4 7 m m 。初始壁厚为l m m 的 6 0 1 6 铝板在5 0 0 和内径为9 0 r a m 的凹模胀形下变薄至0 2 5 m m 时发生破 坏，材料的最大变薄率达到了7 5 ，吹泡高度达到4 4 9 m m 。 4 选择一款跑车的前挡泥板作为成形对象，根据该零件的形状特点和 板材的超塑性能试验结果进行了超塑成形的工艺研究。确定选用铝板 a a 5 1 8 2 在3 7 5 下的超塑气压胀形工艺，压料面采用水平压料方式。 5 为前挡泥板的超塑气压胀形工艺设计和加工了模具和加热系统。模 具设计为中心掏空方式，壁厚比较均匀，并用数控加工制造。模具加热 采用加热板和内外加热器联合加热的方式，既使加热功率足够又尽量使 模具受热均匀，以防止因热应力引起模具开裂。 6 用数值模拟方法对吹泡试验过程进行了工艺模拟。模拟结果与实际 试验结果吻合较好，证实了数值模拟方法对超塑成形过程模拟的有效性， 可以用于指导零件超塑成形的工艺设计和优化。 7 运用数值模拟方法对前挡泥板的超塑气压胀形过程进行了工艺模 拟和优化，改进了模具型腔曲面，得出了最优的压力一时间曲线。在此 条件下。当坯料初始厚度为l m m 时，成形后零件的最薄厚度为0 6 r a m ， 变薄率达到4 0 ，远小于吹泡试验得出的材料7 0 的额定最大变薄率。 这说明，本文对前挡泥板的工艺和模具设计是合理可行的。 关键词：汽车覆盖件铝舍金超塑成形数值模拟模具 撬壤荤墨学蠖究院颤十论文 a s t u d yo np r o c e s s i n ga n dt o o l sf o rs u p e r p l a s t l c f o r m i n go fa l u m i n u ma l l o ya u t o m o b i l eb o d yp a n e l s a b s i r a c i i th a sb e e nas i g n i f i c a n tt e n d e n c yd u et ot h er e q u i r e m e n to fs a v i n g a u t o m o b i l ew e i g h t ，t h a ta l u m i n u ma l l o ys h e e ti n s t e a do fs t e e ls h e e ti su s e df o r m a t e r i a lo fa u t o m o b i l eb o d yp a n e l s m o r ee f f o r t sa r ep u t t i n gi n t os u p e r p l a s t i c f o , m i n go fa l u m i n u ma l l o ya u t o m o b i l eb o d yp a n e l s ，w h i c hc ano v e r c o m e s o m es h o r t a g e s ，s u c ha sl o w e re l o n g a t i o na n dh i g h e rs p r i n g b a c kw h i c h a p p e a r sd u r i n gt h ec o o ls t a m p i n g a tp r e s e n t ，t h ea l u m i n u ma l l o yu s e df o r s u p e r p l a s t i cf o r m i n go fa u t o m o b i l eb o d yp a n e l si sas p e c i a l5 0 8 3a l u m i n u m s h e e tf o rs p fw h i c hh a sf i n eg r a i n ，b e t t e rs u p e r p l a s t i cb e h a v i o r sa n dh i g h e r s t r e n g t ho fs n p e r p l a s t i e a l l yf o r m e dp a r t h o + e v e ro n l yf e wc o m p a n i e si nt h e w o r l dc a np r o d u c et h es p e c i a ls h e e t ，s ot h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e si ni t sw i d e i n d u s t r i a la p p li c a t i o n a a 518 2a n d6 016a r et w oc o m m e r c i a la l u m i n u ma l l o y s h e e t su s e di nc o