CN109604409B - 用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具 - Google Patents

用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具，其中，该方法包括：获取异形钣金件结构特点及尺寸，并确定针对该异形钣金件的一模两件加工件的结构参数；根据上述结构参数，确定选用的板材，其中，板材厚度比异形钣金件厚度大0～0.5mm；对板材进行超塑成形加工，得到异形钣金件的一模两件加工件；而后将一模两件加工件放置在防变形工装上，并在预定位置放置防变形压块，在一模两件加工件冷却至室温后，对其进行机械切割，得到制备好的异形钣金件。本发明解决了相关技术中铝合金异形钣金件外形精度加工控制困难，造成表面质量差和壁厚减薄严重的技术问题。

Description

用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具
技术领域
本发明属于精密钣金加工领域，涉及一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具。
背景技术
铝合金因具有优异的使用性能，在航空航天、轨道交通、武器装备等领域应用十分广泛。在轨道交通领域，铝合金异形钣金件的整体化、轻量化程度也越来越高，制造精度要求也越来越严苛。在钣金成形领域，铝合金异形钣金件常用制造方法主要有冷冲压成形和热冲压成形两种。相关技术中，由于常温下铝合金延伸率不高，容易产生较大回弹，故冷冲压成形制备的铝合金异形钣金件容易开裂，尺寸精度和型面精度难以保证；高温下铝合金延伸率有所提高，但热冲压成形制备的铝合金异形钣金件易产生褶皱缺陷，或局部减薄严重，常存在表面质量较低的缺陷。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法和加工模具，以至少解决相关技术中铝合金异形钣金件外形精度加工控制困难，造成表面质量差和壁厚减薄严重的技术问题。
本发明的技术解决方案是：一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法，包括：获取所述异形钣金件结构特点及尺寸，并确定针对所述异形钣金件的一模两件加工件的结构参数；根据所述结构参数，确定选用的板材，其中，所述板材厚度比所述异形钣金件厚度大0～0.5mm；对所述板材进行超塑成形加工，得到所述一模两件加工件；将所述一模两件加工件放置在防变形工装上，并在预定位置放置防变形压块，在所述一模两件加工件冷却至室温后，对其进行机械切割，得到制备好的异形钣金件。
可选的，在根据所述结构参数，确定所述选用的板材之前，还包括：根据所述一模两件加工件的结构参数，确定超塑成形加工模具的尺寸，并制作所述加工模具，其中，所述一模两件加工件左右对称，其左半边或右半边与所述异形钣金件形状相同，尺寸相差预定工艺余量，其中，所述预定工艺余量为10～50mm。
可选的，所述加工模具包括：上模、下模和定位挡板，其中，所述上模包括密封凸起、上模型腔和进气孔；所述下模包括密封凹槽和下模型腔，所述下模型腔的上表面与所述一模两件加工件外型一致，所述密封凹槽内部各处深度相同，且所述密封凹槽底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出5～20mm；所述密封凸起和密封凹槽分别位于所述上模的边缘和所述下模的边缘，所述密封凸起的凸台高度与所述密封凹槽的深度相同，共同组成与所述一模两件加工件边缘形状一致的密封结构。
可选的，对所述板材进行超塑成形加工，得到所述一模两件加工件，包括：对所述加工模具进行加热，待所述加工模具到预定温度后，将所述板材放入所述加工模具中，并进行保温处理；在进行第一预订时长的保温处理后，将所述加工模具的上模与下模闭合；通过所述进气孔，根据预定曲线变化的压力对所述加工模具的腔体通入气体，在所述压力达到预定压力时，进行保压处理；在进行第二预订时长的保压处理后，停止通入气体，得到所述一模两件加工件。
可选的，在得到所述制备好的铝合金异形钣金件之后，还包括：采用机械加工的方式，对所述制备好的铝合金异形钣金件去除工艺余量，然后采用碱洗，和/或，酸洗的方式对其进行表面清洁。
可选的，所述加工模具材料为45号钢或304不锈钢。
可选的，所述板材为5083铝合金或5A06铝合金。
可选的，所述预定温度范围为450～500℃，所述气体压力变化范围为0.1～3MPa，所述气体为以下任意之一：压缩空气、氩气、氮气。
