美國超塑成形設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)

1、美國超塑成形設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)并就超塑成形技術(shù)的應(yīng)用做了概述,對(duì)我國開展航天高壓容器的研究有指導(dǎo)意義。【關(guān)鍵詞】超塑成形成形設(shè)備成形技術(shù) 多年來,箭上、彈上高壓貯氣瓶的制造,一直采用傳統(tǒng)的鍛壓成形工藝。采用該工藝在半球體成形中,瓶壁的均勻度、內(nèi)在缺陷等難以控制和發(fā)現(xiàn),造成半成品報(bào)廢量大,合格率低。采用大容積、新型成形工藝制造高壓容器,已是必須立即著手解決的重大課題。為此,航天總公司鈦合金超塑成形技術(shù)考察團(tuán)應(yīng)邀赴美國對(duì)鈦合金超塑成形技術(shù)、制造工藝和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)及物理模擬系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)考察。在美期間,考察團(tuán)先后對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司、洛倫茲利物貿(mào)國家實(shí)驗(yàn)室、超塑成形公司等進(jìn)行了訪問,考察、參觀了金屬材料超塑

2、成形的制造設(shè)備、大型高能激光焊接和熱力模擬試驗(yàn)系統(tǒng),了解了當(dāng)今美國在金屬材料超塑成形方面的技術(shù)水平,并與美國同行和專家們就超塑成形的相關(guān)技術(shù)和有關(guān)問題進(jìn)行了廣泛、有益的研究討論?，F(xiàn)就美國超塑成形設(shè)備及有關(guān)技術(shù)簡述如下: 一、有關(guān)公司和實(shí)驗(yàn)室概況1.動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司的超塑成形設(shè)備動(dòng)態(tài)系統(tǒng)公司(DSI)成立于1957年,其產(chǎn)品GLEEBLE最初是為研究焊接熱影響區(qū)設(shè)計(jì)的,后來逐漸發(fā)展為熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)及物理模擬系統(tǒng)。GLEEBLE設(shè)備(如最新的GLEEBLE3500)主要由七個(gè)部分組成:窗口工作平臺(tái)、數(shù)據(jù)變量顯示屏、加載部分、真空箱、控制臺(tái)、裝夾部分和可選擇的液壓裝置。試件兩端加高電壓,靠其本身的電阻加

3、熱,加熱速度可達(dá)10000/s,一個(gè)可選擇的淬火系數(shù)可使工件表面冷卻速度達(dá)到10000/s。GLEEBLE3500已全部實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操作,采用Windows97編制的先進(jìn)軟件,只要給出原始數(shù)據(jù)和控制參數(shù),便可自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并給出分析后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,是研究材料加熱和變形的有效工具。GLEEBLE設(shè)備已廣泛用于世界鋼鐵、焊接、材料研究、航空航天等領(lǐng)域,在了解材料的特性、制作加工方法圖、提高生產(chǎn)率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面,起著十分重要的作用。新型的GLEEBLE已實(shí)現(xiàn)了功能模塊化,可以針對(duì)不同的材料研究和工作目的配置專用模塊。GLEEBLE的主要應(yīng)用包括材料實(shí)驗(yàn)和程序模擬兩方面。材料實(shí)驗(yàn)主要有:多種

4、幾何形狀試片的熱拉伸實(shí)驗(yàn)、熱壓縮實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力應(yīng)變曲線研究、熔化和結(jié)晶、熱延性實(shí)驗(yàn)、熱處理、材料相變、消除應(yīng)力的研究和疲勞問題。程序模擬主要應(yīng)用有:連續(xù)鑄造、熱滾彎、鍛造、擠壓成形、焊接熱影響區(qū)、電阻對(duì)焊、擴(kuò)散焊、熱處理、粉末冶金和粉末燒結(jié)。以GLEEBLE為工具在航空航天領(lǐng)域進(jìn)行研究的內(nèi)容是很廣泛的,如航天飛機(jī)上擋熱板的研制,木星探測器上電源保護(hù)材料,碳基復(fù)合材料的研究,發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的熱疲勞強(qiáng)度研究,新材料、新工藝方法的焊接性研究等。就鈦合金壓力容器的制造來說,通過GLEEBLE模擬鈦合金的鍛造過程,可研制先進(jìn)的鍛造方法以改進(jìn)目前鈦合金鍛造中存在的材料缺陷問題。鈦合金氣瓶半球超塑成形后,氣瓶管嘴一

