【正文】 法以及顯式時(shí)間積分，對(duì)三維超塑成形進(jìn)行了模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較 [20]。美國(guó)的 Reza Sadeghi 等人利用 MARC 軟件對(duì)盆槽形件的成形過(guò)程進(jìn)行了分析。這種數(shù)值模擬方法根據(jù)試驗(yàn)和理論方法所確定的材料本構(gòu)關(guān)系、摩擦定律、有關(guān)力學(xué)原理和簡(jiǎn)化假設(shè)，建立起利用計(jì)算機(jī)求解成形問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。其中單層板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和雙層板結(jié)構(gòu)的超塑性成形/擴(kuò)散連接工藝實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，可以作為研究重點(diǎn)。目前，我國(guó) SPF/DB 工藝水平落后主要表現(xiàn)在：工藝技術(shù)水平不高，工藝裝備較為落后，輔助手段不相配套，成形后處理和檢測(cè)手段不夠完善等。南航陳明和等對(duì) TC4 板材超塑成形后的力學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，材料的塑性隨變形量大小成正比下降，成形后材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量在變形量小于 50%時(shí)有所增加，變形量較大時(shí)（＞100%）下降，在實(shí)際成形過(guò)程中，宜采用小變形量和超塑性范圍內(nèi)的溫度下限和較高的變形速率對(duì)提高成形后零件的力學(xué)性能有利 [17]。在此基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展了鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片、防火墻、大型壁板等超塑整體結(jié)構(gòu)件的研制，將鈦合金超塑成形整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用水平推上了一個(gè)新的高度。近年來(lái)，我國(guó)新機(jī)研制及改進(jìn)過(guò)程中，飛機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)已提出對(duì)某些大尺寸構(gòu)件的研制采用超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)，如前緣襟翼、鴨翼、整體壁板和腹鰭等 [16]。歐洲空中客車(chē)公司生產(chǎn)的 A310 客機(jī)，其前緣縫翼收放機(jī)構(gòu)外罩為 SPF/DB 成形的帶內(nèi)筋條的鈦合金筒體結(jié)構(gòu)，比 A300 客機(jī)冷成形后焊接鈦外罩的重量減輕了 30%[15]。英國(guó)、德國(guó)、意大利共同制造的“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，其后機(jī)身下整流片、機(jī)身框架、發(fā)動(dòng)機(jī)止推座、發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩及熱交換器導(dǎo)管等都是鈦合金 SPF/DB 結(jié)構(gòu)件，使重量減輕 10～20%，零件減少 70%，成本降低 30～70% [14]。休斯公司為美國(guó)陸軍生產(chǎn)的 YAH64 武裝直升機(jī)，其 的鈦合金防火板原來(lái)是使用 43 個(gè)零件、700 個(gè)緊固件和一些安裝接頭的機(jī)械連接件，改為 SPF/DB 件后重量減輕 10%，成本降低28%。洛克威爾公司生產(chǎn)的 B1B 轟炸機(jī)，其兩個(gè)風(fēng)擋熱氣噴口為鈦合金 SPF/DB件，它取代了原來(lái) B1 轟炸機(jī)上的三個(gè)組合件(由 32 個(gè)機(jī)械加工零件組成)焊接的鋼質(zhì)噴口，結(jié)構(gòu)重量減輕 50%，成本降低 40%。在國(guó)外，自 1970 年洛克威爾公司（ROCKWELL）發(fā)明鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接工藝以來(lái)，此項(xiàng)新技術(shù)就以其獨(dú)特的優(yōu)越性在航空宇航工業(yè)得到了廣泛的重視，美、英、法、俄羅斯等國(guó)相繼投入大量的人力、資金開(kāi)展相關(guān)研究。