可选的，所述防变形工装和所述防变形压块材料为20号钢，其中，所述防变形工装与所述一模两件加工件外型一致，所述防变形压块与所述一模两件加工件预定位置外型一致。
根据本发明的另一方面，还提出了另一种技术解决方案：一种用于铝合金异形钣金件超塑成形的加工模具，包括：上模、下模和定位挡板，其中，所述上模包括密封凸起、上模型腔和进气孔；所述下模包括密封凹槽和下模型腔，其中，所述下模型腔的上表面与所述异形钣金件加工件外型一致，所述密封凹槽内部各处深度相同，且所述密封凹槽底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出5～20mm；所述密封凸起和密封凹槽分别位于所述上模的边缘和所述下模的边缘，所述密封凸起的凸台高度与所述密封凹槽的深度相同，共同组成与所述异形钣金件加工件边缘形状一致的密封结构。
本发明与相关技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了超塑成形的制备方法，可以有效控制制备的轨道交通用异形钣金件的壁厚局部减薄现象，使制备的异形钣金件壁厚均匀性好；
(2)本发明还采用了一模两件的加工方式，使异形钣金件的一模两件加工件在加工成形过程中受力对称，能提高铝合金异形钣金件的制备成形能力，进而提高生产效率，降低生产成本。
(3)本发明还对加工模具采用了周边密封凹槽深度高于模型腔边缘预定尺寸的设计，该设计能避免高温加工中褶皱缺陷的产生，又能增加异形钣金件制备成形后的整体刚度，进而防止出现取件过程中的变形问题。
故本发明所提出的用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法，通过采用一模两件超塑成形制备方案和特定的加工模具设计方式，解决了相关技术中铝合金异形钣金件外形精度加工控制困难，造成表面质量差和壁厚减薄严重的技术问题，达到了所加工制备的轨道交通用铝合金异形钣金件整体性能好，尺寸精度、型面精度、表面质量及生产效率均较高的技术效果。
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的用于铝合金异形钣金件超塑成形的加工模具的结构框图；
图3为根据本发明优选实施例的异形钣金件结构示意图；
图4为根据本发明优选实施例的铝合金异形钣金件一模两件加工件示意图；
图5为根据本发明优选实施例的加工模具结构示意图；
图6为根据本发明优选实施例的异形钣金件超塑成形加工模具的上模结构示意图；
图7为根据本发明优选实施例的异形钣金件超塑成形加工模具的下模结构示意图；
图8为根据本发明优选实施例的选用板材尺寸示意图；
图9为根据本发明优选实施例的异形钣金件的一模两件加工件成形后示意图；
图10为根据本发明优选实施例的异形钣金件的一模两件加工件冷却示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图描述本发明实施例。
根据本发明实施例，提供了一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备的方法实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101，获取异形钣金件结构特点及尺寸，并确定针对该异形钣金件的一模两件加工件的结构参数。
其中，该异形钣金件可以包括：异形曲面，上平面、下平面，且左端和右端可以为非对称形式，即该异形钣金件为平面+异形曲面结合的结构，可以用于轨道交通领域车身内饰件，如轻轨、地铁、高铁、火车等轨道交通用车内饰。该异形钣金件材料可以为铝合金，如5A06铝合金、5083铝合金等。
一模两件即为用一套模具同时生产两个零件的方式，其中，上述两个零件可以为尺寸相同、上下对称的方式排列连接，也可以为尺寸相同、左右对称的方式排列连接。
步骤S102，根据上述结构参数，确定选用的板材，其中，板材厚度比异形钣金件厚度大0～0.5mm。
其中，上述对板材的确定过程中的参考参数可以包括板材类型、板材型号、板材形状、板材尺寸等，该板材尺寸可以包括长度、宽度、厚度等。因本发明实施例采用超塑成形的制备方法，在加工过程中使板材微减薄的效果明显，故本发明实施例的制备方法中可以选用厚度与待制备的异形钣金件厚度相差极细微尺寸的板材，其中，该板材厚度可以与异形钣金件厚度相同，也可以为相差0.2mm或0.5mm以内的厚度尺寸。
步骤S103，对板材进行超塑成形加工，得到异形钣金件的一模两件加工件。
