技术领域
[0001] 本发明涉及超塑成形技术领域，尤其涉及一种超塑胀形成形装置及成形方法。
相关背景技术
[0002] 金属和合金在一定的组织结构、变形温度和应变速率等条件下拉伸时，可以呈现出异常高的伸长率，伸长率超过200％，变形抗力也很小，这种现象称为超塑性。钛合金切削加工性能差，形状复杂的零件难以成形，但其在特定条件下具有超塑性，利用这一特性发展出超塑成形这一近净成形工艺。
[0003] 目前超塑成形在材料的超塑状态下采用气压成形，零件形状尺寸由模具的内形腔决定，一套模具只能成形一种尺寸的零件。对于形状类似但尺寸有所差别的零件，例如相同直径但高度不同的球形或拱形零件，超塑成形时需要多套模具，加工过程繁琐，成本高昂。
[0004] 基于此，本发明提出了一种用于超塑胀形成形装置及成形方法，以解决上述问题。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0031] 实施例1
[0032] 本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种超塑胀形成形装置(以下简称成形装置)，包括成形单元1、供气单元2和控制器3，成形单元1和供气单元2分别与控制器3连接，控制器3控制供气单元2向成形单元1供气，将板料100吹胀成形。
[0033] 优选地，成形单元1包括上模11和下模12，上模11和下模12设置在成形单元1中，上模11和下模12之间放置板料100。下模12包括成形腔，成形腔为下模12的中空部，中空部开口朝向上模11，板料100能够向下模12的成形腔中吹胀成形。
[0034] 优选地，上模11上设有第一气口13，下模12上设有第二气口14，第一气口13通过控制器3与供气单元2连接。控制器3控制供气单元2通过第一气口13向上模11内供气，将板料100吹胀成形，成形腔内的保护气体由第二气口14排出。在超塑胀形成形过程中，成形腔被板料100分隔成两个部分，板料100与上模11之间的成形腔为上形腔15，板料100与下模12之间的成形腔为下形腔16。上形腔15与第一气口13连通，下形腔16与第二气口14连通。
[0035] 优选地，供气单元2为高压气瓶，高压气瓶内保护气体压强≥1Mpa，保护气体为氩气。
[0036] 优选地，本发明的成形装置还包括气路组件，气路组件包括第一气路4和排气气路5。第一气路4的一端与第一气口13连接，另一端与供气单元2连接。排气气路5的一端与第二气口14连接，另一端开放。第一气路4用于向上形腔15传输保护气体，排气气路5用于从下形腔16排出保护气体。
[0037] 优选地，第一气路4上设有第一气压表31和第一气阀21，第一气压表31设置在第一气口13和第一气阀21之间，第一气压表31和第一气阀21均与控制器3连接。第一气压表31用于量取第一气路4内的气压并将气压读数发送给控制器3。控制器3能够调整第一气阀21的开度，进而控制第一气路4的进气量，控制器3也能够关闭第一气阀21，进而封闭第一气路4。
[0038] 优选地，排气气路5上设有第二气阀22，控制器3能够调整第二气阀22的开度，进而控制排气气路5的出气量，控制器3也能够关闭第二气阀22，进而封闭排气气路5。
[0039] 优选地，第二气阀22为溢压排气阀，能够设定溢压保护状态并设定临界压力。在排气气路5内的气压高于临界压力时，第二气阀22能够自动开启，排气气路5开放泄压，防止成形单元1损坏；第二气阀22也能够开启或关闭，以开通或封闭排气气路5。
[0040] 优选地，气路组件还包括第二气路6。第二气路6的一端与第二气口14连接，另一端与供气单元2连接。第二气路6用于向下形腔16传输保护气体。
[0041] 优选地，第二气路6上设有第二气压表32和第三气阀23，第二气压表32设置在第二气口14和第三气阀23之间，第二气压表32和第三气阀23均与控制器3连接。第二气压表32用于量取第二气路6内的气压并将气压读数发送给控制器3。控制器3能够调整第三气阀23的开度，进而控制第二气路6的出气量，控制器3也能够关闭第三气阀23，进而封闭第二气路6。
[0042] 优选地，本发明的成形装置还包括调压单元，调压单元包括调压气缸7和活塞8，活塞8设置在调压气缸7内。调压气缸7的两端分别与第一气路4和第二气路6连接，与第一气路4连接端为上端，与第二气路6连接端为下端。
[0043] 优选地，调压气缸7包括气缸空腔，并且，气缸空腔被活塞8分隔成两部分，与第一气路4连通的部分气缸空腔为第一压力腔71，与第二气路6连通的部分气缸空腔为第二压力腔72。第一压力腔71内的保护气体能够通过第一气路4传送到上形腔15内，第二压力腔72内的保护气体能够通过第二气路6传送到下形腔16内。活塞8能够向调压气缸7的一端或另一端运动，从而改变第一压力腔71和第二压力腔72的容积。
