钣金件超塑性成形（SPF）的优化措施

1.基本概念

（1）金属材料超塑性 金属材料在特定条件下，可以产生无缩颈和超高延伸率（δ值）的特性，通称为超塑性。

（2）超塑性变形 延伸率（δ值）＞;100%的材料变形称之为超塑性变形。

（3）超塑性成形 利用超塑性变形特性成形零件的方法称为超塑性成形。

2.超塑性成形的工程优势

（1）改善材料成形性 超塑性成形具有大延伸率、无缩颈、小应力及易成形的特点，大大改善了材料的成形性，使形状复杂的零件一次成形成为可能，同时简化了工艺，制造成本也随之降低。

（2）提高产品质量 超塑性成形零件构形尺寸极为精确，金相组织和使用性能良好。

（3）为产品设计提供更大的自由度 为制造重量轻，成本低的高效结构，提供了有利的条件和基础。

（4）成形压力减小 降低设备吨位，节约能源。

3.超塑性成形分类

（1）细晶超塑性成形 细晶超塑性，即恒温或结构超塑性，也称为静态超塑性，要求材料晶粒度细微化、等轴化和稳定化。这种超塑性变形是目前国内外重点研究、广泛应用的超塑性成形方法。

（2）相变超塑性成形 相变超塑性，即变温超塑性、变态超塑性、动态超塑性或环境超塑性。要求材料有良好的固态相变特性，但不一定要求晶粒度细微化组织。这种超塑性变形要求温度变化频繁迅速，一般用于扩散连接。

4.超塑性成形工艺设计

超塑性成形工艺要素如下。

1）温度。超塑性成形的最佳温度可以通过正交试验或材料的S曲线来确定。常用的几种超塑性合金成形温度见表8-18。

表8-18 超塑性合金成形温度

2)应变速率。应变速率是在S曲线上最大斜率（m值）所对应的é点附近选取。对于Ti-6Al-4V来说，应变速率一般推荐lO_-4-lO_-3 (_S-1)。

3)压力与时间。成形应力和成形时间是两个互为关联的可变T艺参数。压力大则时间短，压力小则时间长。为保证在最佳应变速率状态下成形，一般要对压力与时间进行动态控制。控制方式有两种：一种是按压力时间曲线连续加载，保证最佳应变速率；另一种是沿最佳压力时间曲线设计一组折线，按这组折线分段加载。

一般的推荐范围，压力为0.5～2．OMPa时，时间为10--60min。

5．超塑性成形工艺方法

(1)真空成形法真空成形法是将模具内腔抽真空，使处于超塑性状态的坯料吸附在模具型面上。这种方法适用于简单构形的小Jt寸薄板零件，成形压力一般低于0.lMPa，零件成形外形精确。真空成形法的示意图如图8-38所示。

(2)超塑气压法（吹塑成形法、气压胀形法） 这是一类目前研究最多、应用广泛的成形方法。

1)自由吹塑成形。这种成形方法无模具，靠气压自由吹塑，形成整球或半球。自由吹塑成形的零件外形不准确，实用性不大。白由吹塑成形示意图如图8-39所示。

图8-38 真空成形法示意图

图8-39 自由吹塑成形示意图

2）凹模吹塑成形。用这种方法成形的零件边厚底薄，外形成形精度高，使用坯料较小，适用于深宽比不大于0.4的零件。凹模吹塑成形示意图如图8-40所示。

3）凸模吹塑成形。这种方法成形的零件边薄底厚，内形成形精度高，使用坯料较大，适用于深宽比＞0.6的零件。凸模吹塑成形示意图如图8-41所示。

图8-40 凹模吹塑成形示意图

图8-41 凸模吹塑成形示意图

4）复合成形。该方法是凹模吹塑成形和凸模吹塑成形的相互结合，适用于成形构形复杂的零件，是最有实用价值的一种方法。复合成形示意图如图8-42所示。

5）超塑模压成形。与传统的偶合模成形方法基本相同，其唯一的不同点是坯料处于超塑性状态的热氛围之中。这种成形方法所用模具结构复杂，要求特殊，费用昂贵。超塑模压成形常用于等温挤压成形。

6.超塑性成形的零件类型

超塑性成形的零件通常有框罩、盒形件、壁板、梁框和舱门等。图8-43、图8-44所示为超塑性成形的框罩、盒形件。(www.xing528.com)

图8-42 复合成形示意图

图8-43 框罩

图8-44 盒形件

7.超塑性成形的零件材料

超塑性成形零件常用的材料见表8-19。

8.超塑性成形的工艺装备

（1）模具材料 对于超塑性成形温度较低的铝基合金零件，其模具材料可按常规选用。

1）对于超塑性成形温度较高的钛基合金、合金钢零件，必须仔细、慎重地选择模具材料。一般有以下选用原则：

①高温机械性能和抗热蠕变性能好。

②上乘的抗氧化性能。

③有良好的铸造、锻压、机加工性能和焊接性能。

④抗高温生长性能和高温尺寸稳定性能好。

⑤模具材料的热膨胀系数与零件尽可能地接近。

⑥良好的抗急冷、抗急热性能。

⑦热稳定性好，对零件材料无污染。

⑧货源充足，成本低。

2）超塑性成形常用的模具材料见表8-19。

表8-19 超塑性成形常用的零件材料和模具材料

3）此外还有耐高温陶瓷模具材料。高温陶瓷作为超塑性成形的模具材料，与其他模具材料相比较，具有极优越的综合理化性能，在超塑性成形领域开发前景良好。

高温陶瓷按种类分为水玻璃陶瓷、磷酸铝陶瓷、石英陶瓷、耐高温水泥陶瓷、碳化硅陶瓷等。

耐高温陶瓷模具具有以下特性：

①具有高抗氧化性和耐热性。

②高温组织稳定，抗生长性好。

③线膨胀系数小。

④高抗压强度和高硬度值。

⑤制造简单、资源丰富及成本低。

⑥缺点是抗拉强度、抗急冷、抗急热性能差。

（2）超塑性成形模具设计 超塑性成形模具设计、制造详见本书9.4节所述。

9.超塑性成形设备（装置）

超塑性成形设备详见本书第10章所述。

10.超塑性成形的典型工艺流程

以吹塑气压法为例，TC4（Ti-6Al-4V）钛合金典型构件的工艺流程如下：

下料→表面除油酸洗→清理模具、涂覆涂料→装件→置入加热装置升温→到温后充氩成形→放气→氩气保护下炉内冷却→卸模取件→剪切余量→酸洗→检验→包装。