o ls t a m p i n go fa u t o m o b i l eb o d yp a n e l sa tp r e s e n t as t u d yo n p r o c e s s i n ga n dt o o l sf o rs u p e r p l a s t i cf o r m i n go fa a 5 8 2a n d6 0 16a l u m i n u m a l l o ya u t o m o b i l eb o d yp a n e l si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es t u d yw i l lh e l pt o i m p u l s ea p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o yi na u t o m o b i l ei n d u s t r y t h em a i n c o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s 1 t h es u p e r p l a s t i ct e n s i o nt e s to fa a 518 2a n d6 016a l u m i n u ma l l o y w a sc a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n ds t r a i r al c ili 5f u a n do u tt h a t u n d e rt h ec o n d i t i o n so f i n i t i a ls t r a i nr a t e0 0 0 1 6 i sa n d0 0 t 6 1 s 。3 7 5 a n d5 0 0 ，t h ee l o n g a t i o no f a a 5 18 2i s2 1 0 a n d2 2 5 r e s p e c t i v e l y ，t h en t iv a l u ei s 0 2 5a n do 3 5r e s p e c t i v e l y a st o6 0 16 a t5 0 0 t h ee l o n g a t i o nw a st e s st h a n 15 0 t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ts u p e r p l a s t i c i t yo fa a 518 2i sb e t t e rt h a nt h a t o f 6 0 1 6 2 ，t h em a t e r i a l m i c r o s t r u c t u r e o fb o t ha l u m i n u ma l l o y sa a 5 18 2a n d 6 016b e f o r ea n da l t e rt e n s i o nt e s ti so b s e r v e di no r d e rt oi n v e s t i g a t et h e i r 机械科学研究院硕+ 论文 m l c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u et ot e n s i o nt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r a i no f a a 5 18 2k e e p se q u i a x e db e f o r ea n da f t e rd e f o r m a t i o n w h i l et h a to f6 0 1 6w a s e l o n g a t e dd u et ot e n s i o nd e f o r m a t i o n b a s e do nt h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s m ， t h ed e f o r m a t i o no fa a 518 2i sm a i n l yc o n t r o l l e db yg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ， a n dd e f o r m a t i o no f 6 0l6i sc o n t r o l l e db yd i s l o c a t i o nc r e e p t h i si sw h 、- s u p e r p l a s t i c i t yo fa a 5 18 2i sb e t t e rt h