蠕变时效成形工装设计分析

王 雷

（潞安职业技术学院，山西 长治 046000）

引言

蠕变成形技术是工装设计技术的重要环节之一，设计重点分别在于对结构件加载方式和加载均匀度的把握以及对结构件加温和温度的控制两方面，目前随着我国科学技术和跨学科行业发展，蠕变成形技术在成型工装设计中的应用已经逐渐得到了创新，并且获得了相关工程研究者瞩目的焦点。

1 蠕变时效成形基本原理

蠕变时效成形主要是通过铝合金金属蠕变特征，在时效处理下获得铝合金所需性能和特定结构，通常是依靠金属、模板和时效作用共同完成，主要分为三个阶段。

1）加载。第一步加载是指在室温下，将金属零件通过一定方式变形并安装在模具上，完成金属零件初始定型。

2）人工时效。人工时效是指通过人为的方式，为零件施加外部刺激和压力。在蠕变时效成形技术中，主要是将零件和工装通过加热、加压和保温的方式，促使零件材料在这一过程中受到蠕变、应力松弛的作用，内部结构组织产生较大变化。

3）卸载。保温结束后去掉模具限制，零件上部分弹性变形在蠕变和应力松弛作用下定形，从而使零件获得应用所需外形，并保留零件所需特质［1］。

2 蠕变时效成形优势

2.1 提高材料稳定度

蠕变时效成形的一大优势在于成形应力抵御零件屈服应力，因此能够有效减少零件因进入屈服应力状态时出现失稳和破损风险，降低零件在进行加工时出现的裂纹和破裂机率，提高零件加工时的稳定性和安全性。

2.2 提高材料强度

蠕变时效成形能够有效利用时效强化和应力松弛，在进行零件人工时效强化塑形的同时，能够改善材料内部组织，塑造工程应用所需特征，提高材料强度。

2.3 提高形态精准度

蠕变时效成形能够在一定程度上保障零件的结构形状准确度，提高可重复率和成形率，提升零件成形技术工作效率，通常在进行复杂零件成形时，仅需要进行一次热循环，就能够帮助零件达到所需形态，精准度在1mm 误差上下。

2.4 提高零件寿命

蠕变时效成形后的金属零件能够在相当长一段时间内保持结构和形状的稳定性，内部应用力几乎完全释放，能够有效防止变形，照比喷丸成形零件具有更长的稳定度。才外其自身具有一定的耐应力腐蚀能力，能够延长零件寿命［2］。

3 成形工装设计重点

3.1 模具设计

模具是进行蠕变时效成形技术的基本保障，因此在进行成形工装设计时，应首先考虑模具设计合理性和科学性。由于在进行蠕变时效成形工装设计时是通过压力和时效温度实现的，因此模具的尺寸、形状和样式需要进行提前设计，模具结构应具有适温、适应真空的特点，因此模具通常采用组合机构，以保障模具刚度和操作便捷度。

3.2 载荷施加

在进行工装成形设计时需考虑蠕变时效成形的载荷施加问题，应确保加载的合理性、稳定性和均匀性、例如在进行大型金属蠕变时效成形时，可采用真空负压和正向家呀相结合的方式。

3.3 参数设定

参数包括温度、压力强度、时效时间等，直接关系到蠕变成形的最终结果，因此在进行工装成形前，需对工艺参数进行设定，对成型工艺进行提前模拟实验，以保障参数的精准度［3］。

4 蠕变时效成形工装设计应用

目前蠕变时效成形技术在成形工装设计中应用广泛，本文主要推荐以下两种成型工装设计方式，运用点阵式和多截面卡板式夹具为成形模板，具有简单实用且操作方便的特点，对工程运用具有重要意义，能够有效提高材料力学性能。

4.1 机械加载式

1）设计。该种工装变形设计主要是通过机械外部施加力的方式促进应力松弛和蠕变，采用的是可更换凹凸模的点阵式夹板模具，以便人工时效均匀加载。通过点阵螺钉给夹板施加的压力，为板料施加成形力，在长时间的蠕变时效后，会造成板料塑形，模具设计如图1。

2）特点。该成形工装设计的优势特点在于：模具设计自身优势，凹凸模可以随意更换；装载和卸载便利，易于操作；材料和模具切合性好，能够保障材料和模板结构形态的一致性；温度可以通过外部调节控制，具有可操控性。

图1 机械加载式工装设计模具设计图

3）效果。如表1，通过该蠕变时效成形工装设计方式，对LY12铝合金材料进行实验，能够明显看出各因素对该成形技术的影响，该设计方式最佳时效温度为190 ℃，时效时间10h。

表1 机械加载式工装成形设计结果

4.2 气压加载式

1）设计。气压加载式是目前应用于大型材料成形工艺的主要方式，首先将材料和模板中间抽成真空，使材料和模板紧合，再将模具和材料放入高压下，通过调节压力和温度的方式进行蠕变时效成形。该方式具有操作流程规范的优势，更加具有实用性。在进行气压加载式成形工装设计时应注意以下几点：密封，应确保工装各部分密封性，由于压力加载的先决条件在于真空，因此应保证工装各部分密封良好；温度控制，加热稳定后要求温度控制在一定数值范围内，因此应使用热电测量直接接触加热工装，以确保温度精准；压力控制，保证荷载压力值，不宜过大也不宜过小，有效确保安全性［4］。设计图如下页图2所示。

2）特点。气压加载式成型工装设计具有以下特点：温度可控，能够加强工艺流程的可操作性；有真空环境塑造的材料和模具贴合性较高，蠕变成形时受力更加均匀；通过压力测量能够对材料受力情况进行检测，及时作出调整。

图2 气压式加载内部设计图

3）效果。如表2，通过利用气压加载式成型工装设计实验能够看出该设计方式具有成形表面光滑，回弹率小，稳定性高的特点，能够形成质量较高的成形材料［5］。

表2 气压加载式成形工装设计实验结果 MPa／mm2

5 结语

蠕变时效成形技术具有安全性高、零件结构稳定高、寿命长和形态精准度高的特点，因此能够被广泛应用于成形工装设计中。通过对机械式和气压式两种蠕变时效成型技术在工装成形技术中的应用，对比各自的实验优势和特点，分析整理实验结果数据，应用于不同类型的工装设计，提高工装成形效率，结合最新科学技术手段和国外先进技术理论支持，在各行各业中得到更为广泛的使用。

［1］王祝堂.蠕变时效成形技术的应用［J］.轻合金加工技术，2010，13（4）：62－63.

［2］中航工业制造所黄遐.成形／成性一体化壁板制造技术——蠕变时效成 形［N］.中国航空报，2014－07－17（2）.

［3］新商务.首都航天机械公司蠕变成形技术填补航天空白［J］.军民两用技术与产品，2015，21（15）：29.

［4］湛利华，王萌，黄明辉.基于蠕变公式的时效应力松弛行为预测模型［J］.机械 工程学报，2013，14（10）：70－76.

［5］曾元松.先进航空板材成形技术应用现状与发展趋势［J］.航空科学技术，2012，26（1）：1－4.