1970 年美國(guó) 等使用外經(jīng)為 ，壁厚為 的Zn22%Al 共析合金管在 265℃及 2MPa 的氣壓下，吹制成具有凸肚及精細(xì)花紋的花瓶，說(shuō)明超塑性還可適用于制作形狀復(fù)雜的精密零件 [12]。1964 年美國(guó)麻省理工學(xué)院 等人對(duì)超塑性力學(xué)特性進(jìn)行了分析研究，做出了很大的貢獻(xiàn)，他引入了與應(yīng)變應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m 值，提出了應(yīng)力 σ 與應(yīng)變速率 的關(guān)系式。人們?cè)u(píng)價(jià)這篇文章是超塑性研究的總結(jié)。1934 年，英國(guó) 就對(duì) Sn37%Pb 和 Bi44%Sn共晶合金進(jìn)行緩慢拉伸時(shí)，得到了延伸率為 1950%的試樣，而這種材料在落地實(shí)驗(yàn)中呈脆性斷裂 [9]。早在 1920 年德國(guó)的 等人在研究 Zn4%Cu7%Al 三元共析合金板材時(shí)，發(fā)現(xiàn)快速?gòu)澢滠埌宀艜?huì)很快折斷，在慢速?gòu)澢鷷r(shí)，即使彎成180176。該法在成形復(fù)雜形狀零件時(shí)可以顯著減少制件的壁厚差。背壓成形工藝可以通過(guò)提高靜水壓力來(lái)抑制孔洞的長(zhǎng)大從而提md???高成形性能，并改進(jìn)零件的質(zhì)量。一個(gè)超塑性材料即使具有很高的 m 值，如若存在較多的孔洞并且沒(méi)有抑制孔洞長(zhǎng)大的機(jī)制，他也難以取得很大的延伸率。圖 16 陽(yáng)模成形示意圖 [5]（4）背壓成形（Backpressure Forming，BPF）背壓成形就是在成形板材的兩面都加一定的氣體壓力而利用內(nèi)外氣體壓力差來(lái)成形零件。這種方法之所以能改善材料厚度的均勻性是由于凸模周?chē)沫h(huán)形部分相對(duì)于坯料的平面尺寸來(lái)說(shuō)是較淺的，并且如果是多個(gè)凸模，這種方法就同時(shí)成形多個(gè)零件。圖 14 氣脹成形示意圖 [5]（2）覆蓋成形（Drape Forming）覆蓋成形時(shí)能給出比簡(jiǎn)單凹模成形更均勻的壁厚分布。故成形零件的局部最小厚度取決于零件的平面尺寸、深度及圓角半徑。后繼變形主要集中在板材尚未與模壁接觸的部分。第一階段為自由吹脹，這導(dǎo)致板材厚度在頂點(diǎn)處最薄，在周邊最后，且隨著脹形深度的增加，壁厚差越來(lái)越大。圖 13 是超塑成形/擴(kuò)散連接的典型結(jié)構(gòu)。超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝能在零件超塑成形的同時(shí)完成零件某些部位的擴(kuò)散連接，從而成形出形狀十分復(fù)雜的高性能整體構(gòu)件。該方法由于工藝簡(jiǎn)單，切實(shí)可行，得到了很廣泛的應(yīng)用。為了改善超塑成形工藝的成形性能，人們開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了很多有效的脹形方法，包括正反脹形、覆蓋成形、陽(yáng)模成形、動(dòng)凸模反向成形、不均勻加熱成形以及過(guò)渡型面成形法等等 [7]。圖 12 是一些超塑成形的典型零件 [6]。成形件質(zhì)量好，不存在由于硬化引起的回彈導(dǎo)致的零件成形后的變形問(wèn)題，故零件尺寸穩(wěn)定，對(duì)鈦合金等零件更能顯示其優(yōu)點(diǎn)。該方法主要用于加工制造復(fù)雜形狀的空心零件，其成形原理及基本設(shè)備如圖 11。 超塑成形技術(shù)概況超塑性脹形就是在超塑性條件下，將毛坯周邊壓緊，然后通過(guò)流體壓力使毛坯變薄而成形的一種成形工藝。對(duì)于超塑變形來(lái)說(shuō)，晶界行為起了主要作用，如晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、晶界滑動(dòng)、晶粒換位等。 （3）從變形機(jī)制上看，超塑性變形不同于一般金屬的塑性變形。在 Zn22％Al 合金中有些層狀組織的富 A1 相由于變形而球化。變形后的樣品表面平滑，沒(méi)有起皺、凹陷、微裂及滑移痕跡等現(xiàn)象。另一方面，在金屬的組織結(jié)構(gòu)上，超塑性變形與一般塑性變形的外觀特征、金相組織以及變形機(jī)制等都有很大區(qū)別 [4]。此外，SPF 技術(shù)還可用于模具制造。此外，超塑成形可對(duì)復(fù)雜構(gòu)件一次成形，減少模具套數(shù)，如超塑氣壓成形時(shí)可采用單面凹模成形，這些都可有效地節(jié)省模具制造費(fèi)用。