中國科學(xué)：超塑性自由脹形精確加載實(shí)驗(yàn)測量裝置
2022-05-31【作 者】宋玉泉;馬品奎;管曉芳
【前 言】
超塑性脹形技術(shù)在航空、航天、汽車和精密儀表領(lǐng)域占有重要的地位，而且有良好的發(fā)展前景.由于超塑性自由脹形，邊界固定、無摩擦影響，這就大大簡化了建立自由脹形力學(xué)解析理論的前提假設(shè)，為基于超塑性脹形成形的基本理論提供了重要條件[l-3]因此，超塑性自由脹形的變形規(guī)律，是超塑性充模脹形的理論基礎(chǔ)，超塑性自由脹形的測量裝置又是研究超塑性充模脹形的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
由于超塑性脹形是處于雙拉應(yīng)力狀態(tài)，超塑性變形又具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)敏感性，根據(jù)一維拉伸所得的變形規(guī)律，不能直接推廣到二維脹形變形，即使已知材料的成分和微觀結(jié)構(gòu)，也無法從理論上求出二維脹形的變形規(guī)律[[4]因此，必須針對具體超塑性板材的組成和微觀結(jié)構(gòu)，并在既定溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載路徑下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定，求得在一定壓力下自由脹形件極點(diǎn)高度隨時(shí)間和壓力的變化規(guī)律，才便于制定超塑性充模脹形工藝方案.早在1968年Jovane[5]對鉛錫合金在常溫下進(jìn)行自由脹形實(shí)驗(yàn)，采用氣缸的活塞進(jìn)行加載，即在氣缸活塞一端加上重物，壓力氣體從另一端通入試樣與壓邊模下模所成的密閉腔，由測力環(huán)測量重物的重量以確定脹形壓力。
頂桿的一端與脹形試件極點(diǎn)處接觸，另一端設(shè)在位移傳感器中，借此測量試件極點(diǎn)高度的變化.此后，研究人員借助高壓氫氣瓶的壓力表和氣瓶閥協(xié)調(diào)控制脹形氣壓的變化，并借助頂桿和位移傳感器測量試件極點(diǎn)高度的變化.由于采用的是手動控制方式，即使只對恒壓脹形，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的加載精度也低，尤其對于高溫超塑性材料，試件需要密封在高溫壓邊筒內(nèi)，這便給試驗(yàn)測量造成難以克服的困難:
1）極點(diǎn)處是超塑性自由脹形變薄最嚴(yán)重的區(qū)域，試件在超塑性狀態(tài)下變形抗力很低，難以將頂桿推起；
2）超塑性材料具有很強(qiáng)的溫度敏感性，頂桿的一端是設(shè)在爐外傳感器中，這便造成極點(diǎn)處的溫度不均勻，致使實(shí)驗(yàn)測量的精度更差。本文作者于1985年提出超塑脹形光電測量實(shí)驗(yàn)裝置，雖然從根本上解決了上述難題，但是加載控制和試驗(yàn)測量的精度仍然較低[6]。本文主要介紹超塑性單向正壓、壓力躍變和附加背壓差壓自由脹形的加載裝置和精確控制。
【結(jié) 論】
超塑性自由脹形是充模脹形成形的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，本文結(jié)合超塑性正壓自由脹形、壓力躍變自由脹形和附加背壓差壓自由脹形幾種典型加載路徑，對超塑性自由脹形精確加載實(shí)驗(yàn)測量裝置及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并得到以下結(jié)論。
1）在超塑性溫度和脹形壓力下，采用光電轉(zhuǎn)換非接觸測量自由脹形件極點(diǎn)高度隨時(shí)間的變化規(guī)律，從本質(zhì)上改善了接觸式測量的弊端.由于自由脹形件極點(diǎn)處是脹形件最薄弱的部位，而且超塑性的變形抗力又很小，因此難以頂起設(shè)在位移傳感器中的頂桿.超塑性又具有很強(qiáng)的溫度敏感性，故無法消除極點(diǎn)處溫度不均勻的不良影響.
2）筒形壓邊模和保溫絕熱構(gòu)件只起到對試件的壓緊和保溫作用，采用爐外加熱不但顯著地提高了加熱效率，而且改善了加熱試件的溫度均勻性，對超塑性脹形實(shí)驗(yàn)起到良好的作用.
3）以爐膛內(nèi)試件的溫度和承載壓力為依據(jù)，反饋調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱爐功率輸出和精密減壓閥壓力輸出，可顯著提高測控脹形試件溫度和壓力的精度.
4）加載氣路中通過準(zhǔn)確測控步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，并控制電磁閥加載，顯著增加了調(diào)控氣壓的響應(yīng)特性.
5）統(tǒng)一設(shè)計(jì)自由脹形加載裝置的構(gòu)件、實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程和控制系統(tǒng)，顯著地提高了實(shí)驗(yàn)裝置和運(yùn)行的控制精度.
以下是正文：
