CN105710256B - 一种高速列车铝合金墙板的成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种高速列车铝合金墙板的成形方法，其实现依赖于成形模具，它包括成形模具主体、下模、四个压边圈、上模和下模底；方法为：将铝合金板放置于下模上，用四块压边圈压住铝合金板边缘，上模下行，使上模下表面与铝合金板接触；将铝合金板加热到热拉深最佳成形温度，将上模气孔与外界空气相通，从下模气孔向下模的拉深凹模空腔充入惰性气体，铝合金板进行反向拉深成形，下模底沿下模的拉深凹模空腔向下移动到设定位置；拉深结束后将铝合金板再次加热，下模气孔与外界空气相通，从上模气孔向上模拉深槽充入惰性气体，铝合金板进行正向拉深成形；然后将铝合金板加热至超塑性成形温度进入超塑性胀形阶段；超塑性胀形结束后，通过下模底顶出成形后的铝合金板。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材成形领域，尤其涉及一种高速列车铝合金墙板的成形方法。
背景技术
近年来，随着铁路运输高速化的发展，对轨道交通运输车辆提出了越来越高的要求，其中车体轻量化已成为现代化高速列车的重要标志，铝合金材料以其重量轻、耐蚀性好等优点成为轨道机车制造行业的理想材料。世界上在轨道车辆上正式采用铝合金材料是1952年的伦敦地铁，日本在轨道车辆上第一次采用铝合金材料是在1962年的山阳电铁上(2000系)。该车投入使用后，因其轻量化所带来的良好经济效益很快被社会所承认，从而铝合金车辆在全球得到迅速发展。就目前而言，全球铝合金结构车辆的数目已经超过了50000辆。因此，以铝合金为代表的轻合金材料的应用是汽车、高速列车等轨道交通轻量化的重点发展趋势。
铝合金墙板是组成列车车体的重要零件，对其成形质量要求很高。整体铝合金墙板生产方法主要有冲压方法和气胀成形方法。传统冲压方法容易在表面产生划痕，很难保证表面质量；气胀成形方法不易保证成形后墙板的壁厚要求，影响墙板强度。本发明针对原有气胀成形工艺，提出了一种新的成形工艺。本发明提出的新工艺有利于提供铝合金板的成形性能，既可满足墙板的尺寸要求及表面质量，又保证了成形后墙板的强度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺过程简单、成形表面质量好、尺寸精度高的高速列车铝合金墙板成形工艺方法。本发明的铝合金墙板成形工艺流程为：气压热拉深成形→超塑性胀形→切边，将气压拉深和超塑性胀形结合在一个成形工艺中，既满足了铝合金墙板的尺寸要求，又保证了成形后铝合金墙板的强度。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高速列车铝合金墙板的成形方法，该方法的实现依赖于成形模具，所述的成形模具主要包括成形模具主体、下模、第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈、第四压边圈、上模和下模底；所述的下模固定在成形模具主体上，所述的下模有一长方体拉深凹模空腔，拉深凹模空腔沿水平向的长边为L'1，短边为B'1，长边和短边间的过渡圆弧半径为R'1，沿垂直向的高为H'，拉深凹模与水平面的过渡圆角半径为r'1；在下模的拉深凹模空腔中套装有能够上下移动的下模底与拉深凹模空腔形成间隙配合，在下模底上沿垂直向开有贯穿下模底的下模气孔与气源相连；所述的上模固定在成形模具主体上，在所述的上模内部开有高度为h的拉深槽，拉深槽是长为b宽为a的矩形，且满足a<L'1，b<B'1，拉深槽的长边和短边间的过渡圆弧半径为R'，拉深槽与上模下底平面间的过渡圆角半径为r'；在所述的上模拉深槽底的中心处沿垂直向开有贯穿上模的上模气孔，上模气孔的一端与上模拉深槽相通，另一端与外界气源相通；所述上模的拉深槽槽口正对所述下模的拉深凹模空腔，所述上模的垂直中心对称线与所述下模的垂直中心对称线重合；四块压边圈分别为第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈和第四压边圈，每块压边圈均由成形模具主体上的压边装置施加压边力并能够单独对板材施加压边力；在所述的下模、上模和下模底中沿水平向均设置有加热保温装置；