a nt h a to f6 016 3 t h ef r e eb u l g i n ge x o e r i m e n t so fb o t ha l l o y sa a 518 2a n d6 016a r e c a r r i e do u ti no r d e rt oe s t i m a t et h ed e f o r m a t i o nc a p a b i l i t yu n d e rt h ec o n d i t i o n o fb i d i r e c t i o n a lt e n s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp o i n to u tt h a tt h ec r i t i c a l t h i c k n e s sw i t h o u tf r a c t u r ei s0 3 m ma t3 7 5 f o ra a 518 2a l u m i n u ma l l o y s h e e tw i t hi n i t i a lt h i c k n e s slm m ，t h a tm e a n st h et h i n n i n gl i m i tw i t h o u t f r a c t u r eo fa a 5l8 2i s7 0 t h ec r i t i c a lt h i c k n e s sw i t h o u tf r a c t u r ei s0 2 5 i t n l a t5 0 0 f o r6 0 1 6a l u m i n u ma l l o ys h e e tw i t hi n i t i a lt h i c k n e s s1 m m ，a n dt h e t h i n n i n gl i m i tw i t h o u tf r a c t u r eo f 6 016i s7 5 a t5 0 0 c 4 af r o n tf e n d e ro fc a ri ss e l e c t e da st h ef o r m i n go b j e c t b a s e do nt h e s h a p ec h a r a c t e r so ft h ef e n d e ra n ds u p e r p l a s t i ce x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a a 518 2 a l u m i n u ms h e e ti ss e l e c t e da st h eb l a n ko fs u p e r p l a s t i cf o r m i n go ft h ef e n d e r t h es u p e r p l a s t i cb u l g i n gi ss e l e c t e da sf o r m i n gp r o c e s s i n g ，w h e r ef o r m i n g t e m p e r a t u r ei s37 5 a n dap l a n eb i n d e ri sd e s i g n e d 5 t h ed i e s ，h e a t e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rs y s t e mf o rs u p e r p l a s t i c b u l g i n gp r o c e s so ft h ef e n d e ra r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db yc a d c a m t h eb a c ko ft h ed i ei sh o l l o w e do u ta n dt h ew a l lt h i c k n e s si sm a d ea su n i f c f m a sp o s s i b l e t h eh e a t e ri n c l u d e st h r e ep a r t ：i n n e rh e a t e rp l a c e di n t od i e ，t h e o u t e ra n n u l a rh e a t e r ，a r o u n dt h e d i ea n dt h eu p p e rh e a t e rp l a t et h eh e a t e r o f f e r se n o u g hh e a te n e r g yt oh e a tt h ed i eu n i f o r m l ya n dt op