王 雷

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000）

引言

蠕變成形技術(shù)是工裝設(shè)計(jì)技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，設(shè)計(jì)重點(diǎn)分別在于對結(jié)構(gòu)件加載方式和加載均勻度的把握以及對結(jié)構(gòu)件加溫和溫度的控制兩方面，目前隨著我國科學(xué)技術(shù)和跨學(xué)科行業(yè)發(fā)展，蠕變成形技術(shù)在成型工裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸得到了創(chuàng)新，并且獲得了相關(guān)工程研究者矚目的焦點(diǎn)。

1 蠕變時(shí)效成形基本原理

蠕變時(shí)效成形主要是通過鋁合金金屬蠕變特征，在時(shí)效處理下獲得鋁合金所需性能和特定結(jié)構(gòu)，通常是依靠金屬、模板和時(shí)效作用共同完成，主要分為三個(gè)階段。

1）加載。第一步加載是指在室溫下，將金屬零件通過一定方式變形并安裝在模具上，完成金屬零件初始定型。

2）人工時(shí)效。人工時(shí)效是指通過人為的方式，為零件施加外部刺激和壓力。在蠕變時(shí)效成形技術(shù)中，主要是將零件和工裝通過加熱、加壓和保溫的方式，促使零件材料在這一過程中受到蠕變、應(yīng)力松弛的作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織產(chǎn)生較大變化。

3）卸載。保溫結(jié)束后去掉模具限制，零件上部分彈性變形在蠕變和應(yīng)力松弛作用下定形，從而使零件獲得應(yīng)用所需外形，并保留零件所需特質(zhì)［1］。

2 蠕變時(shí)效成形優(yōu)勢

2.1 提高材料穩(wěn)定度

蠕變時(shí)效成形的一大優(yōu)勢在于成形應(yīng)力抵御零件屈服應(yīng)力，因此能夠有效減少零件因進(jìn)入屈服應(yīng)力狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)和破損風(fēng)險(xiǎn)，降低零件在進(jìn)行加工時(shí)出現(xiàn)的裂紋和破裂機(jī)率，提高零件加工時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 提高材料強(qiáng)度

蠕變時(shí)效成形能夠有效利用時(shí)效強(qiáng)化和應(yīng)力松弛，在進(jìn)行零件人工時(shí)效強(qiáng)化塑形的同時(shí)，能夠改善材料內(nèi)部組織，塑造工程應(yīng)用所需特征，提高材料強(qiáng)度。

2.3 提高形態(tài)精準(zhǔn)度

蠕變時(shí)效成形能夠在一定程度上保障零件的結(jié)構(gòu)形狀準(zhǔn)確度，提高可重復(fù)率和成形率，提升零件成形技術(shù)工作效率，通常在進(jìn)行復(fù)雜零件成形時(shí)，僅需要進(jìn)行一次熱循環(huán)，就能夠幫助零件達(dá)到所需形態(tài)，精準(zhǔn)度在1mm 誤差上下。

2.4 提高零件壽命

蠕變時(shí)效成形后的金屬零件能夠在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)保持結(jié)構(gòu)和形狀的穩(wěn)定性，內(nèi)部應(yīng)用力幾乎完全釋放，能夠有效防止變形，照比噴丸成形零件具有更長的穩(wěn)定度。才外其自身具有一定的耐應(yīng)力腐蝕能力，能夠延長零件壽命［2］。

3 成形工裝設(shè)計(jì)重點(diǎn)

3.1 模具設(shè)計(jì)

模具是進(jìn)行蠕變時(shí)效成形技術(shù)的基本保障，因此在進(jìn)行成形工裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先考慮模具設(shè)計(jì)合理性和科學(xué)性。由于在進(jìn)行蠕變時(shí)效成形工裝設(shè)計(jì)時(shí)是通過壓力和時(shí)效溫度實(shí)現(xiàn)的，因此模具的尺寸、形狀和樣式需要進(jìn)行提前設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適溫、適應(yīng)真空的特點(diǎn)，因此模具通常采用組合機(jī)構(gòu)，以保障模具剛度和操作便捷度。

3.2 載荷施加

在進(jìn)行工裝成形設(shè)計(jì)時(shí)需考慮蠕變時(shí)效成形的載荷施加問題，應(yīng)確保加載的合理性、穩(wěn)定性和均勻性、例如在進(jìn)行大型金屬蠕變時(shí)效成形時(shí)，可采用真空負(fù)壓和正向家呀相結(jié)合的方式。

3.3 參數(shù)設(shè)定

參數(shù)包括溫度、壓力強(qiáng)度、時(shí)效時(shí)間等，直接關(guān)系到蠕變成形的最終結(jié)果，因此在進(jìn)行工裝成形前，需對工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對成型工藝進(jìn)行提前模擬實(shí)驗(yàn)，以保障參數(shù)的精準(zhǔn)度［3］。

