阅读说明：本技术 轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法 (Rapid superplastic forming method for complex aluminum alloy parts for railway vehicles ) 是由 王春生 何广中 梁继业 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法涉及铝合金薄壁零件热成形技术领域,该方法首先利用曲面形面的凸模,将板料压入凹模深度的70％～80％的位置,再在1～2分钟内对板料快速预成形；然后,先向模具内部反向充气,在2分钟内模具内部气压由0MPa增加到0.3MPa,对快速预成形后的板料进行超塑成形；再向模具内部正向充气,在12分钟内模具内部气压由0MPa增加到1.5MPa,并保持1.5MPa气压3分钟,进而完成铝合金零件的快速超塑成形。本发明利用具有形状的凸模对加热的板料进行热冲压预成形,然后再进行反向超塑气胀成形,优化板料壁厚分布,最后正向超塑气胀成形,从而将成形时间由1～3小时缩短到20分钟以内,显著提高生产效率,降低生产成本,并提高零件质量,降低操作难度。(A rapid superplastic forming method for complex aluminum alloy parts for rail vehicles relates to the technical field of thermal forming of aluminum alloy thin-wall parts, and comprises the steps of firstly pressing a plate into a position which is 70-80% of the depth of a female die by using a male die with a curved surface, and then performing rapid preforming on the plate within 1-2 minutes; then, reversely inflating the interior of the die, increasing the air pressure in the interior of the die from 0MPa to 0.3MPa within 2 minutes, and performing superplastic forming on the plate subjected to rapid preforming; and then, positively inflating the interior of the die, increasing the air pressure in the die from 0MPa to 1.5MPa within 12 minutes, and maintaining the air pressure at 1.5MPa for 3 minutes, thereby completing the rapid superplastic forming of the aluminum alloy part. According to the invention, the heated plate is subjected to hot stamping preforming by using the male die with the shape, then reverse superplastic gas bulging forming is carried out, the wall thickness distribution of the plate is optimized, and finally forward superplastic gas bulging forming is carried out, so that the forming time is shortened to be within 20 minutes from 1-3 hours, the production efficiency is obviously improved, the production cost is reduced, the part quality is improved, and the operation difficulty is reduced.)

轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法

技术领域

本发明涉及铝合金薄壁零件热成形技术领域，具体涉及一种轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法。

背景技术

机车轻量化对提升高速列车性能具有重要意义。目前国内外普遍采用的方式为材料轻量化，即高性能机车都采用高强度的铝合金材料制造。为进一步提高机车性能，在材料轻量化的基础上，近年来结构轻量化技术逐渐引起重视，即通过铝合金整体成形，大量减少焊接、螺接、铆接等连接技术的使用，有望进一步减重20％-40％。超塑成形技术是近年发展起来的复杂形状铝合金整体零件成形技术。

采用铝合金板材，加工制造高速列车、地铁、轻轨等轨道交通车辆用的铝合金车体结构件，如门框、窗墙、内外端墙、门立柱罩等各种车内设备和其它复杂结构件。这类重要的轨道交通车辆内装件应满足性能、精度和美观的综合需求，许多产品形状是三维曲面，故对内装件制造和组装的准确度与表面质量提出了很高的要求，冷成形变形量有限，弹复大，难以满足要求。因此，超塑气胀成形技术成为主要的制造方法。

传统的超塑气胀成形模具的凸模为平面，只有凹模具有与待加工零件随形的型面。进行超塑气胀时，通过气体加压将加热的板料施压贴合到凹模上，成形时没有补料，完全靠板料的胀形获得最后的零件形状，成形过程中，若是速度过快，极易出现板料变形量大，整体板料厚度不均匀，局部板料因厚度过薄而发生断裂的现象。因此，为了避免上述现象的发生，施压时气压必须增加得缓慢，才能保证板料获得最大的延伸率，但是，由于凸模为平面，整个模具型腔空间比较大，增加气压需要的气体进入量较多，这将导致成形时间较长。

由于超塑气胀成形需要将模具和零件加热到较高温度，能耗较大，而且成形一个复杂形状的零件，充气胀形就需要几十分钟甚至几个小时，这种低生产效率、高成本的工艺技术，难以满足轨道车辆零件大批量生产的需求。因此，为满足轨道车辆复杂型铝合金零件大批量生产的需求，亟需提供一种高效率低成本的成形工艺来提高超塑成形生产效率。