[0044] 优选地，为了驱动活塞8，本发明的成形装置还包括作动组件，作动组件包括第一作动杆81和第一作动器(图中未示出)。第一作动杆81的一端穿过调压气缸7上端的侧壁与活塞8的一端连接，第一作动杆81的另一端与第一作动器连接，第一作动器与控制器3连接。控制器3能够控制第一作动器推或拉动第一作动杆81，进而推或拉动活塞8，使得活塞8向调压气缸7的上端或下端运动，从而将第一压力腔71的保护气体向上形腔15压送，或者将第二压力腔72的保护气体向下形腔16压送，进而改变板料100的形状。
[0045] 优选地，第一作动器为液压缸或电动缸，对第一作动杆81进行推或拉动。或者，第一作动器包括蜗轮蜗杆副和电机。蜗轮蜗杆副设置在第一作动杆81上，电机分别与蜗杆和控制器3连接，控制器3能够控制电机转动从而驱动蜗杆，蜗杆能够带动蜗轮旋转，并带动第一作动杆81运动，从而驱动活塞8。蜗轮蜗杆副具有自锁功能，减速比大于40，确保对第一作动杆81的自锁和驱动。
[0046] 优选地，如图2所示，作动组件还包括第二作动杆82和第二作动器(图中未示出)。第二作动杆82的一端穿过调压气缸7下端的侧壁并与活塞8的另一端连接，第二作动杆82的另一端与第二作动器连接，第二作动器与控制器3连接。第二作动器与第一作动器结构相同。第二作动杆82与第一作动杆81的结构相同，第一压力腔71和第二压力腔72容积的变化率相同。且相对于单独设置一个作动器，两个作动器提高了对活塞8的驱动力和自锁的牢固程度。
[0047] 优选地，为了节约材料，排气气路5和第二气路6能够合并，具体地，去除第二气路5从第二气口14到第二气阀22之间的管路，将第二气阀设置在第二气压表32与第三气阀23之间。
[0048] 相对于现有技术，本实施例的控制器3能够控制第一作动器推或拉动第一作动杆81，进而推或拉动活塞8，使得活塞8向调压气缸7的上端或下端运动，从而将第一压力腔71的保护气体向上形腔15压送，或者将第二压力腔72的保护气体向下形腔16压送，进而改变板料100的形状；蜗轮蜗杆副设置在第一作动杆81上，电机分别与蜗杆和控制器3连接，控制器3能够控制电机转动从而驱动蜗杆，蜗杆能够带动蜗轮旋转，并带动第一作动杆81运动，从而驱动活塞8；蜗轮蜗杆副具有自锁功能，且减速比大于40，确保对第一作动杆81的自锁和驱动；第二作动器与第一作动器结构相同，第二作动杆82与第一作动杆81的结构相同，第一压力腔71和第二压力腔72容积的变化率相同；且相对于单独设置一个作动器，两个作动器提高了对活塞8的驱动力和自锁的牢固程度。
[0049] 实施例2
[0050] 本发明的另一个具体实施例，如图3所示，公开了另一种成形装置，在实施例1的基础上，对上模11进行了改进。
[0051] 在超塑成形过程中，通常板料100中心部位的厚度会小于周边的部位。所以，可以对板料100进行预成型操作，将板料100周边部为预先延展，使得周边部位比中心部位的厚度薄。
[0052] 优选地，上模11为圆形上模，板料100为圆板状板料。上模11包括环形凹模17，环形凹模17设置在上模11与板料100相接触的外壁上，环形凹模17为环形凹槽，环形凹槽的开口部朝向板料100，板料100的周边部位能够向环形凹模17内延展，从而使得板料100的周边部位变薄，再将板料100超塑成形时，可以使得板料100成形后的厚度更匀称。
[0053] 优选地，环形凹模17与上模11同心，板料100的中心部位为圆形，且与板料100和上模11同心。
[0054] 优选地，为了防止板料100在向上模11和环形凹模17延展过程中堵塞第一气口13，第一气口13在上形腔15的开口设置在环形凹模17上。第一气口13设有多个，使得板料100预成型过程中延展变形更充分和匀称。
[0055] 实施例3
[0056] 本发明的另一个具体实施例，如图4所示，公开了另一种成形装置，在实施例1的基础上，对上模11和下模12进行了改进。
[0057] 与实施例2遇到的问题相同，在超塑成形过程中，通常板料100中心部位的厚度会小于周边的部位。所以，可以对板料100进行预成型操作，将板料100周边部为预先延展，使得周边部位比中心部位的厚度薄。
[0058] 优选地，上模11为圆形上模，板料100为圆板状板料。上模11包括环形凹模17，环形凹模17设置在上模11与板料100相接触的外壁上，环形凹模17为环形凹槽，环形凹槽的开口部朝向板料100。
[0059] 优选地，环形凹模17与上模11同心，板料100的中心部位为圆形，且与板料100和上模11同心。