r e v e n tt h ef r a c t u r e c a u s e db yt h e r m a ls t r e s s t h ed i et e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e db yr e l a yo ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rt h r o u g has e to ft h e r m o c o u p l ei nt h ed i e 6 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h ef l e eb u l g i n gt e s ti sc a r r i e do u t a c o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dr e s u l t si st ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t y i v 机械科学研究院硕七论文 o ft h ef e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs u p e r p l a s t i c b u l g i n gp r o c e s s i n g t h e c o m p a r i s o ns h o w st h a tt h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，w h i c hp r o v e st h ef e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nb eu s e d f o rt h ep r o c e s s i n gd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fs u p e r p l a s t i cb u l g i n g 7 an u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs u p e r p l a s t i cb u l g i n gp r o c e s s i n go ft h ef r o n t f e n d e ri sc a r r i e do u t b ym e a n so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed i es h a p e s u r f a c ei si m p r o v e da n da no p t i m a lp r e s s u r e t i m ecurvei sa l s oo b t a i n e d f o r t h e o p t i m i z e dd i ea n dt h eb l a n ko fa a 5 18 2a l u m i n u ma l l o ys h e e t ，t h e m a x i m u mt h i c k n e s st h i n n i n go ft h es u p e r p l a s t i c a l l yf o r m e df r o n tf e n d e ri s 4 0 w h i c hi sm u c hl e s st h a nt h et h i c k n e s st h i n n i n gl i m i t7 0 o f5 18 2s h e e t w i t h o u tf r a c t u r e t h i ss h o w st h e d e s i g n e dp r o c e s s i n g a n dd i e s f o r s u p l e r p l a s t i cb u l g i n go ft h ef r o n tf e n d e ra r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eb o d yp a n e l s ，a l u m i n u ma l l o y ，s u p e r p l a s t i c f o r m i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t o o l s v 机械科学研究院硕士论蔓 1 1 课题的目的与意义 第一章绪论 近年来，随着人们对环保重视程度的不断提高，各国政府对汽车的尾 气排放提出了越来越严格的标准。