曾得志的塑性加工论文——气压成形.doc

本 科 生 课 程 论 文(2014-2015学年第二学期)气压成形技术介绍与探索 曾得志 提交日期：2015.4.29 学生签名： 曾得志学 号201430113180学 院机械与汽车工程学院课程编号课程名称塑性加工及模具计算机技术学位类别学士任课教师夏琴香 教授教师评语： 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日说 明气压成形技术介绍与探索曾得志摘要：加工成形工艺可以追溯到远古人类生活时期，从简单的借助石头刻削发展到现在的各种加工技术。近现代随着工业革命的进行，出现了利用机器的大规模生产加工，促生了各种成形工艺。传统的成形工艺主要是冲压成形，但是新型的成形工艺应需要而生，包括液压成形、电磁成形、爆炸成形、气压成形等等。气压指的是作用在单位面积上的气体，微观上来说，气压实质是大量分子频繁地碰撞容器壁（假设对象是容器里的气体）而产生的压力。不连续的分子碰撞在宏观上体现出了连续的、均匀的压力。利用我们周围随处可见的气体的这一性质，我们便可以实现让工件板料变形的目的，这就是气压成形的产生。本文对气压成形技术原理、分类、应用进行介绍归纳，重点对它在超塑性领域的应用进行分析，并从当前生产需求的角度对该技术进行一些探索，提出一些关于气压的设想与见解。关键词：气压成形；超塑性；加工 作为利用材料塑性由外力作用变形的传统加工技术，塑性加工历史悠久，种类繁多。随着人类社会的不断发展和生活水平的不断提升，人类对各类产品的需求剧增，并且要求更为苛刻精细。因而，在生产中扮演重要角色的塑性加工便不断发展丰富，衍生出许多新的技术，而气压成形技术就是其中之一。气压成形是利用气体压力使工件变形的一种塑形加工工艺，也称压缩空气成型。它是依靠空气压缩机产生的气压将塑料板(片)材加压、拉伸，使其紧贴在模具表面，定型后成为制品。1 气压成形的基本原理与分类 气压成形技术利用某些材料在特定条件下的高塑性和低流动应力(变形抗力)的特性，这样就可以利用气体的压力使板材按模具形状成形（当然也有无模的成形）。它是聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、尼龙与聚缩醛等热塑性树脂的主要成形方法，不过一般只运用在瓶状物体的生产。它被更为广泛地运用在了金属塑形加工，特别是超塑性成形，起到了不可替代的作用。气压成形是一种典型的超塑成形工艺,其原理是利用超塑性材料变形抗力小的特点,在气体压力作用下使工件发生超塑性变形。气压成形一般分为两个阶段:(1)自由胀形阶段，此时材料受气体压力作用，其变形不受模具约束；(2)贴模和充填细角阶段，此时部分材料与模具接触，由于摩擦力及模具边界约束作用，触模部分一般可继续变形但变形受到限制，当摩擦系数较大时，变形缓慢，几乎不动。未触模部分继续自由变形,充填模具的细角部，如圆角、沟槽等1。 按照温度的标准划分，气压成形有常温成形和高温成形两种形式。常温气压成形通过气体压力,使板材与模具型面严密贴合实现制件的快速成形。由于高强度材料在常温下存在变形抗力大、塑性差等特点,常温成形工艺所需的气体压力高,且成形精度难以控制,使该类工艺主要在简单外形的零件中应用。高温气压成形工艺通过热活化成形过程,使材料的流动应力降低,可在气体压力下成形,是目前高强度材料复杂外形零件成形的主要方法2。近来国外又提出两种新型气压成形工艺热态金属气压成形（HMGF）和快速塑性成形（QPF）。HMGF主要用于生产管状结构件，HMGF是在传统的超塑性成形和热胀成形的基础上发展起来的金属高温成形技术,其最初是针对液压成形工艺效率低、成本高等缺点,提出的低成本制造工艺3。QPF则是针对板料的高温气压成形。QPF工艺起源于航空航天工业的铝合金SPF工艺,是针对复杂外形的铝合金(AA5083)汽车覆盖件的成形提出的大批量制造工艺4。 根据模具的不同，气压成形可以被分为单阳模成形、单阴模成形、对模成形、无模成形。 