5、般采用擴(kuò)散焊與半球連接,而GLEEBLE是研究擴(kuò)散焊有力的實(shí)驗(yàn)工具。2.洛倫茲利物貿(mào)國家實(shí)驗(yàn)室的研究工作洛倫茲利物貿(mào)國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Liboratory)是美國能源部三個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室之一?，F(xiàn)有員工8000人,博士1000人,碩士2000人,每年國家撥研究經(jīng)費(fèi)10億美元,研究成果歸國家所有。此實(shí)驗(yàn)室原為國家安全而建立,冷戰(zhàn)時(shí)期,主要以核武器的研制為主,不對(duì)外開放。冷戰(zhàn)結(jié)束后,改為研究核武器的銷毀和核武器的保存。實(shí)驗(yàn)室分成化學(xué)和材料、物理、激光、計(jì)算機(jī)、環(huán)境工程、能源、生物化學(xué)等部門,其中激光和超級(jí)電腦處于世界領(lǐng)先水平。其金屬成形及超塑實(shí)驗(yàn)室主要研

6、究材料的力學(xué)性能和鋁合金、鈦合金超塑成形的基礎(chǔ)工作。材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)直接由電腦控制和分析處理。材料金相組織用高精度X射線儀(射線經(jīng)加速器得到)分析,可直接在計(jì)算機(jī)上得到組織結(jié)構(gòu)的三維圖像。該實(shí)驗(yàn)室還有世界上能量最大的激光裝置Nova。該裝置在激光的工業(yè)應(yīng)用、開發(fā)、研究和激光武器研制等方面,發(fā)揮了巨大的作用。3.超塑成形公司的成形技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域美國超塑成形公司(SUPERFORM)成立于70年代初,設(shè)備和人員均來自英國的SUPERFORM公司。該公司主要采用超塑成形技術(shù),生產(chǎn)航空航天、汽車等方面配套的技術(shù)要求高、幾何形狀復(fù)雜,包括鋁合金在內(nèi)的各類金屬制品。該公司的超塑成形的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):可以

7、降低產(chǎn)品費(fèi)用(包括模具、制造和裝配費(fèi)用);可提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性;可減少產(chǎn)品重量;可提高結(jié)構(gòu)的整體性。SUPERFORM公司產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域及在產(chǎn)品總量中所占比例為:軍用航空航天(占22%),商用航空航天(占18%),汽車業(yè)(占7%),鐵路運(yùn)輸(占39%),建筑業(yè)(占10%),電子行業(yè)(占3%)。公司產(chǎn)品在航空航天方面應(yīng)用非常廣泛,產(chǎn)品主要為曲線復(fù)雜、彎曲深度大、用冷加工成形困難的鈑金零件,采用超塑成形可一次成形出零件。如飛機(jī)前端的氣動(dòng)罩、艙門框、飛機(jī)載彈艙、飛機(jī)座椅架等。二、美國超塑成形設(shè)備和研究工作對(duì)我們的借鑒作用此次考察重點(diǎn)針對(duì)美國超塑成形的實(shí)驗(yàn)及工藝進(jìn)行了參觀考察,其中對(duì)DSI公司、洛倫茲

8、利物貿(mào)國家實(shí)驗(yàn)室、SUPERFORM中心等的參觀訪問對(duì)于我國的大型鈦合金航天高壓容器的成形制造具有直接的指導(dǎo)意義。北京機(jī)電研究所曾引進(jìn)了一臺(tái)DSI公司的GLEEBLE1500熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī),十幾年來這臺(tái)實(shí)驗(yàn)機(jī)已經(jīng)在機(jī)電所的科研中發(fā)揮了重要作用,特別是在航天研究項(xiàng)目中起到了很大作用。例如,機(jī)電所在承擔(dān)航天用5升及10升鈦合金球形高壓容器的科研及小批量生產(chǎn)中,對(duì)于成形所用原材料Ti6Al4V管材在超塑變形中的各向異性規(guī)律及其與顯微組織的關(guān)系研究方面取得的結(jié)果得到了國際超塑學(xué)術(shù)界的重視,美國著名超塑專家、加州大學(xué)教授A.K.Mukherjee指出:這是世界上該領(lǐng)域研究中最好的工作之一。這些研究工作不

