阅读说明：本技术 高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具及成形方法 (Rapid superplastic forming die and method for large-curved-surface plate ridge line of high-speed motor car ) 是由 邓海 梁继业 王超 王树宾 董雪妍 于 2019-01-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具,包括对板料进行超塑成形的上模和下模,下模内设置有形成板料成型面的成形槽,上模上伸出有与成形槽相对,将板料挤压入成形槽内的凸模；上模上还设置有连通至其内端面对板料通入气胀成形气压的进气通道。凸模与板料相抵将板料压入到成型槽内,后通过通气通道对压入成形槽内的板料进行气胀成形。通过采用凸模和气胀成形组合的方式,使得板料成形过程中,由凸模挤压板料实现板料成形补料,减少板料表面褶皱,后通过气胀成形的方式,能够实现板料宏域大尺寸和局部小尺寸共存,提高超塑成形的成形效率。本发明还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具。(the invention provides a rapid superplastic forming die for a ridge line of a large-curved-surface plate of a high-speed bullet train, which comprises an upper die and a lower die for superplastic forming of the plate, wherein a forming groove for forming a plate forming surface is formed in the lower die; the upper die is also provided with an air inlet channel communicated to the inner end surface of the upper die and used for introducing air expansion forming air pressure to the plate material. The male die abuts against the plate to press the plate into the forming groove, and then the plate pressed into the forming groove is subjected to gas expansion forming through the ventilation channel. By adopting the mode of combining the male die and the air-bulging forming, the sheet is extruded by the male die to realize sheet forming material supplement in the sheet forming process, surface wrinkles of the sheet are reduced, and then the coexistence of large-area large size and local small size of the sheet can be realized by the air-bulging forming mode, so that the forming efficiency of superplastic forming is improved. The invention also provides a rapid superplastic forming die for the ridge line of the large-curved-surface plate of the high-speed bullet train.)

高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具及成形方法

技术领域

本发明涉及超塑成形技术领域，更具体地说，涉及一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具及成形方法。

背景技术

轨道车辆轻量化对提升高速列车性能具有重要意义。铝合金在轨道交通、汽车轻量化中扮演重要的角色。铝合金替代传统钢铁材料制造车身可使车身减重50％，油耗降低达28％；在承力相同时，铝合金比钢轻60％；承受同样的冲击，铝合金比钢板多吸收50％冲击能，更具安全性。

在冷冲压条件下与钢板相比铝合金板材存在着塑性低和回弹大的缺点，但是在超塑状态下铝合金高温成形性能可避免零件开裂，高温和低流动应力等缺陷，可消除回弹变形，所以用超塑性成形技术成形出复杂形状的铝合金汽车车身覆盖件和结构件。

铝合金汽车覆盖件超塑成形工艺研究在国外已经有很多成功应用，但是我国轨道列车上还没有应用该技术，主要原因是该技术目前生产效率低、成本高。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零件，充气胀形就需要几十分钟甚至几个小时，这种生产效率难以满足轨道车辆零件大批量生产的需求。

普通的板料超塑成形是通过气体压力将高温平板坯料吹入凹模,由气胀压力—时间曲线控制着板料变形的应变速率和成形的速度，如图1-图3所示的板料超塑成形过程，图1为板料超塑成形过程中模具与板材的布置图；图2为板料超塑成形过程中板材变形过程示意图；图3为板料超塑成形过程中板材成形后的结构示意图。

超塑性变形的低应变速率特征决定了慢速是普通超塑胀形的固有缺点。超塑成形作为一个成形循环过程，上模1`和下模2`将板材3`夹紧于二者之间，上模1`上设置通气孔4`，下模2`上设置成形槽5`，板材3`受到通气孔4`气压压力，形变至成形槽5`内，该成形过程包括坯料制备、加热、润滑、装料、成形和卸料多个环节，一个成形循环的时间等于各环节所用时间的总和，效率不高。