步骤S104，将一模两件加工件放置在防变形工装上，并在预定位置放置防变形压块，在一模两件加工件冷却至室温后，对其进行机械切割，得到制备好的异形钣金件。
其中，该机械切割可以为对一模两件加工件工艺余量的切割，也可以为在其中心位置对左件和右件的切割。
与相关技术相比，本发明由于采用了超塑成形的制备方法，可以有效控制制备的轨道交通用异形钣金件的壁厚局部减薄现象，从而使制备的异形钣金件壁厚均匀性好。同时，本发明还采用了一模两件的加工方式，使加工过程中异形钣金件的一模两件加工件成形过程中受力对称，能提高铝合金异形钣金件的制备成形能力，进而提高生产效率，降低生产成本。同时，本发明还对加工模具采用了周边密封凹槽深度高于模型腔边缘预定尺寸的设计，该设计能避免高温加工中褶皱缺陷的产生，又能增加异形钣金件制备成形后的整体刚度，进而防止出现取件过程中的变形问题。
故本发明所提出的用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法，通过采用一模两件超塑成形制备方案和特定的加工模具设计方式，解决了相关技术中铝合金异形钣金件外形精度加工控制困难，造成表面质量差和壁厚减薄严重的技术问题，达到了所加工制备的轨道交通用铝合金异形钣金件整体性能好，尺寸精度、型面精度、表面质量及生产效率均较高的技术效果。
可选的，在根据结构参数，确定选用的板材之前，还可以包括：根据一模两件加工件的结构参数，确定超塑成形加工模具的尺寸，并制作加工模具，其中，一模两件加工件左右对称，其左半边或右半边与异形钣金件形状相同，尺寸相差预定工艺余量，其中，预定工艺余量为10～50mm。需要说明的是，上述10～50mm的尺寸范围是针对本发明实施例中异形钣金件的最优余量范围。当预定工艺余量小于10mm时，加工过程中容易增加后续机械切割难度，从而降低机械切割效率和加工合格率；而当预定工艺余量大于50mm时，又容易造成原材料浪费。故上述预定工艺余量选用10～50mm范围内尺寸值，有利于进一步提高生产效率，控制生产成本。
进一步的，该加工模具内腔形状与上述一模两件加工件形状可以为全部对应相同，或部分对应相同的状态。且内腔尺寸较上述一模两件加工件尺寸略微放大，其放大量可以为一模两件加工件尺寸的3‰～7‰，优选的，该放大量可以为5‰。通过该设置，才可以使板材放入加工模具中后，根据上述制备方案，在加工模具中生成符合尺寸要求的一模两件加工件。
需要说明的是，通过上述一模两件的加工方式，使加工过程中异形钣金件的一模两件加工件成形过程中受力对称，能提高铝合金异形钣金件的制备成形能力，进而提高生产效率，降低生产成本。
优选的，上述加工模具可以包括：上模、下模和定位挡板，其中，上述上模包括密封凸起、上模型腔和进气孔；上述下模包括密封凹槽和下模型腔。其中，下模型腔的上表面与一模两件加工件外型一致，密封凹槽内部各处深度相同，且密封凹槽底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出5～20mm，优选的，可以为15mm；且上述密封凸起和密封凹槽分别位于上模的边缘和下模的边缘，密封凸起的凸台高度与密封凹槽的深度相同，共同组成与一模两件加工件边缘形状一致的密封结构。上述进气孔位于上模的左侧或右侧。优选的，上述密封凹槽的宽度比密封凸起的凸台宽度大2倍板材厚度的尺寸，即若板材厚度为2mm，则密封凹槽的宽度比密封凸起的凸台宽度大4mm。
上述加工模具的设计方式，采用了设置与一模两件加工件边缘形状一致的密封结构，且采用密封凹槽深度高于模型腔边缘预定尺寸的设计，既避免了高温加工中褶皱缺陷的产生，又能通过对高出的预定尺寸的设置来控制加工过程中的板材减薄情况，实现微减薄效果，还增加了异形钣金件制备成形后的整体刚度，进而防止出现取件过程中的变形问题。
可选的，对板材进行超塑成形加工，得到一模两件加工件，可以包括：对加工模具进行加热，待加工模具到预定温度后，将板材放入加工模具中，并进行保温处理；在进行第一预订时长的保温处理后，将加工模具的上模与下模闭合；通过进气孔，根据预定曲线变化的压力对加工模具的腔体通入气体，在压力达到预定压力时，进行保压处理；在进行第二预订时长的保压处理后，停止通入气体，得到一模两件加工件。
其中，上述预定温度范围为450～500℃，优选的，可以为470℃；上述气体压力变化范围为0.1～3MPa，优选的，可以为0.8MPa；上述气体为以下任意之一：压缩空气、氩气、氮气；上述第一预订时长范围为3～5min，优选的，可以为4min；上述第二预订时长范围为1～3min，优选的，可以为2min。