这样，为有效降低油耗，减重就成了汽 车行业发展的关键问题之一。在汽车车身减重方面，目前主要有两种途径， 一种是使用高强钢取代钢板，另一种是使用铝镁等轻型合金取代钢板。本 文的研究属于后者。 当前工业上铝合金汽车覆盖件多采用冷冲压成形，而铝合金在冷冲压 成形中存在着回弹大和塑性低的缺点，制约了铝合金在汽车覆盖件成形上 的应用。相对于冷冲压，在超塑性状态下铝合金塑性较大，成形零件不出 现回弹，克服了铝合金在冷冲压交形时存在的不足。另外，铝合金直是 超塑性研究的核心材料，其超塑成形在航天航空中也得到了很广泛的应 用，从理论到实践都具备很好的基础。 目前，国外应用于超塑成形汽车覆盖件的铝板多为经过工艺改进的 5 0 8 3 专用铝板，其超塑性能好，但只有少数公司形成了批量生产能力，故 成本较高，难以得到广泛的应用。因此对工业牌号的铝合金a a 5 1 8 2 和6 0 1 6 超塑成形汽车覆盖件的可行性和经济性研究成为当前汽车公司关注的热 点之一。本文通过对a a 5 l8 2 和6 0 1 6 铝合金超塑成形汽车覆盖件的工艺和 模其研究：芑l 期摸索从模具设计、加热设计到成形过程中的关键技术问题， 为将来应用工业牌号铝合金超塑成形汽车覆盖件方面提供直接参考。 机械科学研究院硕士论文 。2文鼓综述 1 - 2 1 超塑变形的力学特征 金藩帮会金在褥定豹缝织结搀、交形瀑度与交澎速震祭传下，哥戳璺 现异常高的勰性，篡延伸率可达百分之几百，甚歪达百分之一千或两千以 上，变形抗= 棼也攘夺，这种现象称为超鋈健( s u p e r p l a s t i c i t y ) 。超壅程变 形的微观变形机理是以晶界滑动为主，并伴随着扩散蠕交和位锚蠕变。 1 2 1 1 宏观力学特诬 砖予缀貉超塑馁来说，冀宏鼹力学特 萎主要俸耀在戳下曩个方嚣： 黼大变形能力( 延伸率5 1 0 0 ) ； 纛无逶鬻游癌变硬证，交形辘力低( m 嗣秘零孝辩交影撬力豹l ，5 一 l 2 ) ： 薰应交速率敏感往离( 应交速率敏感经摇数必0 3 一1 ) i i i i 对晶粒形态、大小敏感。 趣望变形需要定静条侔，爻有在超麓变形祭俘下上透特援牙。链显示 出来。这些条件是： _ 适警豹温度( t 0 ，5 t 。，t 。秀溶健澄度； 一适当的应变速率( 1 0 一lo m l s ) ； 纛等辆、微缎器粒。 应变速率敏感特性是超塑变形的重要特征。雁是很离的应交速率敏感 特性肖效氇捧锈了越塑变形中静簸停失稳，铁而侵超塑交形其裔缀大豹变 形能力，所以在超黧性材料研究中将延伸率和应变速率敏感性指数作为评 价奉季拳辛超塑髓的指稼。 。2 2 应力冀应变遴率戆关系一一逛塑变形戆s 特性鎏线 超塑变形的应力与应变曲线与变形速度有着很大的关系，若以不同的 应交遮率对超鎏耪拳毒进行歉律，鲻发现萁流凄应力随着建交速率酌增麓蕊 增加，且l o gc r 与l o g k 的关系曲线黧s 形，如图1 1 ( a ) 所示，这魑超塑材料 一2 机械科学研究院硕士论文 所特有的形状。为了讨论这种曲线的特性，可以将它分为三个区域，即图 1 1 中的i 区、i i 区和i 】l 区。可以看到在i i 区内，应力随应变速率变化的 剧烈，正是在此应变速率敏感区内发生超塑性。而第1 区与第1 i i 区的变化 缓慢，类似于普通的塑性变形。此曲线上的每一点的斜率，即是应变速率 敏感性指数”? = 掣。图1 1 ( b ) 为与s 曲线相对应的m 与l o g 的关系。 a l o g 占 i 区和i i i 区的m 值都较低，i i 区的m 值较高，且呈峰值变化。 o g 盯 d 1 0 8 o d l o g j l o g i l 0 9 0 q ) 图1 1 超塑材料的应力与应变速率关系的示意图( a ) 乖l 应变速率敏感性指数与应变速率关系图( b ) f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t r e s sv s s t r a i nr a t ec u r v e ( a ) a n dm v a l u ev s s t r a i nr a t ec u r v e ( b ) f o rs u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o n 1 2 1 3 超塑性畿的影响因素 影响超塑性行为的因素很多，如变形速度、变形温度、晶粒度、晶粒 形状及分稚、组织状态、内应力等等。这些因素都直接或闻接地影响超塑 性变形的能力和应变速率敏感性指数m 值的变化。 应变速率的影i 响：应力与应变速率关系为一s 曲线，在最佳超塑性】i 区，1 1 1 值最高，延仲率最大，超塑性最好。过高或过低的应变速率都会使 3 机械科学研究院硕士论文 超塑性能变差。 变形温度的影l l 向：存在最佳超塑成形温度，在此温度条件下，m 值和 延伸率都最高，且超塑性i i 区向高应变速率方向移动。