因此，如何提高超塑成形的成形效率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，以提高超塑成形的成形效率；本发明还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，包括对板料进行超塑成形的上模和下模，所述下模内设置有形成所述板料成型面的成形槽，所述上模上伸出有与所述成形槽相对，将所述板料挤压入所述成形槽内的凸模；所述上模上还设置有连通至其内端面对所述板料通入气胀成形气压的进气通道。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具中，所述凸模的挤压端开设有连通所述进气通道的进气孔。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具中，所述进气孔包括环绕所述凸模挤压端的周向均匀分布的多个。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具中，所述凸模的挤压端面设置有所述板料的成形棱线位置对应的成形棱角。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具中，所述上模与所述板料的压紧端面上还开设有密封槽。

一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法，包括步骤：

步骤1)由上模内端面上伸出的凸模，将板料冲压至下模的成形槽内，完成预成型的板料；

步骤2)采用超塑气胀法由所述上模的进气通道通入气压，使得预成型的所述板料胀形贴附于所述成形槽的内壁，获得成型后的板料。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法中，所述步骤1)前还包括，将所述板料和所述上模加热预定成型温度。

优选地，在上述高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法中，所述凸模的成形棱角将所述板料压紧于所述成形槽的内端面上。

本发明提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，包括对板料进行超塑成形的上模和下模，下模内设置有形成板料成型面的成形槽，上模上伸出有与成形槽相对，将板料挤压入成形槽内的凸模；上模上还设置有连通至其内端面对板料通入气胀成形气压的进气通道。上模和下模对板料压紧，下模内设置成形槽，上模上伸出与成形槽相对布置的凸模，由上模和下模对板料压紧过程中，凸模与板料相抵将板料压入到成型槽内，后通过通气通道对压入成形槽内的板料进行气胀成形。通过采用凸模和气胀成形组合的方式，使得板料成形过程中，由凸模挤压板料实现板料成形补料，减少板料表面褶皱，后通过气胀成形的方式，能够实现板料宏域大尺寸和局部小尺寸共存，提高超塑成形的成形效率。

本发明还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法，由凸模将板料压入成形槽内后，再通过气胀成形，获得最终的板材，使得板材成形后壁厚减薄率小，壁厚均匀，提高成形质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为板料超塑成形过程中模具与板材的布置图；

图2为板料超塑成形过程中板材变形过程示意图；

图3为板料超塑成形过程中板材成形后的结构示意图；

图4为本发明提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具第一方向的初始成形位置图；

图5为图4的凸模成形位置示意图；

图6为图4的气胀成形位置示意图；

图7为本发明提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具第二方向的初始成形位置图；

图8为图7的凸模成形位置示意图；

图9为图7的气胀成形位置示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，提高了超塑成形的成形效率；本发明还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4-图9所示，图4为本发明提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具第一方向的初始成形位置图；图5为图4的凸模成形位置示意图；图6为图4的气胀成形位置示意图；图7为本发明提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具第二方向的初始成形位置图；图8为图7的凸模成形位置示意图；图9为图7的气胀成形位置示意图。

本发明提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，包括对板料进行超塑成形的上模1和下模2，下模2内设置有形成板料成型面的成形槽5，上模1上伸出有与成形槽5相对，将板料3挤压入成形槽5内的凸模11；上模1上还设置有连通至其内端面对板料3通入气胀成形气压P的进气通道4。上模1和下模2对板料3压紧，下模2内设置成形槽5，上模1上伸出与成形槽5相对布置的凸模11，由上模1和下模2对板料3压紧过程中，凸模11与板料3相抵将板料3压入到成型槽5内，后通过通气通道4对压入成形槽5内的板料3进行气胀成形。通过采用凸模11和气胀成形组合的方式，使得板料3成形过程中，由凸模11挤压板料3实现板料成形补料，减少板料表面褶皱，后通过气胀成形的方式，能够实现板料宏域大尺寸和局部小尺寸共存，提高超塑成形的成形效率。

