美国超塑成形设备及其相关技术.doc

美国超塑成形设备及其相关技术并就超塑成形技术的应用做了概述,对我国开展航天高压容器的研究有指导意义。【关键词】超塑成形成形设备成形技术 多年来,箭上、弹上高压贮气瓶的制造,一直采用传统的锻压成形工艺。采用该工艺在半球体成形中,瓶壁的均匀度、内在缺陷等难以控制和发现,造成半成品报废量大,合格率低。采用大容积、新型成形工艺制造高压容器,已是必须立即着手解决的重大课题。为此,航天总公司钛合金超塑成形技术考察团应邀赴美国对钛合金超塑成形技术、制造工艺和热力学实验机及物理模拟系统进行了技术考察。在美期间,考察团先后对动态系统公司、洛伦兹利物贸国家实验室、超塑成形公司等进行了访问,考察、参观了金属材料超塑成形的制造设备、大型高能激光焊接和热力模拟试验系统,了解了当今美国在金属材料超塑成形方面的技术水平,并与美国同行和专家们就超塑成形的相关技术和有关问题进行了广泛、有益的研究讨论。现就美国超塑成形设备及有关技术简述如下: 一、有关公司和实验室概况1.动态系统公司的超塑成形设备动态系统公司(DSI)成立于1957年,其产品GLEEBLE最初是为研究焊接热影响区设计的,后来逐渐发展为热力模拟实验机及物理模拟系统。GLEEBLE设备(如最新的GLEEBLE3500)主要由七个部分组成:窗口工作平台、数据变量显示屏、加载部分、真空箱、控制台、装夹部分和可选择的液压装置。试件两端加高电压,靠其本身的电阻加热,加热速度可达10000/s,一个可选择的淬火系数可使工件表面冷却速度达到10000/s。GLEEBLE3500已全部实现计算机操作,采用Windows97编制的先进软件,只要给出原始数据和控制参数,便可自动进行实验并给出分析后的实验结果,是研究材料加热和变形的有效工具。GLEEBLE设备已广泛用于世界钢铁、焊接、材料研究、航空航天等领域,在了解材料的特性、制作加工方法图、提高生产率、降低成本、提高产品质量等方面,起着十分重要的作用。新型的GLEEBLE已实现了功能模块化,可以针对不同的材料研究和工作目的配置专用模块。GLEEBLE的主要应用包括材料实验和程序模拟两方面。材料实验主要有:多种几何形状试片的热拉伸实验、热压缩实验、应力应变曲线研究、熔化和结晶、热延性实验、热处理、材料相变、消除应力的研究和疲劳问题。程序模拟主要应用有:连续铸造、热滚弯、锻造、挤压成形、焊接热影响区、电阻对焊、扩散焊、热处理、粉末冶金和粉末烧结。以GLEEBLE为工具在航空航天领域进行研究的内容是很广泛的,如航天飞机上挡热板的研制,木星探测器上电源保护材料,碳基复合材料的研究,发动机喷嘴的热疲劳强度研究,新材料、新工艺方法的焊接性研究等。就钛合金压力容器的制造来说,通过GLEEBLE模拟钛合金的锻造过程,可研制先进的锻造方法以改进目前钛合金锻造中存在的材料缺陷问题。钛合金气瓶半球超塑成形后,气瓶管嘴一般采用扩散焊与半球连接,而GLEEBLE是研究扩散焊有力的实验工具。2.洛伦兹利物贸国家实验室的研究工作洛伦兹利物贸国家实验室(Lawrence Livermore National Liboratory)是美国能源部三个国家实验室之一。现有员工8000人,博士1000人,硕士2000人,每年国家拨研究经费10亿美元,研究成果归国家所有。此实验室原为国家安全而建立,冷战时期,主要以核武器的研制为主,不对外开放。冷战结束后,改为研究核武器的销毁和核武器的保存。实验室分成化学和材料、物理、激光、计算机、环境工程、能源、生物化学等部门,其中激光和超级电脑处于世界领先水平。其金属成形及超塑实验室主要研究材料的力学性能和铝合金、钛合金超塑成形的基础工作。材料力学性能实验直接由电脑控制和分析处理。材料金相组织用高精度X射线仪(射线经加速器得到)分析,可直接在计算机上得到组织结构的三维图像。该实验室还有世界上能量最大的激光装置Nova。该装置在激光的工业应用、开发、研究和激光武器研制等方面,发挥了巨大的作用。3.超塑成形公司的成形技术的应用领域美国超塑成形公司(SUPERFORM)成立于70年代初,设备和人员均来自英国的SUPERFORM公司。该公司主要采用超塑成形技术,生产航空航天、汽车等方面配套的技术要求高、几何形状复杂,包括铝合金在内的各类金属制品。该公司的超塑成形的方法具有以下优点:可以降低产品费用(包括模具、制造和装配费用);可提高产品设计的灵活性;可减少产品重量;可提高结构的整体性。