4 蠕變時(shí)效成形工裝設(shè)計(jì)應(yīng)用

目前蠕變時(shí)效成形技術(shù)在成形工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，本文主要推薦以下兩種成型工裝設(shè)計(jì)方式，運(yùn)用點(diǎn)陣式和多截面卡板式夾具為成形模板，具有簡單實(shí)用且操作方便的特點(diǎn)，對工程運(yùn)用具有重要意義，能夠有效提高材料力學(xué)性能。

4.1 機(jī)械加載式

1）設(shè)計(jì)。該種工裝變形設(shè)計(jì)主要是通過機(jī)械外部施加力的方式促進(jìn)應(yīng)力松弛和蠕變，采用的是可更換凹凸模的點(diǎn)陣式夾板模具，以便人工時(shí)效均勻加載。通過點(diǎn)陣螺釘給夾板施加的壓力，為板料施加成形力，在長時(shí)間的蠕變時(shí)效后，會造成板料塑形，模具設(shè)計(jì)如圖1。

2）特點(diǎn)。該成形工裝設(shè)計(jì)的優(yōu)勢特點(diǎn)在于：模具設(shè)計(jì)自身優(yōu)勢，凹凸模可以隨意更換；裝載和卸載便利，易于操作；材料和模具切合性好，能夠保障材料和模板結(jié)構(gòu)形態(tài)的一致性；溫度可以通過外部調(diào)節(jié)控制，具有可操控性。

圖1 機(jī)械加載式工裝設(shè)計(jì)模具設(shè)計(jì)圖

3）效果。如表1，通過該蠕變時(shí)效成形工裝設(shè)計(jì)方式，對LY12鋁合金材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠明顯看出各因素對該成形技術(shù)的影響，該設(shè)計(jì)方式最佳時(shí)效溫度為190 ℃，時(shí)效時(shí)間10h。

表1 機(jī)械加載式工裝成形設(shè)計(jì)結(jié)果

4.2 氣壓加載式

1）設(shè)計(jì)。氣壓加載式是目前應(yīng)用于大型材料成形工藝的主要方式，首先將材料和模板中間抽成真空，使材料和模板緊合，再將模具和材料放入高壓下，通過調(diào)節(jié)壓力和溫度的方式進(jìn)行蠕變時(shí)效成形。該方式具有操作流程規(guī)范的優(yōu)勢，更加具有實(shí)用性。在進(jìn)行氣壓加載式成形工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：密封，應(yīng)確保工裝各部分密封性，由于壓力加載的先決條件在于真空，因此應(yīng)保證工裝各部分密封良好；溫度控制，加熱穩(wěn)定后要求溫度控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)，因此應(yīng)使用熱電測量直接接觸加熱工裝，以確保溫度精準(zhǔn)；壓力控制，保證荷載壓力值，不宜過大也不宜過小，有效確保安全性［4］。設(shè)計(jì)圖如下頁圖2所示。

2）特點(diǎn)。氣壓加載式成型工裝設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：溫度可控，能夠加強(qiáng)工藝流程的可操作性；有真空環(huán)境塑造的材料和模具貼合性較高，蠕變成形時(shí)受力更加均勻；通過壓力測量能夠?qū)Σ牧鲜芰η闆r進(jìn)行檢測，及時(shí)作出調(diào)整。

圖2 氣壓式加載內(nèi)部設(shè)計(jì)圖

3）效果。如表2，通過利用氣壓加載式成型工裝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩闯鲈撛O(shè)計(jì)方式具有成形表面光滑，回彈率小，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，能夠形成質(zhì)量較高的成形材料［5］。

表2 氣壓加載式成形工裝設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 MPa／mm2

5 結(jié)語

蠕變時(shí)效成形技術(shù)具有安全性高、零件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定高、壽命長和形態(tài)精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，因此能夠被廣泛應(yīng)用于成形工裝設(shè)計(jì)中。通過對機(jī)械式和氣壓式兩種蠕變時(shí)效成型技術(shù)在工裝成形技術(shù)中的應(yīng)用，對比各自的實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢和特點(diǎn)，分析整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，應(yīng)用于不同類型的工裝設(shè)計(jì)，提高工裝成形效率，結(jié)合最新科學(xué)技術(shù)手段和國外先進(jìn)技術(shù)理論支持，在各行各業(yè)中得到更為廣泛的使用。

［1］王祝堂.蠕變時(shí)效成形技術(shù)的應(yīng)用［J］.輕合金加工技術(shù)，2010，13（4）：62－63.

［2］中航工業(yè)制造所黃遐.成形／成性一體化壁板制造技術(shù)——蠕變時(shí)效成 形［N］.中國航空報(bào)，2014－07－17（2）.

［3］新商務(wù).首都航天機(jī)械公司蠕變成形技術(shù)填補(bǔ)航天空白［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015，21（15）：29.

［4］湛利華，王萌，黃明輝.基于蠕變公式的時(shí)效應(yīng)力松弛行為預(yù)測模型［J］.機(jī)械 工程學(xué)報(bào)，2013，14（10）：70－76.

［5］曾元松.先進(jìn)航空板材成形技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012，26（1）：1－4.