工业设计工艺知多少——超塑成型

超塑成型加工金属板的原理与热成型类似：一块纯金属被加热到塑化点，然后使用空气压力使其贴附在单面模具上。

工艺简介

铝的超塑成型推动了超塑成型铝合金及更多镁合金技术的发展。该工艺旨在通过简化操作步骤和减小所需壁厚，从而减轻金属零件的重量。

超塑成型是一种金属热成型工艺，与热成型（ 30 页）类似。铝板材被加热到 450 ～ 500 ℃，然后用气压将其压缩到模具上。超塑成型有四种主要类型：空腔成型、气泡成型、背压成型、隔膜成型。每一种技术都已经被开发到可以满足各种特殊应用要求的程度。

空腔成型适用于大而复杂的形态加工，如汽车车身板材，特别适合加工 5083 铝合金。

气泡成型适用于深而复杂的零件，尤其是壁厚需要保持相对恒定的。这个工艺可以用于制造其他任何成型工艺都无法完成的几何形状。

背压成型适合用 7475 合金生产飞机的结构性组件。尽管这与空腔成型类似，但是工艺不同，背压成型从板材两边使用气压，压力差较小，在模具表面逐渐拉伸开。这维持了板材的规整，也意味着各种合金都可以被制造成型。

隔膜成型用于将非超塑性合金（如 2014 、 2024 、 2219 和 6061 ）加工成复杂的板状几何形，使该工艺成为生产结构件的理想工艺。有限元分析 (FEA) 流动模拟软件有助于减少从 CAD 设计到生产产品所需的时间。。

技术说明

在 4 种超塑成型工艺中，通常加工工序为：将金属板材放进机器中进行固定，加热到 450 ～ 500 ℃。加热温度取决于板材的类型和厚度。

在空腔成型技术中，加热后的金属板材在 100～3000 kPa 的空气压力下被强力压进模具内表面。加热后的金属具有超塑性，因此可以更容易获得复杂的精细形状。这种工艺通常用于生产较浅的零件。

气泡成型与热成型相类似，在阶段 1 ，热金属板材被吹制成泡状，模具上升到模腔室。在阶段 2 ，压力逆转，金属泡被压到模具外表面。这个工艺不能加工较深较复杂的零件。壁厚是均匀的，因为颗粒在成型之前已逐渐拖延了材料形状。

背压成型与空腔成型非常相似。不同的是，在背压成型中，空气压力作用于热金属板材的反面。在这种方式下，成型过程更加可控，也减少了施加在热金属板材上的压力。

隔膜成型用于非超塑合金塑形。能够实现这些加工是因为金属板隔。

典型应用

这些工艺可将单一材料加工成复杂的几何形状，在许多领域发展迅速，包括航空航天、汽车、建筑、火车、电子设备、家具和雕塑等。

相关工艺

金属冲压和深冲用于制造类似的金属板材几何形状，而热成型和复合层压成型技术用热塑性塑料和玻璃钢的复合材料生产出类似的几何形状。。

加工质量

模具的表面粗糙度和任何再成型操作的精度都会影响超塑成型零件的质量。与热成型加工的板材一样，不接触模具的一面具有较小的粗糙度。在通常情况下，铝合金表现出良好的耐腐蚀性、机械强度和表面质量。适于超塑成型的合金有不同的特性，这也使合金材料适用于多种应用。。

设计机遇

与其他铝质零件一样，超塑成型零件可以进行一系列的再成型操作来实现最终需要的零件或装配。

隔膜成型工艺可以用于生产非超塑性零件，这使得用于飞机结构的合金（如 2014 、 2024 、 2219 和6061 ）得以进行超塑成型。在许多情况下，隔膜成型被认为是成功塑造这些材料的唯一实用方法，并且航空航天设计师开始认识到这些超塑成型的合金在设计和制造过程中的好处。例如，将单张的板材做成大型零件，该工艺大幅减轻了制造工作，从而在降低成本和提高可重复性的同时增强了结构的完整性。

超塑成型工艺的另一个优势是可以使用一系列铝合金塑形，为多种工程问题提供解决方案。5083 合金包含铝、镁和锰元素，通常具有良好的耐腐蚀性和中等程度的焊接性，是一种广泛应用的铝合金材料。采用 5083 合金板材的超塑成型零件，工艺性能与 1200 或3000 系列及 5000 系列合金零件相比具有许多优点。由于加工成型的各种三维几何形状的工件具有较小的表面粗糙度，这种材料适合应用于汽车、轨道交通、建筑及海洋工业产品领域。这种合金在易变形与耐腐蚀之间取得了很好的平衡，并且具有一定的强度。 5083 合金的典型应用包括交通与建造。一般而言，加工 5083合金采用空腔成型或气泡成型加工技术。

另外一种典型的材料是 2004 合金，其性能包括：可进行热处理，由于具有优良的超塑成型性能，应变可达到 200%。这使得它可以用来加工具有复杂细节的零件。典型应虍包括电子产品外壳、航空航天组件，以及小而复杂的组件。这种材料与镀铜铝材的防腐性能相当。因此，在很多情况下需要对其进行防腐处理。合金常加纯铝镀层，以增强其抗腐蚀性，2004 合金也常常采用这类方式。

7475 合金包含铝、锌、镁和铜元素。这种材料具有 7075 合金的高强度，以及比其更为优良的抗断裂性能。板材的强度几乎与 7075 合金相同 1 韧性与 2024—T3 合金在室温下的性能相同。这种材料的强度重量比高，使得它广泛应用于航空领域的结构件加工。它的抗应力腐蚀开裂和剥落的性能与 7075 合金相似，采用T76 型回火方式可以获得比 T6 型回火更好的抗剥落性，如果总持续拉应力小于最小规定屈服强度的 25 ％，则不会出现采用 T76 方式回火的7475 合金的应力腐蚀开裂现象。

设计注意事项

成型零件的最大尺寸因超塑成型技术而不同。在不同情况下，依据零件的几何形状和合金种类，通常可以超过其中一个限制尺寸。空腔成型技术可以用于生产大至 3000mm × 2000mm × 600mm ，以及厚至 10 mm 的零件。气泡成型技术可用于生产大至950mm × 650mm ×300mm，以及厚至 6mm的零件。背压成型技术的最大预估面积差不多为4500 mm20 隔膜成型可用于生产大至 2800 mm×1600 mm × 600 mm 的零件。

不同合金有不同的机械和物理性能，在设计中需要综合考虑合金的复杂性能，尽管某一种合金可能加工成一种复杂形态，但也可能无法满足所需要的性能。

航空航天工业的主要结构应用要求高强度的合金，并具有良好的使用使用性能，如疲劳韧性和抗应力腐蚀性。例如， 7475 合金已成功应用于进气唇板和检修门，可充分满足使用需求。对于要求较低的应用，经过热处理的 2004 合金已广泛应用于次级结构，如空气动力学整流罩和加强件。

在成型条件方面，合金对踢脚板和灯具等内部配件具有合适的力学性能。

适用材料

超塑性金属可以用这种方式成型，包括铝、镁和钛合金。最常见的成型用铝板材包括 5083/2004 和7475 。

加工成本

模具本身造价是相当低的，成本取决于零件的尺寸及复杂度。生产周期短，通常是 5~ 20 分钟。劳动力成本适中。每个零件都要经过修整和成型后清洗。

环境影响

可以回收废料和边角料以生产新的铝板材及其他铝制产品。