9、僅具有重要的學(xué)術(shù)意義,而且對(duì)于5升和10升氣瓶在超塑成形中抑制缺陷提高質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。超塑成形的5升及10升氣瓶現(xiàn)已裝在航天器上,成功地進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。GLEEBLE系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)于金屬材料的冶煉、鑄造、鍛壓、成形、熱處理等各個(gè)制備階段的工藝與材料性能的變化之間的關(guān)系可以進(jìn)行精確的模擬。這對(duì)于鈦合金大型高壓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實(shí)驗(yàn)機(jī)配有基本的熱學(xué)與力學(xué)系統(tǒng),兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)用,能對(duì)金屬材料的冷熱加工及使用進(jìn)行各種模擬實(shí)驗(yàn)。如何擴(kuò)大其模擬實(shí)驗(yàn)的范圍,正確巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),準(zhǔn)確地獲得并處理數(shù)據(jù),這需要實(shí)驗(yàn)機(jī)的使用者對(duì)設(shè)備深入鉆研、悉心探索。機(jī)電所的G

10、LEEBLE實(shí)驗(yàn)機(jī)在以往的熱成形和超塑成形模擬試驗(yàn)中在國內(nèi)具有較高的地位。這次參觀訪問使我們認(rèn)識(shí)到對(duì)于實(shí)驗(yàn)機(jī)的開發(fā)運(yùn)用還遠(yuǎn)未達(dá)到極限。例如對(duì)于鐓粗實(shí)驗(yàn),以往僅著重于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的獲取,而未能進(jìn)行成形潤滑劑等實(shí)驗(yàn),因?yàn)樵嚇虞S向溫度梯度難以掌握。這次考察中DSI公司展示的等溫夾具可以使試樣達(dá)到軸向均溫,大大擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)的范圍,除了獲得熱加工變形中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系這一重要的數(shù)據(jù)之外,材料變形的均勻性、變形的極限以及潤滑劑選擇等方面的工藝參數(shù)選擇模擬實(shí)驗(yàn)均可以在GLEEBLE熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。這樣可以減少和簡化工藝研究的工作量,在提高大容積鈦合金氣瓶成形工藝研制工作的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性方面可以發(fā)揮重大的作

11、用。通過訪問,對(duì)于鈦合金大型容器成形中的擴(kuò)散焊接、成形及熱處理等模擬實(shí)驗(yàn)的思路得到了重要的啟示。如,在大氣瓶的研制中,需要采用擴(kuò)散焊接的先進(jìn)工藝,我們已經(jīng)在GLEEBLE1500實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了擴(kuò)散焊接的模擬實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)中遇到的一個(gè)問題是待擴(kuò)散的兩個(gè)試樣的焊接面的平行度難以掌握,從而影響了焊接面的均勻緊密貼合?？疾靾F(tuán)在訪問中與DSI公司的總裁及技術(shù)人員討論了這個(gè)問題,他們對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)提出了建議,并介紹了一種可以改善待焊接的兩個(gè)試樣端面平行度的新型夾具,供以后實(shí)驗(yàn)參考。在對(duì)DSI公司的訪問中,他們的不斷創(chuàng)新精神也給我們留下了深刻的印象。該公司每年都在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新,新的思路和技術(shù)(包括自創(chuàng)的和外界