在本案一具体实施例中，凸模11的挤压端开设有连通进气通道的进气孔。上模1和下模2在对板料3成形过程中时，凸模11的挤压端首先与板料3相抵，并将板料3挤压至下模2成形槽5内，后通入气胀气压，将板料3由气压胀形至成形槽5的表面。将凸模11上设置连通上模1进气通道4的进气孔，由进气孔通入的气胀气压直接作用于板料3表面，提高成形效率，保证成形质量。

在本案一具体实施例中，进气孔包括环绕凸模11挤压端的周向均匀分布的多个。气胀气压通入到成形槽5内，由于凸模11伸入到成形槽内，为保证板料3各个位置胀形气压的一致性，将进气孔设置环绕凸模11挤压端周向的多个，则在气胀成形过程中，板料3的板面上各个位置可获得均匀的气压压力，进一步保证板料的成形效果。

在本案一具体实施例中，凸模11的挤压端面设置有板料3的成形棱线位置对应的成形棱角。板料3通过气胀成形，获得满足高速动车的大曲面板材上的棱线结构，将凸模11的挤压端面上设置成形棱角，上模1和下模2合模过程中，由凸模11上的成形棱角与板料3相抵，并挤压至成形槽5内，由成形槽5成形端面上棱槽位置相对，由凸模挤入成形槽内，板料为被压紧，板料变形过程中可将一定程度的板料压入成形槽，起到对板料补料效果，设置成形棱角对应成形板料上的棱线位置，可使气胀成形过程中板料变形量明显降低，减少成形时间保证成形质量。

在本案一具体实施例中，上模1与板料3的压紧端面上还开设有密封槽。上模内通过胀形气压对板料胀形，因此需保证上模与板料之间的密封性，在上模和板料之间的压紧端面上设置密封槽，使得二者的接触部位均能获得稳定密封，保证成形质量。板料成形后需要将通入的胀形气压排出，在上模或下模内还应设置排气孔，避免气压干扰导致板料不能完全填充到成形槽内。

本实施例提供的高速动车大曲面板材棱线快超塑成形模具，可将高速热冲压成形和超塑气胀成形两种成形方式有机地整合到一起，综合了刚性凸模和柔性气体成形介质的优点，建立了最优刚柔性凸模比例关系，能够成形宏域大尺度和局部小特征共存的零件，实现局部小圆角(r≤t)的成形。

本实施例还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法，包括步骤：

步骤1)由上模内端面上伸出的凸模，将板料冲压至下模的成形槽内，完成预成型的板料。

上模将板料挤压至下模内，保证凸模的挤压端面与成形端面上的成形棱角位置定位准确，板料经初步成形，其宏观的外观结构在成形槽内基本成形。

步骤2)采用超塑气胀法由所述上模的进气通道通入气压，使得预成型的板料胀形贴附于成形槽的内壁，获得成型后的板料。所所述述

超塑气胀法可将板料通过胀形成形于成形槽的成形面，在上模和下模合模后，通过进气通道将胀形气压通入板料表面，板料胀形贴附于成形槽的内壁，板料的局部小特征通过与成形槽的贴附获得成形结构。

本发明还提供了一种高速动车大曲面板材棱线快超塑成形方法，由凸模将板料压入成形槽内后，再通过气胀成形，获得最终的板材，使得板材成形后壁厚减薄率小，壁厚均匀，提高成形质量。

在本案一具体实施例中，步骤1)前还包括，将板料和上模加热预定成型温度。对板料采用热冲压预成型的工艺，可以使得更多的板料可以在刚性凸模的作用下进入型腔，实现补料，且板料成形的法兰区不会出现褶皱，板料在厚度方向减薄很小。板料成形后表面具有小圆角结构，小圆角处需要锻造成形，通过热冲压工艺，对于尖角部位仅需少量的变形，因此小圆角部分板材减薄相对于普通超塑性气胀大幅减小。

在本案一具体实施例中，凸模的成形棱角将板料压紧于成形槽的内端面上。凸模的成形棱角与板料上成形棱线位置相对，为气胀成形保证均匀变形量，进一步保证板料成形的壁厚分布均匀。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。