单阳模成形只需要一个阳模。成形过程大概是这样：先预热板材，然后放置在图1的1位置，即在模具上方，然后通过9注入气体，利用气压使板材发生膨胀到高度比模具高，然后再通过10与8将模具往6位置顶，最后等板材冷却便可以形成模具的形状了。该成形的优点就是能够增加制品的壁厚均匀程度。 图1 单阳模成形 图 2 单阴模成形单阴模成形需要一个凹模，凹模底部有一个通孔，如图2所示。用带孔的夹框与凹模将板材夹紧，通过夹框的孔通入气体，利用压力使板材发生形变，直至与凹模贴紧，而本来在凹模里的气体则通过其下方的孔排出。最后，等板材冷却成形后，就通过凹模的孔通入气体使板材从模具上脱落下来得到初产品。对模成形需要的是相互配合的两个模，如图3的2、6所示。整个成形过程应该是这样的：将预处理的板材固定好，然后合拢对模。通过气孔通入气体，控制气体的速率等因素便可以得到相应的形状，同使气孔也有排气的作用。对模成形常用于在制件底部压出各种所需的图案。 图 3 对模成形1 图 4 对模成形2 无模气压成形是无模成形中的一种，是现在的研究热点。无模成形与之前的有模相似，都需要夹紧固定好板料，形成一定的密闭空间，利用气压差来使板料变形。如图5所示，4、5、6、7、9都是起固定好板材的作用，往11通入气体，利用气体压力便使板材被逐步“撑胀”起来，形成了半球状的罩状体。一般来说，得到的罩状体表面光滑没有瑕疵，并且如果板料是透明的，得到的产品光学性质几乎不变，有很大的价值，常用于制造飞机部件、仪器罩和天窗等。图5中得到2光源、8光电管起到的是控制成形程度的作用。 图 5 无模气压成形2 气压成形的特点与应用 前面已经介绍了气压是利用板料的塑性和气体压强差的特性，原理较为简单易懂，所需要的仪器也较为简单，主要有固定装置、进气孔、模具。气压成形时用的气体为压缩空气为氮气或惰性气体, 若采用惰性气体成形, 能防止板材表面产生氧化, 使工件表面保持良好的状态5。气压成形中制件与模壁贴合的一面，可得到光滑平整的表面；制件形状和尺寸精度较高；制件表面光泽度好，透明材料成型后可得到透明制件等。气压成形的模具结构甚为简单。由于成形压力很低，因此对模具的强度要求不高。铸铁、有色金属、非金属(如陶厂瓷、石膏、水泥)均可用作模具材料，钢制凸模不必进行热处理。 图 6 b型b0ps塑料气压热成型机 图 7 电控气压机 气压成形适用于下面情况：(a)成型得到的制件高度大(所需的模具深度较大)(b)制件表面具有精细花纹等装饰或带加强筋(c)制件角隅部分为锐角(d)材料的拉伸强度较大(如双向拉伸聚苯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯等) 气压成形应用范围主要包括铝合金、镁合金、钛合金等轻金属合金材料,同时逐步向陶瓷材料、复合材料和金属间化合物等领域扩散6。 图 8 汽车模型制造1 图 9 汽车模型制造23 超塑性气压成形技术 超塑性是指材料在一定的内部条件 (如晶粒形状及尺寸, 相变等) 和外部条件下( 如温度、压力、应变速率等), 呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能( 例如大的延伸率) 的现象7。在实际生产中常有些壳体类零件其形状复杂, 不易加工, 而采用超塑性气压成形, 由于具有大延伸、无颈缩、易成形等性质, 在一些结构复杂, 难用金属压力加工的壳形零件的成形方面显示出其独特的优势8。金属的超塑性具有高塑性,低抗力,无缩颈,易成形的特点，在特定的条件下（很多金属都是在温度达到熔点的一半时），金属表现出非比寻常的高塑性，具有超凡的延伸率，并且变形抗力很小。因此，人们对金属超塑性具有很大的兴趣。于是，它被运用于很多加工技术中，其中，超塑性气压成形技术具有很大的应用价值。 3.1 超塑性气压成形的原理 超塑性气压成形是利用气压来使具有超塑性的板材料发生形变成为具有球形、椭球形的光滑壳状产品。