SUPERFORM公司产品应用领域及在产品总量中所占比例为:军用航空航天(占22%),商用航空航天(占18%),汽车业(占7%),铁路运输(占39%),建筑业(占10%),电子行业(占3%)。公司产品在航空航天方面应用非常广泛,产品主要为曲线复杂、弯曲深度大、用冷加工成形困难的钣金零件,采用超塑成形可一次成形出零件。如飞机前端的气动罩、舱门框、飞机载弹舱、飞机座椅架等。二、美国超塑成形设备和研究工作对我们的借鉴作用此次考察重点针对美国超塑成形的实验及工艺进行了参观考察,其中对DSI公司、洛伦兹利物贸国家实验室、SUPERFORM中心等的参观访问对于我国的大型钛合金航天高压容器的成形制造具有直接的指导意义。北京机电研究所曾引进了一台DSI公司的GLEEBLE1500热力模拟实验机,十几年来这台实验机已经在机电所的科研中发挥了重要作用,特别是在航天研究项目中起到了很大作用。例如,机电所在承担航天用5升及10升钛合金球形高压容器的科研及小批量生产中,对于成形所用原材料Ti6Al4V管材在超塑变形中的各向异性规律及其与显微组织的关系研究方面取得的结果得到了国际超塑学术界的重视,美国著名超塑专家、加州大学教授A.K.Mukherjee指出:这是世界上该领域研究中最好的工作之一。这些研究工作不仅具有重要的学术意义,而且对于5升和10升气瓶在超塑成形中抑制缺陷提高质量具有重要指导意义。超塑成形的5升及10升气瓶现已装在航天器上,成功地进行了飞行试验。GLEEBLE系列实验设备对于金属材料的冶炼、铸造、锻压、成形、热处理等各个制备阶段的工艺与材料性能的变化之间的关系可以进行精确的模拟。这对于钛合金大型高压容器等航天器所用零件的加工制造及使用起到重要作用。GLEEBLE实验机配有基本的热学与力学系统,两个系统的结合运用,能对金属材料的冷热加工及使用进行各种模拟实验。如何扩大其模拟实验的范围,正确巧妙地设计实验,准确地获得并处理数据,这需要实验机的使用者对设备深入钻研、悉心探索。机电所的GLEEBLE实验机在以往的热成形和超塑成形模拟试验中在国内具有较高的地位。这次参观访问使我们认识到对于实验机的开发运用还远未达到极限。例如对于镦粗实验,以往仅着重于应力应变关系的获取,而未能进行成形润滑剂等实验,因为试样轴向温度梯度难以掌握。这次考察中DSI公司展示的等温夹具可以使试样达到轴向均温,大大扩大了实验的范围,除了获得热加工变形中的应力应变关系这一重要的数据之外,材料变形的均匀性、变形的极限以及润滑剂选择等方面的工艺参数选择模拟实验均可以在GLEEBLE热力模拟实验机上进行。这样可以减少和简化工艺研究的工作量,在提高大容积钛合金气瓶成形工艺研制工作的科学性和经济性方面可以发挥重大的作用。通过访问,对于钛合金大型容器成形中的扩散焊接、成形及热处理等模拟实验的思路得到了重要的启示。如,在大气瓶的研制中,需要采用扩散焊接的先进工艺,我们已经在GLEEBLE1500实验机上进行了扩散焊接的模拟实验,在实验中遇到的一个问题是待扩散的两个试样的焊接面的平行度难以掌握,从而影响了焊接面的均匀紧密贴合。考察团在访问中与DSI公司的总裁及技术人员讨论了这个问题,他们对我们的实验提出了建议,并介绍了一种可以改善待焊接的两个试样端面平行度的新型夹具,供以后实验参考。在对DSI公司的访问中,他们的不断创新精神也给我们留下了深刻的印象。该公司每年都在对产品进行更新,新的思路和技术(包括自创的和外界的,如计算机的新软件及硬件)不断地被采用到他们的设备上,从而使他们的设备多年来总是处于同类实验设备的领先地位。在洛伦兹利物贸国家实验室访问期间,考察团参观了T.G.Nieh博士的超塑性研究实验室及部分研究成果。这位博士是世界上超塑性研究最活跃的著名专家之一,主要从事超塑性的理论研究工作,他的一些研究思路和研究成果对我们的研究工作很有指导意义。航天器大型气瓶的超塑成形属于应用研究,然而在成形中却离不开对于一些理论问题的探讨。我们必须将理论与应用研究结合起来,才能真正获得技术的进步。在对该实验室的访问中,我们听取了博士在超塑性方面的理论成果介绍,并就下一步我们开展技术研究中有关的技术问题进行了咨询和讨论。考察团还参观了该实验室部分先进的超塑性研究实验设备、世界最大的激光装置和应用以及计算机新技术在科研中的应用等。SUPERFORM公司原创建于英国,它首先将超塑成形技术应用于工业实践。美国在80年代将该公司引进,现在已经是世界上在超塑性技术应用方面最成熟,并具有相当生产规模的单位。 