为了进一步提高制备精度，在得到制备好的异形钣金件之后，还可以包括：采用机械加工的方式，对制备好的铝合金异形钣金件去除工艺余量，然后采用碱洗，和/或，酸洗的方式对其进行表面清洁。
根据加工成本和设备要求，上述加工模具材料可以为45号钢或304不锈钢，上述板材可以为5083铝合金或5A06铝合金。
为进一步降低变形几率，对板材进行超塑成形加工得到一模两件加工件后，本发明实施例还将一模两件加工件放置在防变形工装上，并在预定位置放置防变形压块进行冷却。其中，上述防变形工装和防变形压块材料可以为20号钢，且防变形工装与一模两件加工件外型一致，防变形压块与一模两件加工件预定位置外型一致。上述预定位置可以根据待制备的异形钣金件加工过程中易变形位置而定。
根据本发明实施例，还提供了一种用于铝合金异形钣金件超塑成形的加工模具，图2为根据本发明实施例的用于铝合金异形钣金件超塑成形的加工模具的结构框图，如图2所示，该加工模具包括：上模22、下模24和定位挡板26。下面对该加工模具进行说明。
上模22，可以连接与定位挡板26，其中，上模22中包括密封凸起、上模型腔和进气孔；
下模24，，可以连接与定位挡板26，其中，下模24包括密封凹槽和下模型腔，下模型腔的上表面与异形钣金件加工件外型一致，密封凹槽内部各处深度相同，且密封凹槽底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出5～20mm。
其中，上述密封凸起和密封凹槽分别位于上模的边缘和下模的边缘，密封凸起的凸台高度与密封凹槽的深度相同，共同组成与异形钣金件加工件边缘形状一致的密封结构。
根据本发明实施例，还提供了一种用于交通车身的铝合金异形钣金件制备的优选方法实施例。
其中，图3为根据本发明优选实施例的异形钣金件结构示意图，如图3所示，该异形钣金件材料为5083铝合金，厚度为2mm，三维尺寸为150×600×900mm，其要求为制备好的异形钣金件厚度不得不小于1.8mm。
该优选实施例根据如下流程进行制备加工：
步骤S301：根据铝合金异形钣金件的结构特点及尺寸，确定一模两件的超塑成形制备方案。
图4为根据本发明优选实施例的铝合金异形钣金件一模两件加工件示意图，如图4所示，一模两件加工件由尺寸相同的左件和右件左右对称组成，其中，左件与异形钣金件的形状相同，尺寸相差50mm的工艺余量，因异形钣金件直线边长为900mm、曲线边长为750mm、壁厚为2mm，故一模两件加工件直线边长为1900mm、曲线边长为750mm、壁厚为2mm。
步骤S302：根据一模两件加工件尺寸，设计超塑成形加工模具，其中，该加工模具内腔尺寸按照一模两件加工件尺寸进行适当放大，放大系数为5‰。
图5为根据本发明优选实施例的加工模具结构示意图，如图5所示，该加工模具由上模22、下模24和定位挡板26组成。
其中，图6为根据本发明优选实施例的异形钣金件超塑成形加工模具的上模结构示意图，如图6所示，上模22由密封凸起31、上模型腔32和进气孔33组成。密封凸起31为分布在上模边缘一周，同一模两件加工件边缘一周随型的凸台，凸台高度为10mm、宽度为5mm；上模型腔32为与上模22外表面平行的平面，且平面与上模边缘最低处相切；进气孔33为位于上模22左端立面上的通孔，孔径为8mm。
其中，图7为根据本发明优选实施例的异形钣金件超塑成形加工模具的下模结构示意图，如图7所示，下模24由密封凹槽34、下模型腔35组成，下模型腔35尺寸同一模两件加工件放大5‰后一致，密封凹槽34为分布在下模边缘一周，同一模两件加工件边缘一周随型的凹槽，密封凹槽34深度同密封凸起31凸台高度一致、其底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出15mm，其宽度比密封凸起31宽度大4mm。具体的，该加工模具长2000mm、宽760mm、曲边长850mm，材料为45号钢。
步骤S303：根据加工模具尺寸及一模两件加工件尺寸，选择所需铝合金板材36的尺寸，图8为根据本发明优选实施例的选用板材尺寸示意图，如图8所示，板材36需要选用长度为2000mm，宽度为850mm，壁厚为2mm的铝合金板材。尺寸定好后，将板材下料。
步骤S304：对加工模具进行加热，超塑成形温度选取470℃。到达超塑成形温度后，将板材36放入加工模具上模22和下模24内，并由定位挡板26限位。保温3～5min后，上模22向下运动同下模24闭合，上模22同板材36形成密闭腔。进一步，通过上模22上的进气孔33连通密闭腔与外界的氩气气源，按照设定的时间压力加载曲线向板材通氩气进行加压成形。当氩气压力达到0.8MPa进行保压，保压2min后进行气压卸载。图9为根据本发明优选实施例的异形钣金件的一模两件加工件成形后示意图，如图9所示，气压卸载后即可得到上述一模两件加工件。