（2）模具費(fèi)用低：由于超塑成形過(guò)程成形力小，速度慢，模具受沖擊小，使用壽命長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的塑性成形方法相比，超塑成形還具有如下特點(diǎn) [3]：（1）成形件質(zhì)量好，精度高：超塑成形通常在高溫下進(jìn)行，零件相當(dāng)于經(jīng)過(guò)高溫退火的熱處理組織，表面無(wú)加工硬化和殘余應(yīng)力，成形后尺寸穩(wěn)定、無(wú)回彈。由于超塑性具有以上特點(diǎn)，而且變形過(guò)程基本沒(méi)有或只有很小的應(yīng)變硬化顯現(xiàn)，所以超塑性易于壓力加工，流動(dòng)性和填充性極好，可進(jìn)行諸如體積成形、氣脹成形等多種方式的塑性成形加工，而且產(chǎn)品質(zhì)量可大大提高，超塑成形為金屬壓力加工技術(shù)開(kāi)辟了一條新的途徑。超塑性的無(wú)頸縮是指宏觀的變形結(jié)果，最終斷裂時(shí)裂口部位的截面尺寸與均勻變形部位相差很小。超塑性材料的變形類(lèi)似于粘性流動(dòng)，沒(méi)有（或很小的）應(yīng)變硬化效應(yīng)，但對(duì)變形速度敏感，有所謂“應(yīng)變速率硬化效應(yīng)” ，即當(dāng)變形速度增加時(shí)，材料的變形抗力增大（強(qiáng)化） 。一般金屬材料在拉伸變形過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)早期縮頸后，由于應(yīng)力集中效應(yīng)使縮頸繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致提前斷裂。這樣加工的設(shè)備的噸位可以大大減小。通常用流動(dòng)應(yīng)力來(lái)表示變形抗力的大小。（2）小應(yīng)力。這樣使材料成形性能大大改善，可以使許多形狀復(fù)雜，一般難以成形的材料（如某些鈦合金）變形成為可能。（1）大變形。根據(jù)坯料形式的不同，超塑成形又可分為體積超塑成形和板料超塑成形兩大類(lèi)，其中板料超塑成形的技術(shù)較成熟，應(yīng)用也較廣。材料在高的應(yīng)變速率條件下變形時(shí)呈現(xiàn)出的超塑性現(xiàn)象稱為高應(yīng)變速率超塑性。根據(jù) Johnson 試驗(yàn)，在具有異向性熱膨脹的材料如 U，Zr 等，加熱時(shí)可有超塑性，稱為異向超塑性。某些不具有固態(tài)相變但晶體結(jié)構(gòu)各向異性明顯的材料，經(jīng)過(guò)反復(fù)加熱、冷循環(huán)也能獲得大的伸長(zhǎng)率。缺陷：要求變形溫度頻繁變化，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難，故實(shí)用上受到限制。例如碳素鋼和低合金鋼，加以一定的負(fù)荷，同時(shí)于某一溫度上下施以反復(fù)的一定范圍的加熱和冷卻，每一次循環(huán)發(fā)生（αγ）兩次轉(zhuǎn)變，可以得到二次跳躍式的均勻延伸。（2）相變超塑性，又稱變溫超塑性或動(dòng)態(tài)超塑性。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)越有利于塑性的發(fā)展，但對(duì)有些材料來(lái)說(shuō)（例如 Ti 合金）晶粒尺寸達(dá)幾十微米時(shí)仍有很好的超塑性能。其特點(diǎn)是材料具有均勻的、細(xì)小的等軸晶粒組織，晶粒尺寸通常小于 10um，并且在超塑性溫度下晶粒不易長(zhǎng)大。 超塑性的分類(lèi)按照實(shí)現(xiàn)超塑性的條件（組織、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等）和變形特點(diǎn)一般將超塑性分為以下幾種 [2]：（1）組織超塑性，又稱恒溫超塑性或微細(xì)晶粒超塑性或結(jié)構(gòu)超塑性。超塑性技術(shù)的應(yīng)用，不僅為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)利用提供新的途徑，而且也是節(jié)約能源、降低成本的有效措施。 超塑性和超塑成形技術(shù)概況超塑性通常是指材料在特定組織結(jié)構(gòu)和變形溫度、變形速度條件下，可以呈現(xiàn)異常高的塑性和較小的變形抗力而不產(chǎn)生頸縮與斷裂的現(xiàn)象。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)金屬材料超塑成形的過(guò)程進(jìn)行模擬，其核心目的在于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量、縮短周期、降低成本，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。利用這項(xiàng)新技術(shù)來(lái)成形航空結(jié)構(gòu)件，可使其重量普遍減輕約 40%～50%，成本降低30%～40%，使鈦合金在航空宇航結(jié)構(gòu)中有了很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。