中国科学：超塑性自由胀形精确加载实验测量装置
2022-05-31【作 者】宋玉泉;马品奎;管晓芳
【前 言】
超塑性胀形技术在航空、航天、汽车和精密仪表领域占有重要的地位，而且有良好的发展前景.由于超塑性自由胀形，边界固定、无摩擦影响，这就大大简化了建立自由胀形力学解析理论的前提假设，为基于超塑性胀形成形的基本理论提供了重要条件[l-3]因此，超塑性自由胀形的变形规律，是超塑性充模胀形的理论基础，超塑性自由胀形的测量装置又是研究超塑性充模胀形的重要实验依据。
由于超塑性胀形是处于双拉应力状态，超塑性变形又具有很强的结构敏感性，根据一维拉伸所得的变形规律，不能直接推广到二维胀形变形，即使已知材料的成分和微观结构，也无法从理论上求出二维胀形的变形规律[[4]因此，必须针对具体超塑性板材的组成和微观结构，并在既定温度、应力状态和加载路径下进行实验测定，求得在一定压力下自由胀形件极点高度随时间和压力的变化规律，才便于制定超塑性充模胀形工艺方案.早在1968年Jovane[5]对铅锡合金在常温下进行自由胀形实验，采用气缸的活塞进行加载，即在气缸活塞一端加上重物，压力气体从另一端通入试样与压边模下模所成的密闭腔，由测力环测量重物的重量以确定胀形压力。
顶杆的一端与胀形试件极点处接触，另一端设在位移传感器中，借此测量试件极点高度的变化.此后，研究人员借助高压氢气瓶的压力表和气瓶阀协调控制胀形气压的变化，并借助顶杆和位移传感器测量试件极点高度的变化.由于采用的是手动控制方式，即使只对恒压胀形，实验重复性的加载精度也低，尤其对于高温超塑性材料，试件需要密封在高温压边筒内，这便给试验测量造成难以克服的困难:
1）极点处是超塑性自由胀形变薄最严重的区域，试件在超塑性状态下变形抗力很低，难以将顶杆推起；
2）超塑性材料具有很强的温度敏感性，顶杆的一端是设在炉外传感器中，这便造成极点处的温度不均匀，致使实验测量的精度更差。本文作者于1985年提出超塑胀形光电测量实验装置，虽然从根本上解决了上述难题，但是加载控制和试验测量的精度仍然较低[6]。本文主要介绍超塑性单向正压、压力跃变和附加背压差压自由胀形的加载装置和精确控制。
【结 论】
超塑性自由胀形是充模胀形成形的理论和实验基础，本文结合超塑性正压自由胀形、压力跃变自由胀形和附加背压差压自由胀形几种典型加载路径，对超塑性自由胀形精确加载实验测量装置及其控制系统进行了介绍，并得到以下结论。
1）在超塑性温度和胀形压力下，采用光电转换非接触测量自由胀形件极点高度随时间的变化规律，从本质上改善了接触式测量的弊端.由于自由胀形件极点处是胀形件最薄弱的部位，而且超塑性的变形抗力又很小，因此难以顶起设在位移传感器中的顶杆.超塑性又具有很强的温度敏感性，故无法消除极点处温度不均匀的不良影响.
2）筒形压边模和保温绝热构件只起到对试件的压紧和保温作用，采用炉外加热不但显著地提高了加热效率，而且改善了加热试件的温度均匀性，对超塑性胀形实验起到良好的作用.
3）以炉膛内试件的温度和承载压力为依据，反馈调节感应加热炉功率输出和精密减压阀压力输出，可显著提高测控胀形试件温度和压力的精度.
4）加载气路中通过准确测控步进电机转角实现调压，并控制电磁阀加载，显著增加了调控气压的响应特性.
5）统一设计自由胀形加载装置的构件、实验运行过程和控制系统，显著地提高了实验装置和运行的控制精度.
以下是正文：