将具有超塑性性能的金属板料放于模具之中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内空气形成负压，使板料沿凸模或凹模变形，从而获得所需形状。过程示意图如下： 图 10 气压成形过程 气压成形主要有以下方式：自由成形法、凹模成形法、凸模成形法、复合成形法、真空成形法。凹模成形法主要的特点是简单易行，但是零件毛坯先贴模和最后贴模部分具有较大的壁厚差，适用于零件相对高度小于 0.5 的零件；凸模成形可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性，适用于零件相对高度大于 0.5 的零件9。1电热元件 2进气孔 3板料 4工件 5凹（凸）模 6模框 7抽气孔 图 11 板料气压成形 3.2 超塑性气压成形的计算 影响气压成形力很多因素，包括成形温度、成行速度、材料的流动应力、润滑方法等。对于板材成形来说，模内压力为P1 =PF1（F为工件投影面积），而压边密封力为P2=K1F2（K与零件的曲率半径有关，1为材料的流动应力，F2为压边接触面积），总的成形力为P=P1+P2。通常，成形时压力控制如图12所示： 图 12 成形压力控制图 由图12可得，整体来说，气压是随时间而增大的，中途有一段时间为平稳不变的，最后也维持一定数值不变。笔者认为，一开始气压逐步增大是在材料还处于其弹性表现的状态，即气压还未能够使板材发生形变；当气压增大到一定值时，材料开始表现出其塑形，此后控制气压不变，以达到使材料均匀变化的目的；到后来，材料的变形抗力突变，因而又需要随之着增大气压值以便使板材变形，一直到达到最大值维持不变。 对超塑性气压成形而言，虽说影响因素很多，但是有两点实际操作起着重要的作用：控制压力随时间的变化，保证成形时是在板材塑性最佳时进行；根据所制的工件的形状和厚度，提前设计优化加工毛坯的形状与厚度，需要预处理，以得到厚度均匀的材料和提高材料利用率。 超塑性材料对应变速率敏感，最早Backofen提出的超塑性应力-应变速率关系式为=Km，其中，K材料常数;m应变速率敏感性指数;等效应力;等效应变速率。后来，Rosserd,N.Ridley和J.Pilling等人在此基础上修改,提出如下方程:=Knmexp(Q/RT)，其中，n应变硬化系数;Q激活能;R气体常数;T温度。以这些方程来进行数值模拟能够帮助我们更好地实现对压力等的控制，从而得到更为精密、更符合生产要求的产品。气压控制方法很多，主要有恒压法和理想恒应变速率法。图 13 部分加压方式及其模拟系统的 图 14 正反吹成形过程动态模拟 代码 3.3 超塑性气压成形的应用超塑性成形工艺是近十余年中发展起来的一种少无切削加工和精密成形技术的锻压新工艺，它借助于金属材料的超塑特性使毛坯成形，得到形状复杂及尺寸精确的零件。因此，在航空、航天、兵器、车辆、化工容器等制造业中有良好的应用前景。下面就举例说明一下。仪器、仪表产品中的薄壁空心零件，在大批量生产中，一般采用冷冲压加工工艺。但在这种薄壁空心零件的新产品试制中，这种工艺方法却不大适用，而超塑性气压成形则显示出了极大的优越性10。超塑材料在超塑成形时无应变硬化现象，只需很小的外力就可得到极大的均匀变形，可一次加工出形状极为复杂的零件，使多工序成形变为单工序成形。并且超塑性材料在常温下仍具有足够的强度，可满足一般使用要求。以生产一种计算机中的壳形零件后罩为例, 该零件外形尺寸为470 mm308 mm350 mm11。 图 15 后罩示意图 图 16 传统的制造过程如图16，工序多且繁杂。现在改成超塑性气压成形，原料换成锌铝合金，如图17所示。 图 17 由图16和图17可以得到，由于超塑性材料就具有很高的塑形和延伸率，并且变形抗力也很小，因而，可以大大减少加工工序，所以具有很大的实际经济意义。优点主要在于：动力的节省，成形工艺过程的缩减，原材料的节约，适合于形状特殊的零件成型。 