專利名稱：軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具及其成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超塑成形模具及其成形方法，具體涉及一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具及其成形方法。
背景技術(shù)：
機(jī)車輕量化對(duì)提升高速列車性能具有重要意義。目前國內(nèi)外普遍采用的方式為材料輕量化，即高性能機(jī)車都采用高強(qiáng)度的鋁合金材料制造。采用大尺寸薄壁鋁合金板材，力口工制造高速列車、地鐵、輕軌等軌道交通車輛用的鋁合金車體結(jié)構(gòu)件，如窗墻、內(nèi)外端墻、門立柱罩等各種車內(nèi)設(shè)備和其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。這類重要的軌道交通車輛內(nèi)裝件應(yīng)滿足性能、精度和美觀的綜合需求，許多產(chǎn)品形狀是三維曲面，故對(duì)內(nèi)裝件制造和組裝的準(zhǔn)確度與表面質(zhì)量提出了很高的要求，冷成形變形量有限，彈復(fù)大，難以滿足要求，因此超塑氣脹成形技術(shù)成為主要的制造方法。由于超塑氣脹成形需要將模具和零件加熱到較高溫度，能耗較大，而且成形一個(gè)復(fù)雜形狀零件，充氣脹形就需要幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)，這種生產(chǎn)效率難以滿足軌道車輛零件大批量生產(chǎn)的需求。許多學(xué)者通過晶粒細(xì)化來提高鋁合金超塑性的應(yīng)變速率，從而提高超塑成形效率，雖然取得一些實(shí)驗(yàn)室成果，但離實(shí)際應(yīng)用還有很大距離。綜上所述，現(xiàn)有的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問題，進(jìn)而提供一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具及其成形方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具包括上模板和凹模，上模板設(shè)置在凹模的正上方，所述超塑成形模具還包括凸模，凸模固裝在上模板的下端，凸模和凹模之間形成充氣腔，鋁合金板料設(shè)置在凹模上端，上模板上開有進(jìn)氣孔，凹模的下端開有排氣孔，所述凸模的下端設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)的臺(tái)肩與凸模的側(cè)壁之間設(shè)有圓角，凸臺(tái)的中部設(shè)有第二反擠密封槽。本發(fā)明還提供了一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑方法步驟一超塑成形模具的安裝，將超塑成形模具安裝到超塑成形機(jī)上，上模板的進(jìn)氣孔與超塑成形機(jī)上的氣壓管路連接，超塑成形機(jī)上的溫控系統(tǒng)熱電偶分別連接到上模板、凹模和凸模上，步驟二 噴涂高溫潤滑劑，凹模和凸模的表面與鋁合金板料的表面均勻噴涂高溫潤滑劑；步驟三超塑成形模具的預(yù)熱，上模板、凹模和凸模處于合模狀態(tài)，將超塑成形模具加熱到400°C _500°C的成形溫度，保壓l_5min，使上模板、凹模和凸模的溫度均勻一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)超塑成形模具的預(yù)熱；步驟四鋁合金板料的預(yù)熱，
當(dāng)超塑成形模具預(yù)熱到成形溫度后，打開超塑成形模具，將鋁合金板料放置在凹模上，保溫4-5min，使鋁合金板料也達(dá)到成形溫度；步驟五鋁合金板料初期彎曲變形，超塑成形機(jī)驅(qū)動(dòng)上模板和凸模向下運(yùn)動(dòng)，使鋁合金板料彎曲變形，壓下速度為10-50mm/s,下壓距離為100_150mm時(shí)，上模板和凸模停止運(yùn)動(dòng),此時(shí)招合金板料的四周被凹模和凸模的四周夾緊；步驟六鋁合金板料初期彎曲變形后和凸模之間組成密封空間，上模板繼續(xù)向下加壓3_4MPa，使凸模四邊的第一圓角密封槽向下壓入
O.2-0. 6mm，形成超塑脹形所需要的由鋁合金板料和凸模之間組成的密封空間；步驟七向步驟六中的密封空間加壓并最終成形，在超塑成形機(jī)上編程控制氣壓-時(shí)間曲線，從上模板的進(jìn)氣孔通入氣體，氣體的壓力為O. 5-4MPa，使鋁合金板料在氣體壓力的作用下超塑脹形，超塑脹形的時(shí)間為10-15min，鋁合金板料與凹模之間的空氣通過凹模的排氣孔排出，最終鋁合金板料與凹模的內(nèi)壁貼合，保壓4-5min后開模取出成形后的鋁合金板料，至此，鋁合金板料的超塑成形結(jié)束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果1.本發(fā)明的鋁合金板料成形到一定位置后，再原位進(jìn)行超塑氣脹成形，從而將鋁合金板料成形時(shí)間由原來的1-3小時(shí)縮短到10-20分鐘，顯著提高生產(chǎn)效率，降低成本。2.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。