当温度从低温接近 超塑温度时流动应力下降，而且当温度从高温接近超塑温度时，有些材料 也反映出应力下降。 晶粒度的影响：晶粒度越大，流动应力越高，m 值和延伸率越低，超 塑性i i 区所对应的应变速率范围也越窄。在高应变速率区域晶粒度的这种 影响减弱甚至消失。 晶粒形状的影响：等轴细晶的超塑变形对应各向同性，非等轴晶的变 形显示出各相异性。具体表现为短轴方向的应力低，m 值高，延伸率高， 超塑i i 区偏向高应变率一侧，但在长轴方向超塑性能较差。变形过程中晶 粒的形态有向等轴发展的趋势。 1 2 2 超塑性及超塑成形的发展趋势 早期的超塑性研究主要集中在材料变形基础理论方面，近年来的研究 特别强调超塑性和超塑成形的工业应用。今年在英国牛津大学举行的超塑 性国际会议i c s a m 一2 0 0 3 的十八项主题中，直接的应用研究主题达到了八 项，并就超塑性和超塑成形的工业应用进行了专题讨论会。综合来看，超 塑性及超塑成形有如下几个研究重点： 隆瓷、金属基复合材料、金属问化合物等先进材料的超塑性研究 这些材料的共恩特点是高温强度都很高，其加工性能很差，开发其超 塑性可以提供一条有效的成形加工途径。经过某些特殊前处理，许多种金 属闯化合物、金属基复合材料和陶瓷已被证唠可以具有较好的超塑性2 一】。 2 提高材料超塑性变形速率，降低变形温度l 超塑性变形般是在较高的温度及较低的速率下进行的，若能降低温 度、提高变形速率，可以在超塑成形生产中降低成本、提高效率，从而提 高经济效益。对金属材料来说，提高超塑变形速率和降低变形温度的有效 措施是细化晶粒。 3 非理想材料超塑工艺和超塑成形的应用 枫壤科孥磷究院硕士论文 很多试验研究表疆，菜些材秘，| 茔不完全满是均匀等辘绥晶组织的越塑 性条件下经过专门的工艺设计，其超塑性延伸率仍能满飚实际零件超塑成 形静褥要。众掰属相，一般王整游号熬材瓣霹憩不其各越塑牲掰要求戆均 匀等鞅细晶袈件，因此对工业牌号材料的超塑性和超塑成形工艺的磺究就 瑟于这个范耱。北寒税电费于1 9 9 9 年0 1 秀一2 0 0 t 年1 2 是主持完藏这样 一个自然科学基金熬点项圈：“非理想材料超塑变形物璎、力学行为及成 形t 芝鞣变”取褥了突出的磷究袋栗。对萋理想材料越塑工艺和超塑蔽 形的应用研究，能使超塑理论与塑性理论接轨，对扩大超塑性与超塑成形 瘥王照孛懿旋爝范潮，其有缀大斡实际意义”“。 。雏超黧性力学与本构关系的研究 为零1 藤深对超黧柽变形的理菸，进行超塑箴形工艺数毽模拟，需要一 个三维超塑性本构关系，它能够合理的描述超塑变形的燕观特征：超塑行 夯对应交速率、瀑凌帮晶裁尺寸黪裙关性。近年米，国内务已经有了一些 这方蕊的研究” 1 5 j 。北京机电历冉臼金泉林教授在这方面傲了很多的工作， 裰搀麓墼变形豹三蕈孛徽鬣穰理和菇粒长大等理论，建立了一个三维怒黧蛙 本辫袋系，并在超黧成形工艺数值模拟和试验研究分析方面取得了良好的 j 娥暴 t 秘。 鬟：。超黧成形工艺数值模拟与优化 ：隧着计簿枫与骞限元技术的敷震，怒鳖成形工艺静肖藤元数值模援技 术越来越受融工业部门的重视1 17 - 2 1 】。出北京机电所研制歼发的三维，二绒有 限元模撅较彳串s f 3 d s f 2 d 可以应麟于超塑蛙盼体积成形模季菇。商业有蔽元 软件m s e m a r c 具有专门板“超黧服形模块，可以模拟檄材的超塑变形。 它能够以服形件疆鄢傈持最佳应变速率使板厚醛量均匀为磊弦来饶德越 塑成形的压力曲线疆“。 8 超黧性和越鳖成形的工监砬需 超塑性在航天航空、铁路运输、汽车、电子等行业部门得列了很好的 应用，其中钛舍余在航天航空中的应用已达弱了魏范化鲶程度f 2 3 l 。国痨航 空工艺研究院在用于航天航空的钛合金超塑成形方面敬褥了很多的成果 汪4 。“。特掰需要指融的是，镭合金汽车覆盖侔的怒塑成形研究融经成海当 机械科学研究院硕士论文 前的一大研究热点 2 6 1 。今年在英国牛滓大学举行的超塑性国际会议 i c s a m 一2 0 0 3 的两个大会主题报告( k e y n o t ep r e s e n t a t i o n ) 之一就是由美国 福特汽车公司的d r c a r lj o h n s o n 所作的超塑成形能够冲击汽车工业 吗? 。这篇文章阐述了当前应用铝合金超塑成形汽车覆盖件上的优势和 局限性所在，展望了铝合金超塑成形在汽车覆盖件应用上的前景。它体现 了当前汽车工业对铝合金超塑性和超塑成形的密切关注。 1 2 3 超塑成形工艺的数值模拟 1 2 ，3 1 数值模拟的重要- 陛 数值模拟技术是随着有限元技术以及计算机技术的发展而发展起来 的。传统加工过程中的工艺分析及模具设计主要依靠设计者的经验，为了 成形出外形尺寸与内在质量都合格的零件，通常都需要多次试验，反复修 改成形工艺参数和模具形状，因而造成了传统工艺开发过程耗资大、周期 长。运用计算机数值模拟技术模拟成形过程，在模具制造之前就可以发现 并修改设计中的不足，从而大大降低了新产品的开发成本，缩短了开发时 澍，提高了产品质量，增强了产品的竞争力。 