在美国，超塑性气压成形主要用于板材加工制造复杂形状的空心零件，用氢气将钦板吹塑成形。应用此方法加工零件，尺寸不受限制,工装简单不需机床,只要一个凹模和一个密封盖(内装加热器),而且工装有通用性,大、中、小配套系列化即可解决很多钦合金板料成形。如人造卫星上用的钦合金球形燃料莉，压力容器、气瓶等均可用超塑性成形方法加工。因此钦合金超塑性成形工艺对宇航工业有很大发展前景。 图 18 气压成形零件 图 19 图 20 图 21 利用壁厚差气压成形的零件 4 结语 气压成形，作为一种新的成形加工技术，虽然目前应用领域有限，也难以实现大规模的批量生产，但是它将气压与超塑性很好结合一起并且成功运用，给我们制造生产提供了新的方式，并且具有很多优点，具有其应用价值。由于气压成形更多是站在成形力来源气压的角度来定义的，因而其实严格来说它很难单独成为一个系统来研究，往往会跟其他成形技术相交叉，也常常涉及到其他工艺。所以，目前大家对气压成形的分类都有自己的一套，有很多不同的标准，较为杂乱。这也是本文试图解决或是说提供一点帮助的问题。其实，提到气压成形，它很多时候是与超塑性成形联系在一起的。超塑性成形（SPF）是一种新型的、多样的、高效益的先进制造技术，对解决传统技术的短肋、提高生产效率与精度有重大的作用。20世纪70年代以来,超塑性成形工艺(SPF)一直是国内外研究的热点课题,由于其工装成本高、成形周期长等因素限制,主要应用于航空航天等单件、小批量生产领域12。超塑性气压成形是典型的一种，具有很大的应用价值。在这种新工艺中,经过预处理的材料,在外部热量和气压作用下,其变形与再结晶过程同时发生,使成形中材料的硬化和软化维持相对平衡,材料可持续获得良好、稳定的内部组织,在高应变速率下产生大变形与此同时,材料的成形性显著提高,可实现复杂外形的部件一次性整体成形,减少装配零件和附件(如连接件)数量,使模具和其他制造工装数量及其相关操作(如冲孔、装配等)也相应减少,从而使制造成本降低。通过以上途径,可以弥补合金材料成本的增加,降低制造的总体成本13。5 个人探索 首先，查找资料时我发现还有一个真空成形技术，但是我发觉它与气压成形原理一样，只是区别于前者为“抽气”，后者为“通气”。所以，我觉得应该把它们归为一类。我发现，对于同一种成形方法，有很多叫法，分类、应用等各家都有各自的说法，有的甚至矛盾不一样。我觉得，繁杂不一的说法不利于我们很好地进行学习、研究、交流。所以，在机械领域中，需要我们统一一下各类成形方法的名称，这样会有利于大家共同研究创新。 对于气压成形，我觉得当前它的应用局限性较大，并且相对于其他成形技术优势不明显或是说没有很好地体现出来。另外，大家的思路较为单一，只是将气体单纯地当作驱动力、成形力。气体多种多样，不同种类的气体对同一成形过程的影响肯定不同，我们可以从这里突破，寻求最佳气体或是搭配，还有气体的各种性质对成形的影响也应该深入了解研究。另外，作为在化学反应中常常作为反应物的气体也可能与材料发生反应，这个成形过程中在也需要考虑在内。但反过来，也可以利用它对坯料的影响来生产，例如，用气体将某材料反应生成另一材料，在这个过程中，气体不仅提供成形力，还是原材料之一。当然，我觉得这种思路也适用于其他工艺中。气压成形时一般需要相应的模具，并且带孔以便通入气体，但是利用气压时又要求密闭，这给操作带来了一点麻烦。气体本身还有热胀冷缩的性质，我们可以将这结合气压运用，从而提出一种新的方案：模具完全密封，将坯料固定在模具形成的密闭空间里面，通过控制温度是气体产生胀缩力来使材料变形。当然也可以将气压成形与其他技术结合起来，例如，与旋压结合在一起，板料在外在力的作用下转动，将气体产生的压力作为“刀”使板料成形。无模的气压成形可以控制板料两侧的气压差来更好地成形。还有，将液压与气压结合可能也有出奇意料的效果。不过，我目前没什么想法。 总之，气压成形在我看来现在还处于初步开发的阶段，有很大发展空间，值得我们探索研究。参考文献:1 王卫英，张中元，李靖谊，丁秋林.板料气压