自 1970 年代中期成功地利用鈦合金超塑成形大型航空結(jié)構(gòu)件以來(lái)，鈦合金的應(yīng)用開(kāi)始了一個(gè)新紀(jì)元。但鈦合金屈強(qiáng)比（σ s/σ b）較高，對(duì)其進(jìn)行壓力加工難度較大。鈦合金還具有良好的耐腐蝕性，在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。在 400℃～500℃溫度范圍內(nèi)，鈦合金的比持久強(qiáng)度、比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度都明顯優(yōu)于耐熱不銹鋼。鈦合金在250℃～600℃的溫度范圍內(nèi)，比強(qiáng)度明顯高于其它合金。我國(guó)鈦的資源極為豐富，僅四川攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲(chǔ)量約達(dá) 億噸，接近國(guó)外探明鈦儲(chǔ)量的總和。s adaptive control algorithm. KEY WORDS: TC4 titanium alloy, Superplastic forming, Ushaped panel with ribs, finite element model simulate,目錄摘要 ................................................................................................................................I目錄 ................................................................................................................................I第一章 緒論 ..................................................................................................................1 引言 .....................................................................................................................1 超塑性和超塑成形技術(shù)概況 ......................................2 超塑性的分類(lèi) ................................................2 超塑性的特點(diǎn) ................................................3 超塑成形技術(shù)概況 ............................................4 常用的超塑成形工藝 ..........................................6 超塑成形工藝研究進(jìn)展 .....................................................................................9 國(guó)內(nèi)外 SPF 工藝的研究概況 ....................................9 數(shù)值模擬方法在超塑成形研究中的應(yīng)用 .........................11 SPF 工藝在實(shí)際生產(chǎn)中需要解決的主要問(wèn)題 ......................12 主要研究?jī)?nèi)容 ...................................................................................................13第二章 超塑成形理論基礎(chǔ)和相關(guān)力學(xué)理論 ............................................................14 引言 ...................................................................................................................14 彈塑性基本理論 ...............................................................................................14 屈服準(zhǔn)則 .....................