圖1是超塑成形模具超塑成形前的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是超塑成形模具超塑成形后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具包括上模板I和凹模2，上模板I設(shè)置在凹模2的正上方，所述超塑成形模具還包括凸模3，凸模3固裝在上模板I的下端，凸模3和凹模2之間形成充氣腔，鋁合金板料4設(shè)置在凹模2上端，上模板I上開有進(jìn)氣孔5，凹模2的下端開有排氣孔
6,所述凸模3的下端設(shè)有凸臺(tái)7,凸臺(tái)7的臺(tái)肩與凸模3的側(cè)壁之間設(shè)有圓角，凸臺(tái)7的中部設(shè)有第二反擠密封槽8。本發(fā)明采用預(yù)彎曲成形+超塑成形的方案雖然能夠顯著提高生產(chǎn)效率，但是模具設(shè)計(jì)的難度明顯增加，上模板1、凹模2和凸模3的配合面不再是一個(gè)平面，而是空間曲面，這種情況下，如何保證上模板1、凹模2和凸模3的配合面和鋁合金板料4之間形成不漏氣的密閉空間，成為確保成形質(zhì)量的關(guān)鍵。為此，本發(fā)明提出了第二反擠密封槽8，密封槽在壓力的作用下使鋁合金板料4變形，形成緊密貼合，氣體難以通過，這種結(jié)構(gòu)在平面上沒有問題，但是，當(dāng)采用曲面封邊時(shí)，經(jīng)常無法形成緊密貼合，導(dǎo)致漏氣，氣脹成形無法進(jìn)行。而采用在凸模3的的底端中部設(shè)有第二反擠密封槽8，可以將鋁合金板料4反擠到第二反擠密封槽8中，密封效果更好。
本實(shí)施方式凸模3的外壁尺寸小于凹模2的內(nèi)壁尺寸，使后續(xù)超塑脹形在整個(gè)成形過程中所占的比例最小，但是也不能過于接近下模型腔尺寸，因?yàn)樯夏３叽邕^大會(huì)導(dǎo)致鋁合金板料破裂或出現(xiàn)死皺，具體選擇還需通過有限元數(shù)值模擬來確定。為提高模擬精度，必須精確掌握鋁合金板料高溫塑性變形能力，方法是在高溫拉伸機(jī)上測量鋁合金板料在不同溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。本實(shí)施方式的超塑脹形時(shí)的氣壓-時(shí)間曲線，初始?xì)鈮汉苄。饾u增加，最后氣壓最大，約為O. 5_4MPa，最佳氣壓-時(shí)間曲線的確定，需要根據(jù)鋁合金板料的高溫力學(xué)行為進(jìn)行有限元數(shù)值模擬優(yōu)化，最后確定最快成形速度。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的第二反擠密封槽8的長度為鋁合金板料壁厚的I倍-2倍。如此設(shè)置，密封效果更好。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的第一圓角密封槽7的圓角半徑為鋁合金板料壁厚的10倍-15倍。如此設(shè)置，。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的超塑方法的具體步驟如下步驟一超塑成形模具的安裝，將超塑成形模具安裝到超塑成形機(jī)上，上模板I的進(jìn)氣孔5與超塑成形機(jī)上的氣壓管路連接，超塑成形機(jī)上的溫控系統(tǒng)熱電偶分別連接到上模板1、凹模2和凸模3上，步驟二 噴涂高溫潤滑劑，凹模2和凸模3的表面與鋁合金板料4的表面均勻噴涂高溫潤滑劑；步驟三超塑成形模具的預(yù)熱，上模板1、凹模2和凸模3處于合模狀態(tài)，將超塑成形模具加熱到400°C -500°C的成形溫度，保壓l_5min，使上模板1、凹模2和凸模3的溫度均勻一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)超塑成形模具的預(yù)熱；步驟四鋁合金板料4的預(yù)熱，當(dāng)超塑成形模具預(yù)熱到成形溫度后，打開超塑成形模具，將鋁合金板料4放置在凹模2上，保溫4-5min，使鋁合金板料4也達(dá)到成形溫度；步驟五鋁合金板料4初期彎曲變形，超塑成形機(jī)驅(qū)動(dòng)上模板I和凸模3向下運(yùn)動(dòng)，使鋁合金板料4彎曲變形，壓下速度為10-50mm/s，下壓距離為100_150mm時(shí)，上模板I和凸模3停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)鋁合金板料4的四周被凹模2和凸模3的四周夾緊；步驟六鋁合金板料4初期彎曲變形后和凸模3之間組成密封空間，上模板I繼續(xù)向下加壓3_4MPa，使凸模3四邊的第一圓角密封槽7向下壓入
