汽车零部件超塑性成形分析课件

汽车零部件超塑性成形

报告人：陈飞导师：姚建华，陈智君

2013.5.31浙江工业大学激光加工技术工程研究中心汽车零部件超塑性成形报告人：陈飞20131目录:1、金属超塑性概况及成形特点2、超塑性的分类3、超塑性成形工艺4、汽车零部件超塑性成形技术5、超塑性成形展望目录:2超塑性成形：超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率，一定的变形温度(约为热力学熔化温度的一半)和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。1、金属超塑性概况及成形特点超塑性成形：1、金属超塑性概况及成形特点3特点：1)金属塑性扩大了可锻金属的种类。2)金属的变形抗力很小,可在吨位小的设备上模锻出较大的制件3)加工精度高,超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。特点：4金属超塑性发展概况金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。

金属超塑性发展概况5图1-1吹塑成形的5083铝合金墙面装饰浮雕图1-1吹塑成形的5083铝合62超塑性的分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性)其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10μm，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T＞0.5Tm，并且在变形时保持恒定温度；第三个条件是应变速率比较低，一般=10-4~10-1/s。目前已发现共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在许多的二相合金中相当一部分呈现超塑性。一般说来，晶粒越细越有利于超塑性变形，但对有些材料来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。2超塑性的分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性72.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性)

材料在变动频繁的温度环境下，受到应力作用时经多次循环相变或同素异形转变而得到的超塑性。图1-2碳钢和轴承钢的伸长率δ与温度循环次数n之间的关系(试验温度幅度：538~816℃；定负荷：σ=17.6MPa)2.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性)图1-2碳钢和轴83超塑性成形工艺常用超塑性成形的工艺方法1.薄板气压/真空成形(1)气压成形金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。图1-3薄板气压成形工装示意图3超塑性成形工艺常用超塑性成形的工艺方法图1-39(2)真空成形这是一种利用抽真空使处于超塑性状态下的坯料吸附到模具上的工艺方法，如图所示。图1-4薄板气压/真空成形工艺过程(2)真空成形图1-4薄板气压/真空成形工艺过程102.拉深成形(1)径向辅助压力拉深对凸缘上坯料法兰周边施加径向辅助压力，把材料推向中心，这时凸模的作用主要是引导材料流入凹模，拉深筒壁不全部承担成形力，故不易破裂。

(2)差温拉深采用温度场控制，使凸缘上坯料部分处于超塑性温度而发生超塑性变形；而与凸模接触部分的工件材料则由于冷却而强化，不发生变形。2.拉深成形11图1-5径向辅助压力拉深原理示意图图1-5径向辅助压力拉深原理示意图123.超塑性模锻成形(1)开式模锻与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为一体的加热和保温装置。

(2)闭式模锻闭式模锻在模具结构上不设飞边槽。3.超塑性模锻成形134.超塑性无模拉拔成形超塑性无模拉拔成形是利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。4.超塑性无模拉拔成形14铝合金覆盖件快速超塑性成形技术在材料塑性允许的范围内，通过热冲压快速完成大部分成形；对于局部复杂形状及难成形部分，则靠后半段的超塑气胀成形完成。

图1热冲压结束状态图2超塑性气胀结束状态4、汽车零部件超塑性成形技术铝合金覆盖件快速超塑性成形技术图1热冲压结束状15试验材料：采用西南铝业（集团）有限责任公司生产的5083铝合金板材，规格为1250ｍｍ×2500ｍｍ×1.0ｍｍ，状态Ｈ111。试验应变频率：试验温度：从400℃开始，每25℃为一个梯度，到550℃止。试验材料：16温度对5083铝合金真应力－真应变的影响温度对5083铝合金真应力－真应变的影响17温度对5083铝合金延伸率的影响温度对5083铝合金延伸率的影响18试验结果表明：未经细晶处理的铝合金5083板材，也具有非常好的超塑性，在和应变速率下，其延伸率最大可超过450％，最小也超过200％，即使在较高应变速率（）条件下，在试验温度范围内，其延伸率也超过200％，只有温度在550℃的情况下，延伸率才低于200％，但达到了180％。试验结果表明：19快速超塑性成形模具：模具主要由水冷板、加热板、凹模、凸模、压边圈、压边弹簧等组成。模具材料选用耐热球墨铸铁RTQSI4MO。快速超塑性成形模具快速超塑性成形模具：快速超塑性成形模具20充气加压气源系统：气胀成形气源系统充气加压气源系统：气胀成形气21铝合金引擎盖的快速超塑性成形：快速超塑性成形的引擎盖零件的成形过程为，上料→板料加热→热冲压→超塑气胀成形→出料。成形温度为425℃；热冲压速度为20mm/s；初始气胀压力为0.3MPa；结束气胀压力为0.5MPa；气胀时间为60s。铝合金引擎盖的快速超塑性成形：22总结：很好的解决铝合金冲压成形难的问题，汽车生产轻量化，减少材料的浪费，成形效率可满足大批量生产。这里的气胀控制系统很重要，必须通过不断的试验，控制精度可达到0.01MPa。总结：231.先进稳定的工艺研究2.辅助环节的研究3.工艺的智能控制研究4.产品质量、成本控制研究5、超塑性成形展望5、超塑性成形展望24谢谢谢谢25汽车零部件超塑性成形