12、的,如計(jì)算機(jī)的新軟件及硬件)不斷地被采用到他們的設(shè)備上,從而使他們的設(shè)備多年來總是處于同類實(shí)驗(yàn)設(shè)備的領(lǐng)先地位。在洛倫茲利物貿(mào)國家實(shí)驗(yàn)室訪問期間,考察團(tuán)參觀了T.G.Nieh博士的超塑性研究實(shí)驗(yàn)室及部分研究成果。這位博士是世界上超塑性研究最活躍的著名專家之一,主要從事超塑性的理論研究工作,他的一些研究思路和研究成果對(duì)我們的研究工作很有指導(dǎo)意義。航天器大型氣瓶的超塑成形屬于應(yīng)用研究,然而在成形中卻離不開對(duì)于一些理論問題的探討。我們必須將理論與應(yīng)用研究結(jié)合起來,才能真正獲得技術(shù)的進(jìn)步。在對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的訪問中,我們聽取了博士在超塑性方面的理論成果介紹,并就下一步我們開展技術(shù)研究中有關(guān)的技術(shù)問題進(jìn)行了咨詢

13、和討論?？疾靾F(tuán)還參觀了該實(shí)驗(yàn)室部分先進(jìn)的超塑性研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備、世界最大的激光裝置和應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)新技術(shù)在科研中的應(yīng)用等。SUPERFORM公司原創(chuàng)建于英國,它首先將超塑成形技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐。美國在80年代將該公司引進(jìn),現(xiàn)在已經(jīng)是世界上在超塑性技術(shù)應(yīng)用方面最成熟,并具有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模的單位。 三、幾點(diǎn)體會(huì)通過參觀,考察團(tuán)體會(huì)最深的主要有以下幾點(diǎn):1.超塑性技術(shù)要從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)規(guī)模生產(chǎn),必須進(jìn)行艱苦細(xì)致的工作世界上超塑性的研究僅僅開展了30多年,70年代形成了“超塑熱”,現(xiàn)在也有不少的專家教授在從事超塑性研究。然而,迄今為止超塑性技術(shù)尚未發(fā)揮其應(yīng)有的作用。北京機(jī)電研究所超塑性研究室的主要研究方向是

14、超塑性技術(shù)的推廣應(yīng)用,應(yīng)用也主要以課題和項(xiàng)目的方式,為某個(gè)工程或單位將若干零件實(shí)現(xiàn)超塑成形,一旦項(xiàng)目通過鑒定,任務(wù)也就結(jié)束,未能實(shí)現(xiàn)批量的規(guī)模生產(chǎn),這就很難使超塑性技術(shù)真正發(fā)揮其應(yīng)有的效益。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超塑性成形的零件在以后的生產(chǎn)中也很容易延用舊的工藝制造,因?yàn)榱慵褂脧S家不掌握超塑性成形技術(shù),而研究單位項(xiàng)目結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)又有一定的困難。我國研究所的科研體制十幾年來在不斷地進(jìn)行改革,近兩年來各級(jí)管理部門提出,應(yīng)用研究成熟后要向產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展,只有這樣,科研成果才能發(fā)揮出最大的效益,這個(gè)方面的改革正在起步。SUPERFORM公司的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們無疑具有重要的指導(dǎo)意義。我們認(rèn)為以下幾個(gè)方面對(duì)于由實(shí)

15、驗(yàn)室到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義:(1)所采用的工藝必須先進(jìn)穩(wěn)定超塑性成形是一種新工藝,它的特點(diǎn)是,可以利用小噸位設(shè)備進(jìn)行具有大變形量和復(fù)雜零件的成形。然而這種工藝也有其缺點(diǎn),主要是成形速度慢。SUPERFORM公司注意發(fā)揮超塑性成形技術(shù)的優(yōu)越之處,專門成形其它塑性工藝難以甚至不能成形的重要零件,這樣就顯示出了超塑性成形工藝的先進(jìn)性。該公司多年來主要不是進(jìn)行新工藝的研究,而是進(jìn)行已有工藝的完善和穩(wěn)定化,這是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)(2)抓住每一工藝環(huán)節(jié),包括輔助環(huán)節(jié)超塑性成形工藝本身包括材料的加熱入模預(yù)熱加壓成形出模校形熱處理等環(huán)節(jié),這僅僅是成形工藝的主線,模具的設(shè)計(jì)、制造、加熱、維護(hù)、潤滑劑的選擇與使用,

