一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法技术

一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征在于：首先，进行热冲压预成形，使板料在凸模的作用下进入型腔,成形到设计位置后，合模完成，板料四周部位均被封死，此时板材和凹模之间留有间隙；然后，进行反胀补料；最后，再原位进行正胀超塑成形，获得最终壁厚分布相对均匀的成品零件。本发明专利技术将高速热冲压成形和低速超塑成形两种设计理念有机地整合到一起，将成形时间由原来的1

【技术实现步骤摘要】
一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法


[0001]本专利技术涉及轨道车辆车头结构，尤其是涉及一种超塑成形的铝合金车头成形工艺。

技术介绍

[0002]轨道车辆覆盖件包括车身，驾驶室，内装等表面和内部零件，具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量高等特点，而随着车辆运行速度的提高，车头采用流线型设计已成为趋势，如果将铝合金用于制造复杂车头曲面造型时，成形较为困难。因为铝合金室温伸长率不超过20％，冷冲压难以成形，热冲压零件也具有回弹大、尺寸精度难以保证的缺点。国内外学者研究发现，铝合金在特定条件下具有超塑性，因此，超塑成形技术逐渐成为这种大型覆盖件生产制造的首选先进技术。
[0003]材料的超塑性是指当材料在一定内部条件和外部条件作用下呈现的超常均匀塑性变形能力，其断后伸长率通常超过200％，利用材料超塑性的特点进行设计制造的方法就是超塑成形。
[0004]传统的超塑成形技术比较简单(如图1、图2)，上模2为一平板，仅凹模4带有形状，上模开有通气孔1，成形过程全部为板材3的胀形过程，没有材料补料，并且整个过程都在非常低的应变速率下进行，成形时间长，零件圆角部位减薄严重，难以满足复杂曲面铝合金车头的结构要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种复杂曲面铝合金车头成形技术方案，解决城轨车辆铝合金车头灯口、窗口及门口等位置成形困难大、成形精度低等缺陷，为复杂曲面铝合金车头的设计研发提供理论和实践依据。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征在于：首先，进行热冲压预成形，使板料在凸模的作用下进入型腔，成形到设计位置后，合模完成，板料四周部位均被封死，此时板材和凹模之间留有间隙，并实现反胀补料；然后，再原位进行正胀超塑成形，获得最终壁厚分布相对均匀的成品零件。
[0007]所述的凸模下表面为凹凸不平的曲面，
[0008]所述的凹模的底面开有通气孔。
[0009]所述的预成形速度为5mm/s，时间3min。
[0010]所述的反胀时长20min，在低压时以0.03MPa/min速度缓慢进气，待大部分贴膜后，以不超过0.15MPa/min速度控制反胀槽部位贴合，
[0011]所述的正胀时长60min，控制最大压力为2MPa，成形中保持温度为480℃。
[0012]所述的反胀和正胀过程中都是以恒应变速率进行胀形。
[0013]本专利技术将高速热冲压成形和低速超塑成形两种设计理念有机地整合到一起，将成形时间由原来的1
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3小时缩短到15分钟以内，并且材料变形量明显降低，壁厚均匀，对材料
的高温塑形性能要求较低，采用廉价的国产普通板材即可。材料成本降低一半以上，成品率由70％提高到90％以上。
[0014]主要优势如下：
[0015](1)生产效率高
[0016]传统的超塑成形方法，生产效率非常低，每个零件都需要1个小时以上，对于钛合金等难变形材料，甚至需要1天。将热冲压成形和超塑成形两种设计方法有效地整合到一起，成形时间缩短到15分钟以内。
[0017](2)成形力小
[0018]可以降低成形设备吨位，节约能源，降低了对模具材料的要求，延长了模具寿命。
[0019](3)变形量小
[0020]热冲压预成形，使更多的板料可以在凸模的作用下进入型腔，实现补料，壁厚均匀，从而显著降低材料变形量，在很多情况下甚至能够使用普通铝板替代超塑铝板，显著降低生产成本。