[0060] 优选地，下模12上设有下凸模18和驱动机构(图中未示出)，下凸模18与驱动机构连接，驱动机构与下模12连接，驱动机构能够驱动下凸模18向上模11方向挤压板料100，并将板料100的周边部位挤入环形凹模17，板料100的周边部位能够向环形凹模17内延展，从而使得板料100的周边部位变薄，再将板料100超塑成形时，可以使得板料100成形后的厚度更匀称。
[0061] 实施例4
[0062] 本发明的另一个具体实施例，如图5所示，公开了一种超塑胀形成形方法(以下简称成形方法)，利用实施例1的成形装置对板料100进行超塑胀形加工。
[0063] 成形方法包括如下步骤：
[0064] 步骤1：制定活塞8位移与板料100形状关系表，包括如下分步骤：
[0065] 分步骤11：建立活塞8位移与上形腔15和下形腔16体积变化关系表
[0066] 上形腔15的体积为V1，下形腔16的体积为V2，第一压力腔71的体积为V3，第二压力腔72的体积为V4；第一气压表31的读数为P1，第二气压表32的读数为P2。
[0067] 活塞8向第一压力腔71一端移动时，第一气路4，即上形腔15和第一压力腔71的总体积V1+V3减小，第一气压表31的读数P1增大；第二气路6，即下形腔16和第二压力腔72的总体积V2+V4增大、第二气压表32的读数P2减小，板料100两侧形成气压差，板料100发生超塑胀形。根据活塞8一侧的面积S和活塞8的位移h可计算第一压力腔71和第二压力腔72体积的变化：
[0068] ΔV3＝‑h·S
[0069] ΔV4＝‑ΔV3
[0070] 根据活塞8移动前后第一气压表31测得的气压P1和第二气压表32测得的气压P2以及pV＝nRT保护气体方程公式，其中，n表示气体的量，R表示气体常数，T表示气体的热力学温度，即可分别计算出第一气路4和第二气路6的体积变化，即ΔV1+ΔV2和ΔV3+ΔV4，再减去第一压力腔71和第二压力腔72的体积变化，ΔV3和ΔV4，即为上形腔15和下形腔16的体积变化，ΔV1和ΔV2，从而建立起活塞8的位移h与上形腔15和下形腔16体积变化，ΔV1和ΔV2的关系。
[0071] ΔV1＝‑h·S
[0072] ΔV2＝‑ΔV1
[0073] 分步骤12：建立活塞8位移与板料100形状关系表
[0074] 根据板料100的形状计算上形腔15和下形腔16的体积，制作板料100的形状和上形腔15和下形腔16的体积对应关系表，并存入控制器3。根据活塞8位移与上形腔15和下形腔16体积变化关系表，换算得出活塞8位移与板料100的形状关系表，并存入控制器3。
[0075] 步骤2：准备成形，包括如下分步骤：
[0076] 分步骤21：进行装模、合模，并对模具施加载荷
[0077] 将板料100放置在上模11和下模12之间，关闭第二气阀22和第三气阀23，在下形腔16内充满保护气体，压紧上模11和下模12。
[0078] 分步骤22：归零调整调压气缸7
[0079] 将活塞8与调压气缸7的下端连接，使第二压力腔72体积减至最小，固定活塞8的位置。
[0080] 分步骤23：连接气路
[0081] 连接第一气路4、第二气路5和第二气路6，并将第一气压表31、第二气压表32、第一气阀21、第三气阀23和第二气阀22连接到控制器3。
[0082] 分步骤24：气路内充气
[0083] 打开第一气阀21和第三气阀23并将第二气阀22设定为溢压保护状态，打开供气单元2，向第一气路4和第二气路6充入保护保护气体。
[0084] 优选地，设定第二气阀22的临界压力为0.4MPa，气路气压设定为0.3MPa。
[0085] 步骤3：超塑胀形成形
[0086] 将成形单元1升温到920℃，保温10‑60min，设定供气单元2供气压力为1MPa，并向成形单元1充气，待第一气压表31和第二气压表32数值稳定且读数相同时，关闭供气单元2，关闭第一气阀21和第三气阀23，使得上形腔15和第一压力腔71形成一个密闭空间，下形腔16和第二压力腔72形成另一密闭空间。
[0087] 控制器3中的控制程序根据活塞8位移与板料100形状关系表计算活塞8的位移h，输出信号控制活塞8移动，并根据第一气压表31和第二气压表32的测定的气压变化实时计算上形腔15和下形腔16的体积变化，对活塞8位移速度进行实时调节，由此实现超塑胀形成形控制。
[0088] 步骤4，完成超塑成形
[0089] 打开第一气阀21、第三气阀23和第二气阀22，排空第一气路4、第二气路6和排气气路5的保护气体。开启成形单元1，取出板料100，超塑成形结束。
[0090] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