本发明方法内容包括如下步骤：
步骤1、使成形模具中的下模底与下模的上表面保持在同一水平面上，将上、下表面涂有润滑剂的铝合金板放置于其上；用第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈和第四压边圈压住铝合金板的边缘，成形模具主体驱动上模下行，使上模下表面与铝合金板上表面接触；
步骤2、通过成形模具的加热保温装置，将铝合金板加热至温度T1并且保温，使整个铝合金板的温度均匀；T1为通过材料试验获得的该铝合金材料性能的热拉深最佳成形温度；
步骤3、用成形模具的压边装置分别对四块压边圈施加压边力，其中第一压边圈施加压边力F1，第二压边圈施加压边力F2，第三压边圈施加压边力F3，第四压边圈施加压边力F4，压边力F1、压边力F2、压边力F3和压边力F4为铝合金板拉深成形时所需要的最小压边力；将位于上模拉深槽底部的上模气孔打开与外界空气相通，从下模底的下模气孔向下模的拉深凹模空腔充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p1；p1为使反向拉深成形后铝合金板底部与上模拉深槽底部恰好接触时的成形压力；同时，下模底沿下模的拉深凹模空腔以速度v0向下移动，保证当反向拉深结束时或结束前，下模底向下移动到设定位置；铝合金板进行反向拉深成形，v0为反向拉深成形时下模底向下的移动速度；当气体压力增加至p1后，保持压力不变，反向拉深成形结束；此时加热保温装置对铝合金板进行加热，使铝合金板的温度从T1升高至T2，但低于铝合金材料的超塑性最佳成形温度，保压结束，撤去下模的拉深凹模空腔压力p1，此时，下模底下行至距下模上表面距离为H的位置处；T2为高于铝合金材料的热拉深最佳成形温度50～100℃，但低于铝合金材料的超塑性最佳成形温度；
步骤4、对第一压边圈施加压边力F'1，对第二压边圈施加压边力F'2，对第三压边圈施加压边力F'3，对第四压边圈施加压边力F'4，此时的压边力满足F'1>F1、F'2>F2、F'3>F3、F'4>F4；将下模底的下模气孔与外界空气相通，从位于上模拉深槽底部的上模气孔向上模拉深槽充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p2，p2为正向拉深成形后铝合金板底部与下模底恰好接触时的成形压力；此时，下模底在距下模上表面距离为H的位置处保持不动，铝合金板在气体压力的作用下进行正向拉深成形；当气体压力增加至p2后，保持压力不变；此时加热保温装置对铝合金板进行加热，使铝合金板的温度从T2升高至T3，T3为通过材料试验获得的该铝合金性能的超塑性最佳成形温度，此时气体压力从p2开始缓慢向p3增加，p3为超塑性胀形阶段保证铝合金墙板零件成形所需的最小压力；同时，下模底开始以速度v1向上运动，v1为超塑性胀形阶段下模底向上移动速度，由铝合金板性能和超塑性胀形压力p3的变化梯度共同决定，且压力变化的梯度与速度v1相匹配，铝合金板进入超塑性胀形阶段；当气体压力增加至p3时，下模底正好移动至距下模上表面距离为H0处；下模底在位置H0处保持不动，压力保持一段时间后卸载；撤去所有压力，打开成形模具，通过下模底顶出成形后的铝合金板，成形结束；将成形后的铝合金板零件采用冲压或机械方法进行切边及切除底部工步，最终获得所要求的铝合金墙板零件。
在本发明方法中，所述的压边力F1、F2、F3、F4，F'1、F'2、F'3、F'4可以采用恒定值，即采用恒定压边力条件；也可以设置为关于成形时间的函数，即变压边力条件。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种高速列车铝合金墙板的成形方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：
1.采用惰性气体作为传压介质，避免了成形过程中传力介质或模具对铝合金板表面的划伤，保证了成形后铝合金墙板的表面质量；
2.利用应变硬化理论，采用两侧反复加载，有利于提高铝合金板的成形性能；
