自然科學(xué)進(jìn)展：筒形模超塑充模脹形的力學(xué)解析
2022-09-03【作 者】宋玉泉;劉術(shù)梅;管志平
超塑性充模脹形，是將超塑性薄板坯料的周邊 壓緊，然后通過(guò)液體常溫或氣體高溫壓力使毛坯按模具型腔充脹成形的一種工藝。對(duì)充模脹形的研究 甚多，但對(duì)這一理論進(jìn)展有過(guò)促進(jìn)作用的主要是 Holt[1]， 他最早對(duì) 90。v型槽的脹形過(guò)程進(jìn)行了分析，分析中假設(shè)(i)摩擦力足夠大，一旦貼模，板料將不再參與變形；(ii)未貼模部分在自由脹形中各點(diǎn)厚度相等，且?guī)缀涡螤顬橹?；(iii)板料處于平面應(yīng)變狀態(tài)；(iv)材料服從 Backofen[2]經(jīng)驗(yàn)方程， 通過(guò)數(shù)值方法求解得到了脹形壓力與圓角半徑的關(guān) 系式 ．Ghosh等[3]基于上述假設(shè) ，分析了長(zhǎng)矩形模 具的超塑脹形成形過(guò)程，得到了板料厚度的變化規(guī)律以及模具參數(shù)與最佳加壓規(guī)律之間的關(guān)系方程． Ragab[4]針對(duì)充模脹形的 4種典型情況，即圓形板的筒形模脹形、錐形模脹形、矩形板的 V形模脹形和矩形模脹形過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為在圓形板的充模過(guò)程中，板料處于等雙拉的平面應(yīng)力狀態(tài)；在矩形板的充模過(guò)程中，板料處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并基于Holt[1]假 設(shè)，通過(guò)力學(xué)解析 ，得到厚度變化規(guī)律。時(shí)至今日，對(duì)充模脹形的力學(xué)分析仍限于 Holt[1]和 Ragab[4]的研究方法。近年來(lái)采用有限元法和數(shù)值模擬法處理脹形力學(xué)問(wèn)題文章很多。僅就筒形模脹形而言，其中有代表性的如文獻(xiàn) [5～8]。
值得提出，就這一問(wèn)題的力學(xué)解析的研究仍很有價(jià)值 ，因其可以揭示材料參數(shù) 與力學(xué) 參數(shù)在超塑脹形 過(guò)程規(guī)律性聯(lián)系，這對(duì)深入認(rèn)識(shí)變形過(guò)程力學(xué)實(shí)質(zhì) 是有意義的．但他們?cè)谇罅W(xué)解析解時(shí)用的是厚度 均勻假設(shè) ，并采 用 Backofen[2]的本構(gòu)方程， 由于該方程把應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值作常數(shù)處理，它 在本質(zhì)上僅是超塑變形應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率 敏感性的數(shù)學(xué)表達(dá)，用于求解超塑變形的力學(xué)問(wèn)題是不適宜的[9]。正因?yàn)檫@樣，他們所獲得的理論解與實(shí)驗(yàn)值存在較大偏差，就超塑脹形變形過(guò)程而言，可分為自由脹形和充模脹形兩個(gè)階段。自由脹形是試樣與模具無(wú)接觸的變形過(guò)程；充模脹形是試樣與模具接觸后，開(kāi)始充填模具型腔直至終止變形的過(guò)程，此 過(guò)程因試樣與模具壁不斷接觸，變形規(guī)律必然不同于自由脹形。本文應(yīng)用超塑性脹形變m值 本構(gòu)方程[10]，給出筒形模具超塑充模脹形的力學(xué)解析方程，并結(jié)合典型超塑性合金 ZnAl4Cu薄板，對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【結(jié) 論】
（1）基于筒形 模具充模脹形 的變 形特點(diǎn)，建立 了厚度不均勻變薄的力學(xué)解析模型．試樣與模具無(wú) 接觸時(shí)，與超塑性 自由脹形的變形規(guī)律完全相同； 試樣與模具接觸后， 由于邊界的變化使得此時(shí) 自由 脹形部分的變形規(guī)律發(fā)生了改變 (見(jiàn)圖 4～6)。
（2）利用等效應(yīng)力和等效 應(yīng)變速率 的概 念，將 上述基本方程與超塑脹形變 m 值本構(gòu)方程聯(lián)系起 來(lái)，給出了筒形模具脹形過(guò)程中脹形時(shí)間 t與脹形 極點(diǎn)高度H 的解析式，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻 合，這為從理論分析 的角度建立筒形模 充模 脹形 的 成形極限和選擇工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。
以下是正文：