O.2-0. 6mm，形成超塑脹形所需要的由鋁合金板料4和凸模3之間組成的密封空間；步驟七向步驟六中的密封空間加壓并最終成形，在超塑成形機(jī)上編程控制氣壓-時(shí)間曲線，從上模板I的進(jìn)氣孔5通入氣體，氣體的壓力為O. 5-4MPa，使鋁合金板料4在氣體壓力的作用下超塑脹形，超塑脹形的時(shí)間為10-15min，鋁合金板料4與凹模2之間的空氣通過凹模2的排氣孔6排出，最終鋁合金板料4與凹模2的內(nèi)壁貼合，保壓4-5min后開模取出成形后的鋁合金板料4，至此，鋁合金板料4的超塑成形結(jié)束。對(duì)于軌道車輛車頭零件，特點(diǎn)是零件整體有較大的彎曲，局部還有復(fù)雜的細(xì)節(jié)形狀，軌道車輛上的門立柱罩、整體式座椅等也具有相似的特征。如果采用傳統(tǒng)的超塑變形，一般是將零件兩側(cè)加上工藝補(bǔ)充面，形成盒形件，采用盒形件超塑氣脹成形工藝成形出盒形件，在切掉兩側(cè)的工藝補(bǔ)充面，得到零件。雖然模具設(shè)計(jì)簡單，氣體密封也容易，密封槽處在一個(gè)平面上，但是零件變形量非常大，有限元模擬成形后壁厚分布后，板料初始厚度為4mm，超塑變形后最薄位置的壁厚減小到1. 1mm，不僅壁厚分布情況差，而且以目前使用的5000系超塑鋁合金材料性能看，在成形過程中已經(jīng)破裂的可能性非常大，無法完成最終全部貼模。因此，本發(fā)明提出預(yù)彎曲成形+超塑成形的方案，通過兩種工藝的合理設(shè)計(jì)與組合，降低超塑變形量，制造出合格質(zhì)量的零件。預(yù)彎曲成形+超塑成形的方案模具上模板I具有一定的簡單形狀，可以在變形初期使板料彎曲，進(jìn)入凹模2，這時(shí)，有更多的材料參加變形。上模板I凸起的高度略小于下模型腔的深度，上模凸起的尖端圓角半徑不能過小，否則容易使板料接觸部位產(chǎn)生死皺或壓痕。圓角半徑一般應(yīng)大于10倍板料壁厚。地鐵車頭零件快速超塑成形有限元模擬時(shí)，可以看出，經(jīng)過預(yù)彎曲成形后，板料壁厚幾乎沒有變化，經(jīng)過超塑變形后，壁厚減薄到3.1毫米，減薄量非常小，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)超塑成形的結(jié)果。在這種情況下，零件非常好成形，不需要選擇最佳超塑成形工藝參數(shù)，而是可以選擇比較快的脹形速度和比較低的成形溫度，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本非常有利。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟二中的高溫潤滑劑為水基石墨乳。如此設(shè)置，可以改善壁厚分布和零件表面質(zhì)量。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
四相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟七中的超塑脹形的時(shí)間為12min。如此設(shè)置，使板料完全填充模具。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
五相同。對(duì)于整體有較大的彎曲，局部還有復(fù)雜的細(xì)節(jié)形狀的軌道車輛用鋁合金零件，采用本發(fā)明的預(yù)彎曲成形+超塑成形的方案來制造，板料壁厚減薄量非常小，壁厚均勻性好于傳統(tǒng)超塑成形的結(jié)果。在這種情況下，零件易成形，可以選擇比較快的脹形速度和比較低的成形溫度，對(duì)于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本非常有利。改進(jìn)的第二反擠密封槽8結(jié)構(gòu)對(duì)于空間曲面零件的密封效果也非常好，為軌道車輛用鋁合金零件的穩(wěn)定生產(chǎn)提供有力保障。
權(quán)利要求
1.一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具，它包括上模板(I)和凹模(2)，上模板(I)設(shè)置在凹模(2)的正上方，其特征在于:所述超塑成形模具還包括凸模(3)，凸模(3)固裝在上模板⑴的下端，凸模(3)和凹模(2)之間形成充氣腔，鋁合金板料⑷設(shè)置在凹模⑵上端，上模板⑴上開有進(jìn)氣孔(5)，凹模(2)的下端開有排氣孔(6)，所述凸模(3)的下端設(shè)有凸臺(tái)(7)，凸臺(tái)(7)的臺(tái)肩與凸模(3)的側(cè)壁之間設(shè)有圓角，凸臺(tái)(7)的中部設(shè)有第二反擠密封槽(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具，其特征在于:所述第二反擠密封槽(8)的長度為鋁合金板料壁厚的I倍-2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具，其特征在于:所述第一圓角密封槽(7)的圓角半徑為鋁合金板料壁厚的10倍-15倍。