3.将拉深成形工艺和超塑性胀形工艺结合在一起，通过拉深成形保证了成形后的壁厚分布，满足成形后铝合金墙板的强度要求；通过超塑性胀形充分发挥材料的塑性性能，可以防止成形后铝合金墙板的扭曲变形，降低成形后期所需的成形载荷，在较低载荷下保证铝合金墙板外形尺寸精度。
附图说明
图1为高速列车铝合金墙板零件主视图；
图2为图1高速列车铝合金墙板零件A-A向剖面图；
图3为本发明铝合金墙板成形方法步骤1和步骤2的主视剖面示意图；
图4为本发明铝合金墙板成形方法压边圈的分块示意图；
图5为本发明铝合金墙板成形方法反向拉深成形阶段主视剖面示意图；
图6为图5的E-E向剖面示意图；
图7为本发明铝合金墙板成形方法正向拉深成形阶段的主视剖面示意图；
图8为图7的I-I向剖面示意图；
图9为本发明铝合金墙板成形方法超塑性胀形阶段的主视剖面示意图；
图10为本发明铝合金墙板成形方法整个成形过程中铝合金板的温度变化曲线示意图；
图11为本发明铝合金墙板成形方法整个成形过程中下模底速度变化曲线示意图；
图12为本发明铝合金墙板成形方法整个成形过程中下模的拉深凹模空腔气压变化曲线示意图；
图13为本发明铝合金墙板成形方法整个成形过程中上模拉深槽气压变化曲线示意图；
图14为成形后的铝合金墙板零件切边和切底位置示意图。
图中：1、下模，2、加热保温装置，3、第一压边圈，4、第二压边圈，5、第三压边圈，6、第四压边圈，7、上模，8、铝合金板，9、下模底，10、上模气孔，11、下模气孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1所示为高速列车铝合金墙板零件的主视图，图2所示为图1沿A-A向的剖面图，该高速列车铝合金墙板零件的长为L、宽为B，翻边内孔的长为L1、宽B1，翻边垂直高度为H1，其中，翻边内孔长边和短边的过渡圆弧半径为R，翻边内孔与墙板平面之间的过渡圆角半径为r。
图1-2所示高速列车铝合金墙板零件的成形方法，该方法的实现依赖于成形模具，如图3和图4所示，所述的成形模具主要包括成形模具主体、下模1、第一压边圈3、第二压边圈4、第三压边圈5、第四压边圈6、上模7和下模底9；所述的下模1固定在成形模具主体上，所述的下模1有一长方体拉深凹模空腔，拉深凹模空腔沿水平向的长边为L'1，短边为B'1，长边和短边间的过渡圆弧半径为R'1，沿垂直向的高为H'，拉深凹模与水平面的圆角半径为r'1；在下模1的拉深凹模空腔中套装有能够上下移动的下模底9与拉深凹模空腔形成间隙配合，在下模1底上沿垂直向开有贯穿下模底的下模气孔11与气源相连；所述的上模7固定在成形模具主体上，在所述的上模7内部开有高度为h的拉深槽，拉深槽是长为b宽为a的矩形，且满足b<L'1，a<B'1，拉深槽的长边和短边间的过渡圆弧半径为R'，拉深槽平面与上模7下底平面之间的圆角半径为r'；在所述的上模7的拉深槽底的中心处沿垂直向开有贯穿上模的上模气孔10，上模气孔10的一端与上模7的拉深槽相通，另一端与外界气源想通；所述上模7的拉深槽槽口正对所述下模1的拉深凹模空腔，所述上模7的垂直中心对称线与所述下模1的垂直中心对称线重合；四块压边圈由分别为第一压边圈3、第二压边圈4、第三压边圈5和第四压边圈6，每块压边圈均由成形模具主体上的压边装置施加压边力并能够单独对板材施加压边力；在所述的下模1、上模7和下模底9中沿水平向均设置有加热保温装置2；加热保温装置2中的加热装置采用加热棒加热或者油浴加热方式。
所述的加热保温装置采用加热棒或者油浴加热两种加热方式。
在该成形模具中：下模1的拉深凹模空腔尺寸满足L'1＝L1，B'1＝B1，R'1＝R，r'1＝r，H'＞H1；上模7的拉深槽的尺寸满足：b+r'≤L'1+r'1，a+r'≤B'1+r'1，h＞H1。