[0021](4)近无加工余量
[0022]可以大大提高材料利用率，缩短生产周期。
[0023](5)产品质量稳定
[0024]成形件质量好，不存在由于硬化引起的回弹导致的零件成形后的变形问题，故零件尺寸稳定，成形精度易于控制，成形后残余应力很小，不会产生裂纹。
附图说明
[0025]图1、图2为传统超塑成形示意图；
[0026]图3是模具安装定位图；
[0027]图4是预胀形优化压力
‑
时间曲线；
[0028]图5是终胀形优化压力
‑
时间曲线；
[0029]图6
‑
图8是成形过程示意图；
[0030]图9是成形后的灯口外板壁厚测量结果图。
具体实施方式
[0031]参照图3，本专利技术铝合金市域车车头灯口外板件是最为复杂的零件，具有复杂曲率表面、小圆角和深腔等多个特征。
[0032]依据零件特征，经拔模分析以灯口壁方向作为开模方向，使凸模具有简化形状，以热冲压的工艺首先减少壁厚减薄及增加效率，在深腔和难成形位置开设深约30mm储料槽，预胀形贴向凸模初步储料；凹模为零件形状，终胀时贴向凹模使壁厚分布均匀，成形深腔。
[0033]安装定位时，选用凸模6作为上模，4mm厚5083
‑
H111铝板3，凹模4为下模。上模上表面为平面，下表面根据成形件的易减薄部位设计为凹凸不平的曲面，凹进去的部位一般涉及成形件易减薄的圆角处，上模形状类似活塞盖，盖的外沿上开有上通气孔5。下模为U形，U形底部开有下通气孔7，铝板置于下模上面。
[0034]参照图4、图5，结合数值模拟可以有效决策生产时的工艺参数，选择Marc有限元模拟软件。在灯口外板的模拟参数中，材料参数选取480℃、1
×
10
‑3s
‑1条件下的拉伸曲线结
果，由于实际封边槽的封边作用有限，超塑成形控制中最大压力设置为2MPa，恒应变速率胀形，输出结果中的过程压力
‑
时间曲线，再根据实际设备情况优化曲线，最终得到压力控制曲线。
[0035]参照图6
‑
图8，成形过程：首先在1000t超塑专用压力机上，以5mm/s的速度热冲压成形(图6)，3min完成预成形，此时整个零件壁厚在3.943mm
‑
4.032mm之间，合膜后施加压边力保证密封槽封边；按照模拟仿真结果控制下通气孔7的气体压力进行反胀(图7)，由于随时间推移进气速度逐渐增加，上模凹进去的位置多补进了一些料，便于正胀时多补进来的料能走到成形件圆角处，使成形件壁厚均匀。为防止反胀初始速度过快冲破板料，反胀时长20min，在低压时以0.03MPa/min速度缓慢进气，待大部分贴膜后，以不超过0.15MPa/min速度控制反胀槽部位8(即上模曲面中凹槽部位)贴合；待反胀槽部位贴合后开始正胀(图8)，由上通气孔进气，板材向下模与板材之间的空隙9内正胀，正胀时长60min，控制最大压力为2MPa，成形中保持温度为480℃，反胀和正胀过程中都是以恒应变速率进行胀形；胀形结束后，用专用吊装工具取件后得到零件，经精切、酸洗、碱洗后得最终产品。
[0036]参照图9，用超声波壁厚测量仪对灯口外板成品进行无损检测，最薄位置在灯口深角处，壁厚为3.12mm，最大减薄率为22％。整体分布上看，在防爬器和灯口最深处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征在于：首先，进行热冲压预成形，使板材在凸模的作用下进入型腔，成形到设计位置后，合模完成，板材四周部位均被封死，此时板材和凹模之间留有间隙；然后，进行反胀补料；最后，再原位进行正胀超塑成形，获得最终壁厚分布相对均匀的成品零件。2.根据权利要求1所述的一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征在于：所述的凸模下表面为凹凸不平的曲面。3.根据权利要求1所述的一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征在于：所述的凹模的底面开有通气孔。4.根据权利要求1所述的一种超塑成形复杂曲面铝合金车头的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：方炅任，隋礼平，禹红杰，周啸尘，
申请(专利权)人：中车长春轨道客车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：