Будучи ключовим процесом у виробництві складних конструкційних деталей, технологія суперпластичного формування пластин із титанового сплаву має важливе застосування в аерокосмічній, автомобільній промисловості та інших галузях. Ця стаття містить професійне пояснення та технічний аналіз трьох основних методів цієї технології: вакуумне формування, пневматичне формування (видувне формування) та формування (формування з’єднання).
Метод вакуумного формування: точне формування під низьким{0}}тиском
Вакуумне формування по суті полягає у використанні різниці атмосферного тиску для формування пластини, яка належить до категорії формування під низьким -тиском, яке можна розділити на метод штампа з пуансоном і метод увігнутого штампа.
Метод штампу: пластина, нагріта до надпластичної температури, адсорбується на матриці штампу з характеристиками внутрішньої форми деталі, яка підходить для деталей з глибокою порожниною, які вимагають високої точності розмірів усередині. У виробництві точних конструктивних деталей космічних кораблів цей метод може ефективно контролювати точність профілю та розподіл товщини стінок, щоб відповідати вимогам стабільності розмірів у екстремальних умовах роботи.
Метод увігнутої матриці: пластина адсорбується на увігнутій матриці з формою деталі, і в основному використовується для деталей з неглибокими порожнинами з високою точністю розмірів. У сфері виготовлення зовнішніх деталей автомобіля цей метод може забезпечити гарну якість поверхні та консистенцію форми, що сприяє реалізації легкого та інтегрованого формування.
Технічні характеристики та обмеження. Тиск вакуумного формування лише приблизно . 0.1 МПа залежить від надпластичної поведінки матеріалу для деталей із тонкими пластинами (зазвичай товщиною < 2 мм) і плавними варіаціями кривизни. Для деталей з великою товщиною або складною конструкцією здатність до формування обмежена, і для розширення діапазону їх застосування потрібна оптимізація процесу та модифікація матеріалів.
Метод формування під тиском повітря (метод видувного формування): гнучке формування під регульованим тиском повітря
Пневматичне формування тиском застосовує контрольований тиск за допомогою інертного газу (наприклад, аргону), щоб поступово вмістити пластину в суперпластичному стані у форму, яка поділяється на дві категорії: вільне роздувне формування та роздувне формування.
Формування вільним видуванням: форма не потрібна, пластина вільно розширюється під тиском повітря та часто використовується для сферичних деталей, деталей у формі-капота та інших осесиметричних деталей. Його перевагами є низька вартість форми та короткий час циклу, але контроль форми залежить від налаштування параметрів процесу, що підходить для пробного виробництва або виробництва невеликих партій.
Видувна форма:
Формування пуансона: тиск повітря діє на зовнішню сторону пластини, змушуючи її обертатися навколо пуансона. Внутрішня форма деталі має високу точність і велике співвідношення глибини-до-ширини, але складність виймання з форми та використання матеріалу є низькими, а дно легко потовщити.
Формування увігнутої форми: тиск повітря діє на внутрішню частину пластини, щоб вона вставлялася в увігнуту порожнину моделі. Форма деталі має високу точність, легкість виймання з форми та високе використання матеріалу, але співвідношення сторін обмежене, а товщина дна відносно мала.
Переваги процесу: пневматичне формування може регулювати тиск у діапазоні 0,3–2,0 МПа для більш складних геометрій і більших деформацій. Тертя невелике, а напружений стан є рівномірним під час процесу деформації, що сприяє покращенню узгодженості межі формування матеріалу та механічних властивостей деталей.
Метод формування (з’єднувальне формування): високо-точне контактне формування
Формування створюється під тиском із закритими верхньою та нижньою матрицями та формується при дуже низькій швидкості деформації (зазвичай 10⁻4–10⁻³ с⁻¹) при надпластичних температурах. Хоча теоретично доступні високо{3}}деталі високої{4}}якості поверхні, існують такі проблеми:
Прес-форма повинна мати добру термічну стабільність і стійкість до повзучості за високих температур і зазвичай виготовляється зі сплавів на основі-нікелю або керамічних матеріалів.
Вимоги до точності прес-форми надзвичайно високі, особливо для складних профілів, складність обробки та вартість значно зростають;
Під час процесу формування необхідно суворо контролювати тертя та розподіл температури між пластиною та прес-формою, щоб уникнути локального потоншення або розтріскування.
Тому цей процес наразі здебільшого використовується для експериментальних досліджень або конкретних високо-точних деталей, а промислове застосування все ще потребує подальших проривів у технології форм і умов змащування.
Відбір процесів і перспективи
У реальному виробництві вибір процесу слід здійснювати відповідно до структурних характеристик, вимог до точності, партії та вартості деталей:
Вакуумне формування: підходить для точних деталей тонких пластин з невеликою порожниною або глибокою порожниною, зосереджуючись на контролі витрат і якості поверхні;
Пневматичне формування: підходить для складних тривимірних форм, середніх і важких плит і структурних деталей, які потребують рівномірної деформації;
Формування: наразі обмежено тестуванням і невеликими{0}}серійними-деталями високої точності, можливо, буде місце для вдосконалення з розвитком технології форм у майбутньому.
Технологія надпластичного формування розвивається в напрямку композиційних процесів (таких як гаряче формування-надпластичне композитне формування), інтелектуального керування процесом (на основі чисельного моделювання та-моніторингу в реальному-часі) та розробки нових титанових сплавів (високо-надпластичні матеріали з швидкістю деформації), які ще більше розширять перспективи застосування титанових сплавів у галузі легких і інтегрованих конструкцій.