三、几点体会通过参观,考察团体会最深的主要有以下几点:1.超塑性技术要从实验室走向工业规模生产,必须进行艰苦细致的工作世界上超塑性的研究仅仅开展了30多年,70年代形成了“超塑热”,现在也有不少的专家教授在从事超塑性研究。然而,迄今为止超塑性技术尚未发挥其应有的作用。北京机电研究所超塑性研究室的主要研究方向是超塑性技术的推广应用,应用也主要以课题和项目的方式,为某个工程或单位将若干零件实现超塑成形,一旦项目通过鉴定,任务也就结束,未能实现批量的规模生产,这就很难使超塑性技术真正发挥其应有的效益。已经实现了超塑性成形的零件在以后的生产中也很容易延用旧的工艺制造,因为零件使用厂家不掌握超塑性成形技术,而研究单位项目结束后继续进行生产又有一定的困难。我国研究所的科研体制十几年来在不断地进行改革,近两年来各级管理部门提出,应用研究成熟后要向产业化的方向发展,只有这样,科研成果才能发挥出最大的效益,这个方面的改革正在起步。SUPERFORM公司的经验对我们无疑具有重要的指导意义。我们认为以下几个方面对于由实验室到工业规模生产具有重要意义:(1)所采用的工艺必须先进稳定超塑性成形是一种新工艺,它的特点是,可以利用小吨位设备进行具有大变形量和复杂零件的成形。然而这种工艺也有其缺点,主要是成形速度慢。SUPERFORM公司注意发挥超塑性成形技术的优越之处,专门成形其它塑性工艺难以甚至不能成形的重要零件,这样就显示出了超塑性成形工艺的先进性。该公司多年来主要不是进行新工艺的研究,而是进行已有工艺的完善和稳定化,这是产业化的基础(2)抓住每一工艺环节,包括辅助环节超塑性成形工艺本身包括材料的加热入模预热加压成形出模校形热处理等环节,这仅仅是成形工艺的主线,模具的设计、制造、加热、维护、润滑剂的选择与使用,成形设备的设计、使用、维护及改进等,也都直接关系到超塑性成形工艺的成败。SUPERFORM公司注意每一个环节的先进性及可靠性。如公司材料的进货渠道一直保持稳定,多年来,其主要材料来源仍然为英国某材料公司。(3)不断扩大工艺的应用范围,稳步增加应用对象在公司创立初期以及迁到美国的初期,SUPERFORM公司超塑性成形的主要应用对象是航空和航天工业。而现在该公司的成形零件除了航空航天以外,还包括了汽车、火车、建筑等领域。使超塑性成形工艺的应用范围不断扩大,立足越来越稳定。(4)先进的工艺必须与先进的设备相结合过去我们曾经宣传过蚂蚁啃骨头的精神,用土设备制造出高精尖的产品,这在工艺发展的初级阶段是必要的。然而,当工艺发展到一定的阶段时,就必须对设备进行改造和升级,否则就会对工艺的发展形成障碍。我们以往主要是一个一个项目地进行研究,啃完一块骨头再啃另一块,而批量化生产就必须对设备的先进、可靠性提出更高的要求。SUPERFORM公司完全采用先进的超塑性成形专用液压机,其操作完全由计算机控制,工艺一旦成熟,就不再受到人为因素影响。该公司的车间里干净整齐,工人很少。据说超塑性成形压机每天工作24小时,采用三班倒连续生产,产品的一致性好,质量稳定可靠。严格健全的规章制度是执行先进工艺进行稳定化生产的保证。虽然没有人专门给我们介绍公司的管理制度,但是我们从车间里工人有条不紊的操作,原料与产品零件的整齐摆放,各种职能人员认真负责的工作态度,可以判断出其严格规范的管理。2.扬长避短,发挥超塑性成形的优势超塑性成形的特点是:与常规塑性变形相比可以显著降低变形抗力,得到均匀的大变形。但超塑性成形也有其不足之处,主要是生产率低。SUPERFORM公司所选择的成形零件都是那些用其它工艺很难实现成形的零件。例如,某汽车公司要制造新型豪华赛车的铝合金覆盖件,就只有利用超塑性成形的方法,几乎没有别的方法可以替代。在该公司给我们播放的录像中,看到汽车公司的老板对超塑成形方法极力称赞。3.计算机技术对超塑性成形工艺进步可以发挥重要作用SUPERFORM公司中所有的超塑性成形设备全部采用计算机控制,只要事先输入数据,成形设备就可以自动按时准确地进行加温加压充气放气等动作,工人只需放入坯料,取出成形好的零件。这样超塑性成形的零件成品率高,一致性好,更体现出超塑性成形工艺的先进性。4.两种超塑成形方式比较FEMALE与MALE两种超塑成形方式各具特点。过去虽然在文献上了解到超塑性气压成形MALE和FEMALE两种方式,然而我们自己所进行的都是FEMALE方式的成形,这种方式简便易行。但是FEMALE成形方式有其最大的缺