1 2 3 2 超塑成形数值模拟技术的发展 超塑成形工艺有扳料成形和体积成形两种。超塑成形有限元数值模拟 研究始于7 0 年代，当时的研究主要集中在板料超塑胀形的理论分析上， 目的是控制压力睦线使制件的壁厚分布均匀。8 0 年代后期，开始研究超塑 成形数值模拟技术。到了9 0 年代，借用冲压模拟技术的成熟经验超塑成 形有限元模拟技术得到了很大的发展，并开始应用于工业实践。超塑成形 模拟和普通冲压模拟螅主要区别在于工件材料状态不同，普通冲压成形材 料遵循弹塑性本构关系，而超塑成形遵循雕粘塑性本构关系。典型的超塑 成形工艺有限元模拟程序，如m s c m a r c 能够模拟超塑板料的胀形过程， 并能模拟和优化超塑成形压力曲线。国内有北京机电研究所金泉林教授等 人丌发的二维，三维超塑成形模拟软件s f 2 d s f 3 d 能模拟超塑体积成形以 6 一 搬械科学臻究貔联士论文 及超塑成形时坯料的晶越发变化。另乡 国内见诸投道的还有哈工大张觊锋 教授等人开发的模拟板材超塑胀形的有限元软件a r v i p 一2 d 年督 a r v i p 3 d 2 。 1 2 4 铝合金汽车覆盖传盼超塑成形 1 2 4 铝合金超塑戏形镌王媳应用 虽然在过去三十年对很多的合金系统进行了研究，范围从从早期的双 波共菇共褫会金 如z n a i ，a 1 c u ，a i s i ，a 1 c a & a 1 p d 等) 囊姿今瓣一些 标准化的合念系统( 如7 4 7 5 ，2 0 0 4 ，8 0 9 0 & 5 0 8 3 等) ，但仅有很少量的合 会在商监上褥到广泛应爱。表l ，l f 2 8 l 舞出了这其中的主要舍金以及它稻懿 机械性能和主要超臻性能参数。 袭1 1 当前常雳锚合金的成分与设钷1 2 8 l t a b 1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t y p i c a ls u p e r p l a s t i c 会金牌号成分屈服威力抗拉强度 弹性模凝 m p am p a g p a 2 0 0 4 a 1 。6 c u 。o 4 z r 3 0 04 2 07 4 s 0 8 3 a i 一4 5 m g - o 1 c r 1 5 0 3 0 0 7 2 7 4 7 5a i * 5 7 z r 一23 m g - l 。5 c u 0 2 c r 5 0 05 5 07 0 8 0 9 0 a i 一2 4 l i 1 2 c u - 0 6 m g 一0 1 z r 3 5 0 4 5 07 8 会金牌号 密度( k 糖3 )超塑温度( )越跫述举( i s )延 孛率( ) m 2 4 2 8 3 4 7 0 1 0 3 1 6 0 0 5 0 8 3 5 0 43 9 02 6 75 0 0 7 4 7 5 2 1 0 。4 1 2 0 0o 7 s2 85 2 0 s 0 9 0 8 1 0 “47 0 0o 32 5 53 5 0 一， 机械科学研究院硕士论文 表1 1 所列合金中的三种2 0 0 4 2 叭、7 4 7 5 1 3 0 1 和5 0 8 3 1 3 1 是目前最主要的 应用铝合金，其中2 0 0 4 和7 4 7 5 主要用于航空工业，而5 0 8 3 主要用于汽 车领域、建筑( 如镶板等) 等。 图1 2 ( 2 8 l 为铝合金超塑成形应用领域的分布情况。从中可以看出，航 天航空部门已经成为最主要的铝合金超塑成形领域。铝合金的超塑成形与 扩散焊技术在航空航天飞行器复杂钣金件( 如飞机壁板、舱门、导弹壳体、 整流罩等) 的减重和降低成本等方面显示了巨大的优越性，被认为是推动 现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金件成形方法的先进制造 技术，是迎接2 1 世纪航空航天大型复杂铝合金结构挑战的高效费比工艺 1 3 2 1 。 、。、幽1 2 超塑铝合金的市场分布【2 s 1 f i g 1 2m a r k e ts e g m e n tb r e a k d o w nf o rs u p e r p l a s l i ca l u m i n u mf o r m e d c o m d o n e n t s l 2 8 l 出图1 2 也可看处铝合金超塑成形在汽车行业也占有重要的地位，而 且随着铝合金超塑成形汽车覆盖件的优越性得到了汽车锚造商的认同，它 所占的比重将越来越大。 相对于其他可供选择的成形工艺，铝合金超塑成形在技术和经济效益 上其有如下优势： 8 机械科学研究院硕士论文 铝合金的比重比钢板小，使用铝合金能够降低成形零件的重量： _ 超塑变形时材料具有较大的延伸率，故可以把普通成形方式需要 分开成形的几个零件一次成形，增加了设计的灵活性，提高了零 件结构的完整性，缩短了零件设计所需的时间： _ 相对于冷冲压成形，超塑成形在取得较大延伸率的同时，还具有 很低的流动应力，故可以使用气压胀形，无需凸模，并且由于超 塑成形的大延伸，对于通常用冷冲压工艺需要多道工序才能成形 的复杂形状零件，使用超塑成形后可以一次成形，因此使模具耗 费大大减少。