蠕變時效成形工裝設計分析

王 雷

（潞安職業技術學院，山西 長治 046000）

引言

蠕變成形技術是工裝設計技術的重要環節之一，設計重點分別在于對結構件加載方式和加載均勻度的把握以及對結構件加溫和溫度的控制兩方面，目前隨著我國科學技術和跨學科行業發展，蠕變成形技術在成型工裝設計中的應用已經逐漸得到了創新，并且獲得了相關工程研究者矚目的焦點。

1 蠕變時效成形基本原理

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

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）人工時效。人工時效是指通過人為的方式，為零件施加外部刺激和壓力。在蠕變時效成形技術中，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、應力松弛的作用，內部結構組織產生較大變化。

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

2 蠕變時效成形優勢

2.1 提高材料穩定度

蠕變時效成形的一大優勢在于成形應力抵御零件屈服應力，因此能夠有效減少零件因進入屈服應力狀態時出現失穩和破損風險，降低零件在進行加工時出現的裂紋和破裂機率，提高零件加工時的穩定性和安全性。

2.2 提高材料強度

蠕變時效成形能夠有效利用時效強化和應力松弛，在進行零件人工時效強化塑形的同時，能夠改善材料內部組織，塑造工程應用所需特征，提高材料強度。

2.3 提高形態精準度

蠕變時效成形能夠在一定程度上保障零件的結構形狀準確度，提高可重復率和成形率，提升零件成形技術工作效率，通常在進行復雜零件成形時，僅需要進行一次熱循環，就能夠幫助零件達到所需形態，精準度在1mm 誤差上下。

2.4 提高零件壽命

蠕變時效成形后的金屬零件能夠在相當長一段時間內保持結構和形狀的穩定性，內部應用力幾乎完全釋放，能夠有效防止變形，照比噴丸成形零件具有更長的穩定度。才外其自身具有一定的耐應力腐蝕能力，能夠延長零件壽命［2］。

3 成形工裝設計重點

3.1 模具設計

模具是進行蠕變時效成形技術的基本保障，因此在進行成形工裝設計時，應首先考慮模具設計合理性和科學性。由于在進行蠕變時效成形工裝設計時是通過壓力和時效溫度實現的，因此模具的尺寸、形狀和樣式需要進行提前設計，模具結構應具有適溫、適應真空的特點，因此模具通常采用組合機構，以保障模具剛度和操作便捷度。

3.2 載荷施加

在進行工裝成形設計時需考慮蠕變時效成形的載荷施加問題，應確保加載的合理性、穩定性和均勻性、例如在進行大型金屬蠕變時效成形時，可采用真空負壓和正向家呀相結合的方式。

3.3 參數設定

參數包括溫度、壓力強度、時效時間等，直接關系到蠕變成形的最終結果，因此在進行工裝成形前，需對工藝參數進行設定，對成型工藝進行提前模擬實驗，以保障參數的精準度［3］。

4 蠕變時效成形工裝設計應用

目前蠕變時效成形技術在成形工裝設計中應用廣泛，本文主要推薦以下兩種成型工裝設計方式，運用點陣式和多截面卡板式夾具為成形模板，具有簡單實用且操作方便的特點，對工程運用具有重要意義，能夠有效提高材料力學性能。

4.1 機械加載式

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

2）特點。該成形工裝設計的優勢特點在于：模具設計自身優勢，凹凸?？梢噪S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構形態的一致性；溫度可以通過外部調節控制，具有可操控性。

圖1 機械加載式工裝設計模具設計圖

3）效果。如表1，通過該蠕變時效成形工裝設計方式，對LY12鋁合金材料進行實驗，能夠明顯看出各因素對該成形技術的影響，該設計方式最佳時效溫度為190 ℃，時效時間10h。

表1 機械加載式工裝成形設計結果

4.2 氣壓加載式

1）設計。氣壓加載式是目前應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，通過調節壓力和溫度的方式進行蠕變時效成形。該方式具有操作流程規范的優勢，更加具有實用性。在進行氣壓加載式成形工裝設計時應注意以下幾點：密封，應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，因此應保證工裝各部分密封良好；溫度控制，加熱穩定后要求溫度控制在一定數值范圍內，因此應使用熱電測量直接接觸加熱工裝，以確保溫度精準；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］。設計圖如下頁圖2所示。

2）特點。氣壓加載式成型工裝設計具有以下特點：溫度可控，能夠加強工藝流程的可操作性；有真空環境塑造的材料和模具貼合性較高，蠕變成形時受力更加均勻；通過壓力測量能夠對材料受力情況進行檢測，及時作出調整。

圖2 氣壓式加載內部設計圖

3）效果。如表2，通過利用氣壓加載式成型工裝設計實驗能夠看出該設計方式具有成形表面光滑，回彈率小，穩定性高的特點，能夠形成質量較高的成形材料［5］。

表2 氣壓加載式成形工裝設計實驗結果 MPa／mm2

5 結語

蠕變時效成形技術具有安全性高、零件結構穩定高、壽命長和形態精準度高的特點，因此能夠被廣泛應用于成形工裝設計中。通過對機械式和氣壓式兩種蠕變時效成型技術在工裝成形技術中的應用，對比各自的實驗優勢和特點，分析整理實驗結果數據，應用于不同類型的工裝設計，提高工裝成形效率，結合最新科學技術手段和國外先進技術理論支持，在各行各業中得到更為廣泛的使用。

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

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

［3］新商務.首都航天機械公司蠕變成形技術填補航天空白［J］.軍民兩用技術與產品，2015，21（15）：29.

［4］湛利華，王萌，黃明輝.基于蠕變公式的時效應力松弛行為預測模型［J］.機械 工程學報，2013，14（10）：70－76.

［5］曾元松.先進航空板材成形技術應用現狀與發展趨勢［J］.航空科學技術，2012，26（1）：1－4.