步骤S305：将上述超塑成形后得到的一模两件加工件放置在防变形工装37上，并在一模两件加工件对应位置放置防变形压块38，进行冷却处理。图10为根据本发明优选实施例的异形钣金件的一模两件加工件冷却示意图，如图10所示，直至上述一模两件加工件冷却至室温
其中，上述防变形工装37和防变形压块38材料为20号钢，防变形压块38重量为5kg。
步骤S306：采用数控铣方式对上述一模两件加工件去除工艺余量，并在其中心位置及周围进行机械切割加工出左件和右件，而后采用碱洗、酸洗进行表面清洁。
经应用后对成品进行检测，采用本发明优选实施例的制备方法加工出的铝合金异形钣金件尺寸精度为±0.1mm，型面精度±0.3mm，表面粗糙度Ra3.2，壁厚可控制在
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且加工成本比现有技术节约了20％，加工效率提高了30％。达到了加工制备的轨道交通用铝合金异形钣金件整体性能好，尺寸精度、型面精度、表面质量及生产效率均较高的技术效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种用于轨道交通的铝合金异形钣金件制备方法，其特征在于，包括：
获取所述异形钣金件结构特点及尺寸，并确定针对所述异形钣金件的一模两件加工件的结构参数；
根据所述结构参数，确定选用的板材，其中，所述板材厚度比所述异形钣金件厚度大0～0.5mm；
对所述板材进行超塑成形加工，得到所述一模两件加工件；
将所述一模两件加工件放置在防变形工装上，并在预定位置放置防变形压块，在所述一模两件加工件冷却至室温后，对其进行机械切割，得到制备好的异形钣金件；
其中，在根据所述结构参数，确定所述选用的板材之前，还包括：根据所述一模两件加工件的结构参数，确定超塑成形加工模具的尺寸，并制作所述加工模具，其中，所述一模两件加工件左右对称，其左半边或右半边与所述异形钣金件形状相同，尺寸相差预定工艺余量，其中，所述预定工艺余量为10～50mm；
所述加工模具包括：上模、下模和定位挡板，其中，所述上模包括密封凸起、上模型腔和进气孔；所述下模包括密封凹槽和下模型腔，所述下模型腔的上表面与所述一模两件加工件外型一致，所述密封凹槽内部各处深度相同，且所述密封凹槽底部比对应位置的下模型腔边缘部位高出5～20mm；所述密封凸起和密封凹槽分别位于所述上模的边缘和所述下模的边缘，所述密封凸起的凸台高度与所述密封凹槽的深度相同，共同组成与所述一模两件加工件边缘形状一致的密封结构；
其中，所述密封凹槽的宽度比所述密封凸起的凸台宽度大2倍所述板材厚度的尺寸；
对所述板材进行超塑成形加工，得到所述一模两件加工件，包括：对所述加工模具进行加热，待所述加工模具到预定温度后，将所述板材放入所述加工模具中，并进行保温处理；在进行第一预订时长的保温处理后，将所述加工模具的上模与下模闭合；通过所述进气孔，根据预定曲线变化的压力对所述加工模具的腔体通入气体，在所述压力达到预定压力时，进行保压处理；在进行第二预订时长的保压处理后，停止通入气体，得到所述一模两件加工件；
其中，所述预定温度范围为450～500℃，所述气体压力变化范围为0.1～3MPa，所述气体为以下任意之一：压缩空气、氩气、氮气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到所述制备好的铝合金异形钣金件之后，还包括：
采用机械加工的方式，对所述制备好的铝合金异形钣金件去除工艺余量，然后采用碱洗，和/或，酸洗的方式对其进行表面清洁。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工模具材料为45号钢或304不锈钢。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述板材为5083铝合金或5A06铝合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述防变形工装和所述防变形压块材料为20号钢，其中，所述防变形工装与所述一模两件加工件外型一致，所述防变形压块与所述一模两件加工件预定位置外型一致。
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