4.一種使用權(quán)利要求1所述超塑成形模具實(shí)現(xiàn)的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑方法，其特征在于:所述超塑 方法的具體步驟如下: 步驟一:超塑成形模具的安裝， 將超塑成形模具安裝到超塑成形機(jī)上，上模板(I)的進(jìn)氣孔(5)與超塑成形機(jī)上的氣壓管路連接，超塑成形機(jī)上的熱電偶分別連接到上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)上，步驟二:噴涂高溫潤滑劑， 凹模(2)和凸模(3)的表面與鋁合金板料(4)的表面均勻噴涂高溫潤滑劑； 步驟三:超塑成形模具的預(yù)熱， 上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)處于合模狀態(tài)，將超塑成形模具加熱到400°C -500°C的成形溫度，保壓l_5min，使上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)的溫度均勻一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)超塑成形模具的預(yù)熱； 步驟四:鋁合金板料(4)的預(yù)熱， 當(dāng)超塑成形模具預(yù)熱到成形溫度后，打開超塑成形模具，將鋁合金板料(4)放置在凹模(2)上，保溫4-5min，使鋁合金板料(4)也達(dá)到成形溫度； 步驟五:鋁合金板料(4)初期彎曲變形， 超塑成形機(jī)驅(qū)動(dòng)上模板(I)和凸模(3)向下運(yùn)動(dòng)，使鋁合金板料(4)彎曲變形，壓下速度為10-50mm/s，下壓距離為100-150mm時(shí)，上模板(I)和凸模(3)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)鋁合金板料⑷的四周被凹模⑵和凸模⑶的四周夾緊； 步驟六:鋁合金板料(4)初期彎曲變形后和凸模(3)之間組成密封空間， 上模板(I)繼續(xù)向下加壓3-4MPa，使凸模(3)四邊的第一圓角密封槽(7)向下壓入0.2-0.6mm，形成超塑脹形所需要的由鋁合金板料(4)和凸模(3)之間組成的密封空間；步驟七:向步驟六中的密封空間加壓并最終成形， 在超塑成形機(jī)上編程控制氣壓-時(shí)間曲線，從上模板(I)的進(jìn)氣孔(5)通入氣體，氣體的壓力為0.5-4MPa，使鋁合金板料(4)在氣體壓力的作用下超塑脹形，超塑脹形的時(shí)間為10-15min，鋁合金板料(4)與凹模⑵之間的空氣通過凹模(2)的排氣孔(6)排出，最終鋁合金板料(4)與凹模(2)的內(nèi)壁貼合，保壓4-5min后開模取出成形后的鋁合金板料(4)，至此，鋁合金板料(4)的超塑成形結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形方法，其特征在于:步驟二中的高溫潤滑劑為水基石墨乳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形方法，其特征在于:步驟七中的超塑脹形的 時(shí)間為12min。
全文摘要
軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具及其成形方法，它涉及一種超塑成形模具及其成形方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的軌道車輛用鋁合金覆蓋零件存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問題。本發(fā)明超塑成形模具的上模板設(shè)置在凹模的上方，凸模固裝在上模板的下端，鋁合金板料設(shè)置在凸模與凹模之間的凹模上端；超塑成形方法為步驟一超塑成形模具的安裝，步驟二噴涂高溫潤滑劑，步驟三超塑成形模具的預(yù)熱，步驟四鋁合金板料的預(yù)熱，步驟五鋁合金板料初期彎曲變形，步驟六鋁合金板料初期彎曲變形后和凸模之間組成的密封空間，步驟七鋁合金板料的最終成形。本發(fā)明適用于軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的制造。
文檔編號(hào)B21D26/021GK103071717SQ201310043258
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者王國峰 申請人:王國峰