发明内容

为了解决现有超塑成形工艺存在的成形时间较长、易出现局部断裂现象、成本高的技术问题，本发明提供一种轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、制作超塑成形方法用的模具，该模具包括凸模和凹模，凸模的形面为左右对称的曲面，凸模的高度H1是凹模的深度H2的70％～80％，凸模的一侧设有凸模气孔，凸模在与板料接触的部位设有用于保证凸模与凹模扣合后模具内部封闭不漏气的密封槽；凹模的形面与待成形的铝合金零件的形状随形匹配，凹模的底部设有凹模气孔；

步骤二、将步骤一所述的模具放入超塑成形机中，将板料放置在凹模上，并将凸模与凹模逐渐扣合，模具扣合过程中，通过热冲压方法对板料在1～2分钟内进行快速预成形，直至凸模与凹模完全扣合；

步骤三、通过凹模气孔向模具内部反向充气，在2分钟内模具内部气压按升压速度0.15MPa/min由0MPa增加到0.3MPa，进而对步骤二快速预成形后的板料进行超塑成形；

步骤四、通过凸模气孔向模具内部正向充气，在12分钟内模具内部气压按升压速度0.125MPa/min由0MPa增加到1.5MPa，然后保持1.5MPa气压3分钟，进而完成铝合金零件的快速超塑成形。

本发明的有益效果是：该方法在超塑成形之前，先用具有一定形状的凸模对加热的板料进行热冲压预成形，使更多的板料进入凹模型腔内，这个预成形的速度可以很快，然后在原位进行反向超塑气胀成形，优化板料壁厚分布，最后再正向超塑气胀成形，从而将成形时间由原来的1～3小时缩短到20分钟以内，显著提高生产效率，降低生产成本，并提高零件质量，降低操作难度。

附图说明

图1是本发明轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法所用模具和板料配合关系的结构示意图。

图2是本发明轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法中的预成形过程示意图。

图3是本发明轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法中的反向超塑气胀成形过程示意图。

图4是本发明轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法中的正向超塑气胀成形过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1至图4所示，本发明的轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法包括如下步骤：

步骤一、制作超塑成形方法用的模具，该模具包括凸模1和凹模2，凸模1的形面为左右对称的曲面，凸模1的高度H1是凹模2的深度H2的70％～80％，凸模1的一侧设有凸模气孔1-1，凸模1在与板料3接触的部位设有用于保证凸模1与凹模2扣合后模具内部封闭不漏气的密封槽；凹模2的形面与待成形的铝合金零件的形状随形匹配，凹模2的底部设有凹模气孔2-1；

步骤二、将步骤一所述的模具放入超塑成形机中，将板料3放置在凹模2上，并将凸模1与凹模2逐渐扣合，模具扣合过程中，通过热冲压方法对板料3在1～2分钟内进行快速预成形，直至凸模1与凹模2完全扣合；模具完全扣合时，可以将板料3压入凹模2内70％～80％的深度位置，这样模具型腔内部空间大大缩小，气胀时需要的充气量也大大减少，节省了气胀过程所需的时间。

步骤三、通过凹模气孔2-1向模具内部反向充气，在2分钟内模具内部气压按升压速度0.15MPa/min由0MPa增加到0.3MPa，进而对步骤二快速预成形后的板料3进行反向超塑成形，使板料3贴合到凸模1上，使得板料3的壁厚均匀分布；

步骤四、通过凸模气孔1-1向模具内部正向充气，在12分钟内模具内部气压按升压速度0.125MPa/min由0MPa增加到1.5MPa，然后保持1.5MPa气压3分钟，进而完成铝合金零件的快速超塑成形。

国内城轨车铝合金车头门框类零件的特点是复杂曲面，侧壁达到80毫米高，并且完全垂直，没有斜度。该类零件成形难点是：上门框尺寸长700mm，宽500mm，门框蒙皮厚度为4mm，零件形状复杂，并且在门框把手处存在复杂曲面，难以成形；门框零件上表面为复杂曲面，各区域高度差≤2mm，传统工艺由于回弹大，成形难度相当大；门框零件型腔深度80mm，门框侧壁面零斜度，传统冲压成形根本无法实现零度拔模斜度以及如此深度的的产品，并且门框法兰部分为直边，较圆形法兰边更容易起皱。

本发明的轨道车辆用复杂型铝合金零件快速超塑成形方法，可以通过前期的预拉伸成形和后面的正反向超塑气胀成形，将容易贴模不易流动的门框底部区域参与变形，进而为容易减薄的侧壁区进行补料，保证侧壁位置壁厚减薄率小且壁厚分布均匀，能够成形出冲压工艺无法实现的零度拔模斜度且深腔的复杂型面产品。