Являясь ключевым процессом в производстве сложных конструкционных деталей, технология сверхпластической формовки пластин из титанового сплава имеет важное применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности и других областях. В данной статье дается профессиональное объяснение и технический анализ трех основных методов этой технологии: вакуумной формовки, пневматической формовки (выдувного формования) и формования (муфтового формования).
Метод вакуумной формовки: прецизионное формование при низком-давлении.
Вакуумная формовка по существу заключается в использовании разницы атмосферного давления для реализации формовки пластин, которая относится к категории формования под низким-давлением, которую можно разделить на метод штамповки и метод вогнутой матрицы.
Метод штамповки: пластина, нагретая до сверхпластической температуры, адсорбируется на штампе с характеристиками внутренней формы детали, что подходит для деталей с глубокими полостями, требующих высокой точности размеров внутри. При изготовлении прецизионных конструктивных деталей космических кораблей этот метод позволяет эффективно контролировать точность профиля и распределение толщины стенок, чтобы соответствовать требованиям стабильности размеров в экстремальных условиях работы.
Метод вогнутой матрицы: пластина адсорбируется на вогнутой матрице, принимая форму детали, и в основном используется для деталей с мелкой полостью с высокой точностью размеров. В области автомобильных наружных деталей этот метод может обеспечить хорошее качество поверхности и постоянство формы, что способствует реализации легкого и интегрированного формования.
Технические особенности и ограничения: Давление вакуумной формовки всего около . 0.1 МПа зависит от сверхпластических свойств материала для деталей с тонкими пластинами (обычно толщиной < 2 мм) и плавными изменениями кривизны. Для деталей большой толщины или сложной структуры возможности формовки ограничены, поэтому для расширения диапазона их применения требуется оптимизация процесса и модификация материала.
Метод формования под давлением воздуха (метод выдувного формования): гибкое формование под контролируемым давлением воздуха.
Пневматическая формовка под давлением применяет контролируемое давление с помощью инертного газа (например, аргона) для постепенной установки пластины в сверхпластическом состоянии в форму, которая делится на две категории: формование свободным выдувом и формование с раздувом.
Свободное выдувное формование: пресс-форма не требуется, пластина свободно расширяется под давлением воздуха и часто используется для сферических, колпачковых-форм и других осесимметричных деталей. Его преимуществами являются низкая стоимость пресс-формы и короткое время цикла, но контроль формы зависит от настройки параметров процесса, что подходит для пробного производства или мелкосерийного производства.
Пресс-форма для выдувного формования:
Формирование пуансона: давление воздуха действует на внешнюю сторону пластины, заставляя ее обволакивать пуансон. Внутренняя форма детали имеет высокую точность и большое соотношение глубины-к-ширине, но сложность извлечения из формы и использования материала невелика, а дно легко утолщать.
Формирование вогнутой формы: давление воздуха воздействует на внутреннюю часть пластины, заставляя ее вписаться в полость вогнутой модели. Форма детали имеет высокую точность, легкость извлечения из формы и высокий коэффициент использования материала, но соотношение сторон ограничено, а толщина дна относительно мала.
Преимущества процесса: пневматическая формовка позволяет регулировать давление в диапазоне 0,3–2,0 МПа для обеспечения более сложной геометрии и больших деформаций. Трение невелико, а напряженное состояние однородно в процессе деформации, что способствует улучшению согласованности предела формования материала и механических свойств деталей.
Метод формования (муфтовое формование): высокоточная-контактная формовка.
Формовка находится под давлением при закрытых верхних и нижних штампах и формируется при очень низкой скорости деформации (обычно 10⁻⁴–10⁻³ с⁻¹) при сверхпластических температурах. Хотя теоретически доступны детали с высокой-точностью и-качеством поверхности, возникают следующие проблемы:
Пресс-форма должна обладать хорошей термической стабильностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах. Обычно ее изготавливают из сплавов на основе никеля- или керамических материалов.
Требования к точности посадки формы чрезвычайно высоки, особенно для сложных профилей, сложность обработки и стоимость значительно возрастают;
В процессе формования необходимо строго контролировать трение и распределение температуры между пластиной и формой, чтобы избежать местного утончения или растрескивания.
Таким образом, этот процесс в настоящее время в основном используется для экспериментальных исследований или конкретных-деталей высокой точности, а промышленное применение по-прежнему требует дальнейших прорывов в технологии изготовления пресс-форм и условий смазки.
Выбор процесса и перспективы
В реальном производстве выбор технологического процесса следует производить с учетом конструктивных особенностей, требований к точности, партии и стоимости деталей:
Вакуумная формовка: подходит для прецизионных деталей с мелкими или глубокими полостями из тонких пластин, уделяя особое внимание контролю затрат и качеству поверхности;
Пневматическая формовка: подходит для сложных трехмерных форм, средних и тяжелых листов, а также деталей конструкций, требующих равномерной деформации;
Литье: в настоящее время оно ограничивается тестированием и изготовлением мелких-высокоточных-деталей, но в будущем могут появиться возможности для улучшения с развитием технологии пресс-форм.
Технология сверхпластической формовки развивается в направлении композитных процессов (таких как горячее формование-сверхпластической композитной формовки), интеллектуального управления процессами (на основе численного моделирования и мониторинга в реальном времени), а также разработки новых титановых сплавов (сверхпластических материалов с высокой-скоростью деформации), что еще больше расширит перспективы применения титановых сплавов в области легких и интегрированных конструкций.