超塑性成型 (SPF) 液压机

介绍

超塑性是金属或金属合金的一种特性,它在高温下变得更具延展性。 由于这一特性,合金可以拉伸成更大的尺寸,生产具有复杂几何形状的高强度、轻质部件。

在超塑性成型 (SPF) 工艺中,金属板暴露在真空系统内的惰性气体中,如氩气(极纯)。 气体被均匀地施加到模具腔上方的片材上。 该材料在模具上成型以生产所需的零件,包括空心或蜂窝结构等三维结构。 使用可变气压来确保达到所需的厚度。

400吨超塑性成型机

材料和应用

超塑性存在于各种材料中,包括金属和合金、陶瓷、块状金属玻璃和地质材料。 铝在超过 500 摄氏度的温度下变成超塑性,而钛在超过 900 摄氏度的温度下变成超塑性。 市场上也出现了新合金,即使在较低温度下也表现出超塑性。

此类材料可制成更薄的板材,从而提高模具的使用寿命和零件的使用寿命,并降低部件的重量和成本。 与传统成型方法相比,SPF 可节省材料(> 10%), 降低工具成本 (> 20%),缩短交货时间,并提高零件强度。

SPF 最显着的优势之一是能够生产比传统压力机更大、更坚固、更轻的零件,并且接头和焊缝更少。 这部分是由于该过程中使用的特定(和秘密)层压材料,例如用于制造喷气发动机的层压材料。

SPF 组件的高强度重量比和耐腐蚀性使它们成为航空航天工业应用的理想选择。 SPF 压机用于世界上一些最广泛的商用飞机项目,以生产机翼部件、发动机外壳、叶片和方向舵。 SPF 还用于汽车部件、医疗设备、建筑面板,甚至高尔夫球杆头。

SPF 在航空航天工业中发挥作用的一个例子是由领先的飞机、航天和国防制造使用,其中 Ti-6AI-4V 合金用于制造单个组件的机舱中心梁框架,作为替代方案之前需要的八个元件和 96 个紧固件——同时使用 SPF 和扩散粘合,节省了 55% 的成本和 33% 的重量。

扩散粘合是另一种更环保的工艺,用于核工业和航空航天工业,在真空或惰性气体环境中将多个片材粘合在一起。 固态扩散过程允许片材的分子在高温和高压下整合,同时保留大多数单个金属或合金的固有特性。

建立工艺参数

SPF 工艺非常独特,在极高的温度下需要很长的循环时间。 在 930 至 970 摄氏度的温度下制造一个零件所需的平均时间约为 7 小时。

缓慢的成型速率使该工艺成为小批量生产应用的理想选择,尽管它是 SPF 的缺点之一。 幸运的是,工艺技术的进步为更快的吞吐量和改进的循环时间让路,使 SPF 在大批量应用中更具竞争力,例如汽车应用中使用的应用。

下图概括了 SPF 的一些工艺参数:

参数 范围
典型吨位 50 – 800 吨
典型的床尺寸为 60” x 40” 至 120” 至 80”
典型压制压力 500 – 1000 psi
600吨超塑成型机

示例

SPF 压机的吨位规格取决于模具和部件的尺寸。 压力机实际上是夹紧机构,速度与常规压力机操作不同。 除了打开压力机所需的 500 psi 压力外,吨位必须更高以提供适当的夹紧效果。

如果零件的尺寸为 50 英寸 x 30 英寸,则零件面积将为 1,500 平方英寸。 取 1500 平方英寸乘以压力:500 psi 相当于 750,000 磅的力(或 375 吨)。 理想情况下,压机吨位应为450~500吨,闭合速度快,每分钟50英寸左右,快速回程50英寸/分钟,压机1~5英寸/分钟。

必须确保材料在整个片材区域具有均匀的厚度,以确保保持均匀的拉伸强度。 该过程还必须适应回弹的影响,一旦在生产过程中释放压力,就会发生回弹。

同样,当存在摩擦和粘附时会发生磨损,这会导致局部粗糙和其他表面缺陷。 当铝被加热到超塑性状态并受到压缩力时,情况尤其如此。 为防止中间材料粘附在模具上,从而在拉伸时导致材料流动发生变化,请使用高温润滑来限制摩擦并降低磨损风险。

液压 SPF 压力机设计

专为 SPF 应用设计的液压机是任何 SPF 操作的核心。 SPF 印刷机的几个关键功能将对过程结果产生影响:

  • 准确且可重复的氩气压力和多区温度控制。 这些是成功的 SPF 操作的关键要素。 为了最大限度地提高这些系统的效率,需要灵活且可重复的印刷机控制。 精密气体管理系统包括用于在排气过程中冷却热气的热交换器,并提供准确且可重复的氩气压力。
  • 创新的液压和控制功能允许压机吨位与氩气压力升高成比例增加,反之亦然,以最大限度地减少模具密封件的负载。
  • 高效隔热罩和陶瓷绝缘材料是 Macrodyne SPF 压机的标准配置,可为工艺过程中产生的高温提供最佳绝缘,同时确保较长的部件寿命和操作员安全。
  • 专门的柱塞导向装置由中央柱塞型导向组件和位于十字头中的温度补偿导向杆/防旋转装置组成,可增强对移动压板的导向。
  • 高速数据采集系统增加了对过程变量信息的访问,并优化了印刷机和内部网络之间的数据集成。
  • 先进的控制系统来管理过程变量,包括多区温度控制,确保成功的超塑性成型操作。
  • 用于快速安全更换模具的滚动垫板。 它们是可定制的,可用于单向或 T 型行进的单模和双模配置。
175吨超塑性成型机

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