首先按照图10所示设置好成形过程中铝合金板8的温度控制曲线，其中T1为铝合金热拉深最佳成形温度，T2高于铝合金热拉深最佳成形温度50～100℃，但低于铝合金材料的超塑性最佳成形温度。T3为铝合金超塑性成形最佳成形温度，这三个成形温度均根据铝合金板的材料性能试验获得；按照图12所示和图13所示分别设置好成形模具下模的拉深凹模空腔和上模拉深槽的气压变化曲线，以及下模底9的速度曲线，并且保证三者之间的对应关系。然后，将成形模具中的下模底9与下模1的上表面保持在同一水平面上，将上、下表面涂有润滑剂的铝合金板8放置于其上；用第一压边圈3、第二压边圈4、第三压边圈5和第四压边圈6压住铝合金板8的边缘，成形模具主体驱动上模7下行，使上模7的下表面与铝合金板8的上表面接触。通过模具的加热保温装置2将铝合金板8加热至温度T1。然后，分别对四块压边圈施加压边力，其中第一压边圈3施加压边力F1，第二压边圈4施加压边力F2，第三压边圈5施加压边力F3，第四压边圈6施加压边力F4；压边施加结束后，将位于上模7的拉深槽底部的上模气孔10打开与外界空气相通，从下模底9的下模气孔11向下模的拉深凹模空腔充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p1(使反向拉深成形后铝合金板底部与上模的拉深槽底部恰好接触时的成形压力)，同时，下模底9沿下模的拉深凹模空腔以速度v0(反向拉深成形时，下模底向下移动速度，保证当反向拉深结束时或结束前，下模底向下移动到设定位置)向下移动，铝合金板在气体压力的作用下进行反向拉深成形，当气体压力增加至p1后，保持压力p1不变，反向拉深成形结束；此时加热保温装置对铝合金板8进行加热，使铝合金板8的温度从T1升高至T2，保压结束，撤去下模的拉深凹模空腔压力p1，此时，下模底9下行至距下模1上表面距离为H的位置处。对第一压边圈3施加压边力F'1，第二压边圈4施加压边力F'2，第三压边圈5施加压边力F'3，第四压边圈6施加压边力F'4；下模底9的下模气孔11与外界空气相通，从位于上模7拉深槽底部的上模气孔10向上模7的拉深槽充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p2(正向拉深成形后铝合金板底部与下模底恰好接触时的成形压力)，铝合金板在气体压力的作用下进行正向拉深成形，此时，下模底9在距下模1上表面距离为H的位置处保持不动。当气体压力增加至p2后，保持压力不变；此时加热保温装置2对铝合金板8进行加热，使铝合金板8的温度从T2升高至T3；此时气体压力从p2开始缓慢向p3(超塑性胀形阶段，保证铝合金墙板零件成形所需的最小压力)增加，同时，下模底9开始以速度v1(超塑性胀形阶段，下模底向上移动速度，由铝合金板性能和超塑性胀形压力p3的变化梯度共同决定)向上运动，且压力p3变化的梯度与速度v1相匹配，铝合金板进入超塑性胀形阶段；当气体压力增加至p3时，下模底9正好移动至距下模1上表面距离为H0(H0大于铝合金墙板翻边高度H1)处。下模底9在位置H0处保持不动，压力保持一段时间后卸载。撤去所有压力，打开成形模具，通过下模底9顶出成形后的铝合金板8，成形结束。最后将成形后的铝合金板8按照图14所示的位置进行切边以及切底工步，最终获得铝合金墙板零件。
Claims (4)
1.一种高速列车铝合金墙板的成形方法，其特征在于：该方法的实现依赖于成形模具，所述的成形模具主要包括成形模具主体、下模、第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈、第四压边圈、上模和下模底；所述的下模固定在成形模具主体上，所述的下模有一长方体拉深凹模空腔，拉深凹模空腔沿水平向的长边为L'1，短边为B'1，长边和短边间的过渡圆弧半径为R'1，沿垂直向的高为H'，拉深凹模与水平面的过渡圆角半径为r'1；在下模的拉深凹模空腔中套装有能够上下移动的下模底与拉深凹模空腔形成间隙配合，在下模底上沿垂直向开有贯穿下模底的下模气孔与气源相连；所述的上模固定在成形模具主体上，在所述的上模内部开有高度为h的拉深槽，拉深槽是长为b宽为a的矩形，且满足a<L'1，b<B'1，拉深槽的长边和短边间的过渡圆弧半径为R'，拉深槽与上模下底平面间的过渡圆角半径为r'；在所述的上模拉深槽底的中心处沿垂直向开有贯穿上模的上模气孔，上模气孔的一端与上模拉深槽相通，另一端与外界气源相通；所述上模的拉深槽槽口正对所述下模的拉深凹模空腔，所述上模的垂直中心对称线与所述下模的垂直中心对称线重合；四块压边圈分别为第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈和第四压边圈，每块压边圈均由成形模具主体上的压边装置施加压边力并能够单独对板材施加压边力；在所述的下模、上模和下模底中沿水平向均设置有加热保温装置，