16、成形設(shè)備的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)及改進(jìn)等,也都直接關(guān)系到超塑性成形工藝的成敗。SUPERFORM公司注意每一個(gè)環(huán)節(jié)的先進(jìn)性及可靠性。如公司材料的進(jìn)貨渠道一直保持穩(wěn)定,多年來,其主要材料來源仍然為英國某材料公司。(3)不斷擴(kuò)大工藝的應(yīng)用范圍,穩(wěn)步增加應(yīng)用對(duì)象在公司創(chuàng)立初期以及遷到美國的初期,SUPERFORM公司超塑性成形的主要應(yīng)用對(duì)象是航空和航天工業(yè)。而現(xiàn)在該公司的成形零件除了航空航天以外,還包括了汽車、火車、建筑等領(lǐng)域。使超塑性成形工藝的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,立足越來越穩(wěn)定。(4)先進(jìn)的工藝必須與先進(jìn)的設(shè)備相結(jié)合過去我們?cè)?jīng)宣傳過螞蟻啃骨頭的精神,用土設(shè)備制造出高精尖的產(chǎn)品,這在工藝發(fā)展的初級(jí)階段是必

17、要的。然而,當(dāng)工藝發(fā)展到一定的階段時(shí),就必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造和升級(jí),否則就會(huì)對(duì)工藝的發(fā)展形成障礙。我們以往主要是一個(gè)一個(gè)項(xiàng)目地進(jìn)行研究,啃完一塊骨頭再啃另一塊,而批量化生產(chǎn)就必須對(duì)設(shè)備的先進(jìn)、可靠性提出更高的要求。SUPERFORM公司完全采用先進(jìn)的超塑性成形專用液壓機(jī),其操作完全由計(jì)算機(jī)控制,工藝一旦成熟,就不再受到人為因素影響。該公司的車間里干凈整齊,工人很少。據(jù)說超塑性成形壓機(jī)每天工作24小時(shí),采用三班倒連續(xù)生產(chǎn),產(chǎn)品的一致性好,質(zhì)量穩(wěn)定可靠。嚴(yán)格健全的規(guī)章制度是執(zhí)行先進(jìn)工藝進(jìn)行穩(wěn)定化生產(chǎn)的保證。雖然沒有人專門給我們介紹公司的管理制度,但是我們從車間里工人有條不紊的操作,原料與產(chǎn)品零件的整

18、齊擺放,各種職能人員認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度,可以判斷出其嚴(yán)格規(guī)范的管理。2.揚(yáng)長避短,發(fā)揮超塑性成形的優(yōu)勢(shì)超塑性成形的特點(diǎn)是:與常規(guī)塑性變形相比可以顯著降低變形抗力,得到均勻的大變形。但超塑性成形也有其不足之處,主要是生產(chǎn)率低。SUPERFORM公司所選擇的成形零件都是那些用其它工藝很難實(shí)現(xiàn)成形的零件。例如,某汽車公司要制造新型豪華賽車的鋁合金覆蓋件,就只有利用超塑性成形的方法,幾乎沒有別的方法可以替代。在該公司給我們播放的錄像中,看到汽車公司的老板對(duì)超塑成形方法極力稱贊。3.計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)超塑性成形工藝進(jìn)步可以發(fā)揮重要作用SUPERFORM公司中所有的超塑性成形設(shè)備全部采用計(jì)算機(jī)控制,只要事先輸入數(shù)據(jù),成形設(shè)備就可以自動(dòng)按時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行加溫加壓充氣放氣等動(dòng)作,工人只需放入坯料,取出成形好的零件。這樣超塑性成形的零件成品率高,一致性好,更體現(xiàn)出超塑性成形工藝的先進(jìn)性。4.兩種超塑成形方式比較FEMALE與MALE兩種超塑成形方式各具特點(diǎn)。過去雖然在文獻(xiàn)上了解到超塑性氣壓成形MALE和FEMALE兩種方式,然而我們自己所進(jìn)行的都是FEMALE方式的成形,這種方式簡便易行。但是FEMALE成形方式有其最大的缺