报告人：陈飞导师：姚建华，陈智君

2013.5.31浙江工业大学激光加工技术工程研究中心汽车零部件超塑性成形报告人：陈飞201326目录:1、金属超塑性概况及成形特点2、超塑性的分类3、超塑性成形工艺4、汽车零部件超塑性成形技术5、超塑性成形展望目录:27超塑性成形：超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率，一定的变形温度(约为热力学熔化温度的一半)和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。1、金属超塑性概况及成形特点超塑性成形：1、金属超塑性概况及成形特点28特点：1)金属塑性扩大了可锻金属的种类。2)金属的变形抗力很小,可在吨位小的设备上模锻出较大的制件3)加工精度高,超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。特点：29金属超塑性发展概况金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1928年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。最初发展的超塑性合金是一种简单的合金，如锡铅、铋锡等。一根铋锡棒可以拉伸到原长的19.5倍，然而这些材料的强度太低，不能制造机器零件，所以并没有引起人们的重视。

金属超塑性发展概况30图1-1吹塑成形的5083铝合金墙面装饰浮雕图1-1吹塑成形的5083铝合312超塑性的分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性)其产生的第一个条件是材料具有均匀的微细等轴晶粒，晶粒尺寸通常小于10μm，并且在超塑性温度下晶粒不易长大，即所谓热稳定性好；第二个条件是变形温度T＞0.5Tm，并且在变形时保持恒定温度；第三个条件是应变速率比较低，一般=10-4~10-1/s。目前已发现共晶型和共析型合金具有超塑性，但也不限于此，而在许多的二相合金中相当一部分呈现超塑性。一般说来，晶粒越细越有利于超塑性变形，但对有些材料来说，例如钛合金，其晶粒尺寸达几十微米时仍有良好的超塑性能。2超塑性的分类1.微晶组织超塑性(即恒温超塑性或结构超塑性322.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性)

材料在变动频繁的温度环境下，受到应力作用时经多次循环相变或同素异形转变而得到的超塑性。图1-2碳钢和轴承钢的伸长率δ与温度循环次数n之间的关系(试验温度幅度：538~816℃；定负荷：σ=17.6MPa)2.相变超塑性(即变温超塑性或动态超塑性)图1-2碳钢和轴333超塑性成形工艺常用超塑性成形的工艺方法1.薄板气压/真空成形(1)气压成形金属在常温状态下的液压胀形，由于受材料塑性的限制，较难用于成形复杂的壳体零件。图1-3薄板气压成形工装示意图3超塑性成形工艺常用超塑性成形的工艺方法图1-334(2)真空成形这是一种利用抽真空使处于超塑性状态下的坯料吸附到模具上的工艺方法，如图所示。图1-4薄板气压/真空成形工艺过程(2)真空成形图1-4薄板气压/真空成形工艺过程352.拉深成形(1)径向辅助压力拉深对凸缘上坯料法兰周边施加径向辅助压力，把材料推向中心，这时凸模的作用主要是引导材料流入凹模，拉深筒壁不全部承担成形力，故不易破裂。

(2)差温拉深采用温度场控制，使凸缘上坯料部分处于超塑性温度而发生超塑性变形；而与凸模接触部分的工件材料则由于冷却而强化，不发生变形。2.拉深成形36图1-5径向辅助压力拉深原理示意图图1-5径向辅助压力拉深原理示意图373.超塑性模锻成形(1)开式模锻与普通开式模锻比较，模具结构基本相同，但需要增加与模具为一体的加热和保温装置。

(2)闭式模锻闭式模锻在模具结构上不设飞边槽。3.超塑性模锻成形384.超塑性无模拉拔成形超塑性无模拉拔成形是利用超塑性材料在超塑性状态下对温度的敏感性，只在被加工的棒料或管材外部加设感应加热圈，并在棒料或管材的两端施加载荷，当感应圈移动时，就会形成横截面周期变化，甚至非周期变化的棒形零件，或者是变壁厚的管形零件。4.超塑性无模拉拔成形39铝合金覆盖件快速超塑性成形技术在材料塑性允许的范围内，通过热冲压快速完成大部分成形；对于局部复杂形状及难成形部分，则靠后半段的超塑气胀成形完成。

图1热冲压结束状态图2超塑性气胀结束状态4、汽车零部件超塑性成形技术铝合金覆盖件快速超塑性成形技术图1热冲压结束状40试验材料：采用西南铝业（集团）有限责任公司生产的5083铝合金板材，规格为1250ｍｍ×2500ｍｍ×1.0ｍｍ，状态Ｈ111。试验应变频率：试验温度：从400℃开始，每25℃为一个梯度，到550℃止。试验材料：41温度对5083铝合金真应力－真应变的影响温度对5083铝合金真应力－真应变的影响42温度对5083铝合金延伸率的影响温度对5083铝合金延伸率的影响43试验结果表明：未经细晶处理的铝合金5083板材，也具有非常好的超塑性，在和应变速率下，其延伸率最大可超过450％，最小也超过200％，即使在