该方法内容包括如下步骤：
步骤1、使成形模具中的下模底与下模的上表面保持在同一水平面上，将上、下表面涂有润滑剂的铝合金板放置于其上；用第一压边圈、第二压边圈、第三压边圈和第四压边圈压住铝合金板的边缘，成形模具主体驱动上模下行，使上模下表面与铝合金板上表面接触；
步骤2、通过成形模具的加热保温装置，将铝合金板加热至温度T1并且保温，使整个铝合金板的温度均匀；T1为通过材料试验获得的该铝合金材料性能的热拉深最佳成形温度；
步骤3、用成形模具的压边装置分别对四块压边圈施加压边力，其中第一压边圈施加压边力F1，第二压边圈施加压边力F2，第三压边圈施加压边力F3，第四压边圈施加压边力F4，压边力F1、压边力F2、压边力F3和压边力F4为铝合金板拉深成形时所需要的最小压边力；将位于上模拉深槽底部的上模气孔打开与外界空气相通，从下模底的下模气孔向下模的拉深凹模空腔充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p1；p1为使反向拉深成形后铝合金板底部与上模拉深槽底部恰好接触时的成形压力；同时，下模底沿下模的拉深凹模空腔以速度v0向下移动，保证当反向拉深结束时或结束前，下模底向下移动到设定位置；铝合金板进行反向拉深成形，v0为反向拉深成形时下模底向下的移动速度；当气体压力增加至p1后，保持压力不变，反向拉深成形结束；此时加热保温装置对铝合金板进行加热，使铝合金板的温度从T1升高至T2，但低于铝合金材料的超塑性最佳成形温度，保压结束，撤去下模的拉深凹模空腔压力p1，此时，下模底下行至距下模上表面距离为H的位置处；T2为高于铝合金材料的热拉深最佳成形温度50～100℃，但低于铝合金材料的超塑性最佳成形温度；
步骤4、对第一压边圈施加压边力F'1，对第二压边圈施加压边力F'2，对第三压边圈施加压边力F'3，对第四压边圈施加压边力F'4，此时的压边力满足F'1>F1、F'2>F2、F'3>F3、F'4>F4；将下模底的下模气孔与外界空气相通，从位于上模拉深槽底部的上模气孔向上模拉深槽充入惰性气体，气体压力从0逐渐增加至p2，p2为正向拉深成形后铝合金板底部与下模底恰好接触时的成形压力；此时，下模底在距下模上表面距离为H的位置处保持不动，铝合金板在气体压力的作用下进行正向拉深成形；当气体压力增加至p2后，保持压力不变；此时加热保温装置对铝合金板进行加热，使铝合金板的温度从T2升高至T3，T3为通过材料试验获得的该铝合金性能的超塑性最佳成形温度，此时气体压力从p2开始缓慢向p3增加，p3为超塑性胀形阶段保证铝合金墙板零件成形所需的最小压力；同时，下模底开始以速度v1向上运动，v1为超塑性胀形阶段下模底向上移动速度，由铝合金板性能和超塑性胀形压力p3的变化梯度共同决定，且压力变化的梯度与速度v1相匹配，铝合金板进入超塑性胀形阶段；当气体压力增加至p3时，下模底正好移动至距下模上表面距离为H0处；下模底在位置H0处保持不动，压力保持一段时间后卸载；撤去所有压力，打开成形模具，通过下模底顶出成形后的铝合金板，成形结束；将成形后的铝合金板零件采用冲压进行切边及切除底部工步，最终获得所要求的铝合金墙板零件。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车铝合金墙板的成形方法，其特征在于：所述的压边力F1、F2、F3、F4，F'1、F'2、F'3、F'4可以采用恒定值，即采用恒定压边力条件；也可以设置为关于成形时间的函数，即变压边力条件。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车铝合金墙板的成形方法，其特征在于：所述的加热保温装置采用加热棒加热方式。
4.根据权利要求1所述的一种高速列车铝合金墙板的成形方法，其特征在于：所述的加热保温装置采用油浴加热方式。
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