此外超塑成形零件无回弹成形精度易于控制。 图1 3 1 5 为铝合金超塑成形在一些领域的成功范例。 图1 3 ( a ) 为波音公司在1 9 6 5 年设计生产的飞机整流罩，它由1 9 个零 部件组成，使用了1 2 6 根铆钉和6 条焊线，并且为了达到零件所要求的三 维尺寸公差而需要大量的返工制作。图l _ 3 ( b ) 为使用超塑成形工艺生产的 零件，它由两个零部件组成，只有一条焊线，无需扣钉紧圃。超塑成形工 艺比先前的成形工艺少用了3 7 副成形模具，节约了2 1 个小时的模具安装 时间和3 8 个小时的成形时间，且超塑成形出的整流罩重量比先前工艺制 作的整流罩降低了4 7 磅，充分体现了超塑成形工艺在成形复杂零件方面 的巨大优势1 3 3 j 。 9 一 机械科学研究院硕士论文 c a )( b ) 图1 3 波音公司早期设计生产的飞机整流罩( a ) 和 超塑成形的整流罩( b ) 【3 l f i g 1 3o l dd e s i g no fa u x i l i a r yp o w e ru n i te x h a u s tf a i r i n g ( a ) a n d s p fd e s i g n ( b ) b yt h eb o e i n gc o m p a n y ” 相对于冷冲压成形，超塑成形具有很大的设计灵活性，能够成形出冷 冲压难以成形的零件。r o na r a d 应用5 0 8 3 铝合金超塑成形出非传统化椅 子【2 s l ：丹麦公司b i o m e g a 生产了世界上第一辆超塑铝合金自行车m n o i ， 自行车的连接框架组合是由5 0 8 3 超塑成形的，它们都生动地表明了超塑 成形特有的设计自由。图1 4 为r o na r a d 超塑成形的椅子，图1 5 为丹麦 公司b i o m e g a 生产的超塑铝合金自行车m n 0 1 【2 引。 幽1 4r o nar a d 甩5 0 8 3 超塑成形非传统化椅子1 2 8 f i g 1 4u n t r a d i t i o r r a lc h a i rm a d eo f5 0 8 3a n ds p fb yr o na r a d 1 2 a 一1 0 枫械科学研究院琰士论文 阁1 5 丹麦公司b i o m e g a 生产的越塑铝合金自行攀m n 0 1 “l f i g 1 5s u p e r p l a s t i ea l u m i n u mi n t e n s i v eb i c y c l em n 0 1s p fb yb i o m e g ac o m p a n y d e n l n a f k 2 2 t 1 2 ，4 2 铝合龛在汽车覆盖件上的应用 汽车覆菔件是搿覆盖发动枫、地盘、构成驾驶室、黎员厢和行李厢等 的车身薄板辨形体的表面零件( 外板件) 和内部冲压成形零件( 内扳件) 3 4 1 。汽车覆箍件有以下特点 3 5 - 3 6 1 ：井彩轮解尺寸大，形状复杂；应用冷冲 压成形往往兼有拉延、翻边、弯馥等多道工序，在成形过程中投料上备点 的变形状态徽复杂，应力撮不均匀；对尺寸精度和外观威量垮有较高的要 求，犍烈是轿车，外理曲蕊的光顺鞠光照效果要馓到无w 挑剔。所以，以 汽车覆盖件为代表的钣金件的成形是一个国家工妲化程廉的标志。 随着节靛环保的要求越来越严格，轿车的轻爨纯己成为汽车工业发展 的关键问题之一。轿车轻爨化有两条途径：一是优化结卡哿设计，二是采糟 轻质树辩。翦者，一瓤莱愿先进豹开发软 牛，甩现代设计方法对整车结构遴 行菲线性力学分析、碰撞模拟分析，通过结构优化设计，尽量做到在满足 强度、剐度鹪条件下，用鸯辛蠼省、结构断鞭最优。这_ 点在国终磺究已较 成熟。后者，在材料改进方蕊主囊有铝材、树腊藏材料、复合材料、钛含 金、镁会金以及高强镪等，其中，镪舍金秘高强镳豹应髑是当懿汽车减羹 的两丈途径。 美国三大汽车公罨( 通翅、裰特积克浆鳆勒) 在一些颠型汽车设计中 大量采用铝。从弓f 擎到阀门，从军门到结构，无不有铝的身影。比如通用 机城科学研究院硕士论文 汽车公司推出的p r e c e p t 型率配有铝制底擞、车身和前摊庶框架，甚至率 俸结构都有镪髓帮释。嚣零本罄公镯生产鹣顼缀魏车n s x 车身秘罄分疯 盘零件全部采用铝台金制作，车体纛量比用钢材制造时减轻了1 4 0 k g ，整 辆轿车重量减轻了2 0 0 k g ，燃料溃耧率降低了1 3 。蠢灞奎，1 9 9 4 年美潮 生产的每辆轿车中，平均用铝量为8 6 7 k g ，比1 0 年前增加了4 7 ，汽车