CN112692149B - 一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，属于气体成形技术领域，本发明为了解决采用传统热冲压工艺对带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件进行成形加工时模具成本高，回弹大形状误差很大的问题，本发明主要通过优化上下模具，在原有的模具中增加气胀进气口和真空抽气孔，利用气胀成形及真空吸塑两种工艺结合的方法对带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件进行成形加工，本发明主要用于轨道车辆铝合金蒙皮中带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件的成形加工。

Description

一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法
技术领域
本发明属于气体成形技术领域，具体涉及一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法。
背景技术
伴随新时代对轨道交通发展提出的新要求，轻量化、节能减排、绿色环保成为发展的主旋律。一些高性能铝合金、钛合金、镁合金、高温合金、高强钢等材料因较理想地满足要求而被研究应用。铝合金更是因其耐腐蚀、表面质量好的特点广受青睐。除了采用轻质材料外，优化车头蒙皮结构，对于有效减少高铁在运行时所产生的空气阻力、气动声噪、交汇压力波也具有明显作用，故覆盖件形状也愈发复杂。我国也正在全力推进全铝列车的建设工作，在设计上如窗框、门把手等位置均存在着矮阶梯圆角的结构特征，其大小一般为壁厚的1～2倍之间，属于难成形位置，需要新的技术产出解决此类问题。
目前我国针对大型铝合金常采用方案即是热冲压成形，其模具上模与下模均有特定形状，在加热至指定温度时进行合模，当板材与下模贴合后，即可完成生产。采用这种方法相对冷冲压可以降低设备吨位、且成形速度较快，壁厚分布相对均匀，但存在着法兰区起皱、回弹大成形精度难以保证等缺陷，同时对于较复杂的形状成形模具加工成本很高。
但是这种热冲压成形方法对于形状愈加复杂的列车铝蒙皮来说，难以保证其多曲率的空间结构精确性，针对这一问题，研发一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法是很符合实际需要的。
发明内容
本发明为了解决采用传统热冲压工艺对带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件进行成形加工时模具成本高，回弹大形状误差很大的问题，进而提供一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法；
一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，所述方法是通过以下步骤进行的：
步骤一：模具设计：针对轨道列车用含矮阶梯圆角特征的大型铝合金覆盖件设计上下模形状和尺寸，在下模设置气胀进气孔，上模腔为修正后的零件形状，在阶梯圆角位置开设真空吸气孔；
步骤二：板料处理：根据钣金件尺寸切割下料，用空气压缩机在板料的上下表面均匀喷涂上石墨液；
步骤三：成形准备：将模具安装在超塑成形专用压力机上，并在模具的对应位置焊接好气胀进气管以及真空抽气管，从指定位置分别使气胀进气管接气瓶，真空抽气管接真空泵，使压力机升至目标温度，再打开工作台平稳放置板料，使板料在压力机中保温，按照制定的预成形工艺合模加压封边，保证密封槽被板材充分填满；
步骤四：气胀成形及真空吸塑：通过气胀进气管通入胀性气体进行气胀成形，按照模拟工艺参数严格控制加压曲线，待基本贴模后开启真空泵，成形阶梯圆角，再保温保压60min，两种工艺同步进行；
步骤五：零件取出：保持真空泵常开，逐渐卸掉气体压力，在较低气压下关闭真空泵，开模后取出零件；
步骤六：后期处理：对出炉件粗切与精切，特定的表面处理后，得到工件的高精度尺寸，矮阶梯圆角符合技术要求的大型复杂曲面铝合金列车覆盖件；
进一步地，所述步骤一中采用目数由低至高的砂纸对铝合金板材表面存在异物或油污的部位进行机械打磨，保证待成形板坯表面无明显深划痕及其他可见缺陷；
进一步地，所述步骤一中涉及的上下模具包括加工密封槽、测温孔和导向斜台，且上下模具中至少一侧模具开设矩形密封槽，模腔形状根据零件及模拟计算设计，一侧模具在中部开设进气孔，另一侧模具必须在难成形阶梯圆角位置开设抽气孔，且抽气孔半径应小于等于零件目标圆角半径；
进一步地，所述步骤二中的板料在切割下料时需补偿30～50mm的加工余量，润滑剂和脱模剂使用石墨水剂全面喷涂，并静置10min；
进一步地，所述步骤三中气胀进气管以及真空抽气管上分别设有一个压力阀；
进一步地，所述步骤三中用控温系统将设备以平均2℃/min的速度升至460～480℃，再将前处理的板材放入炉膛中，在470～500℃温度间保温10min，按照预定工艺合模，施加压边力，保证密封；
进一步地，所述步骤四中所用的胀性气体为氮气：
进一步地，所述步骤四中压力控制采用模拟输出曲线控制，最大加压为3MPa，当气体压力达到2MPa以上时，开始启动真空泵，使真空度稳定在5000Pa以下，达到设定最大气压后保温保压60min，在此期间两种工艺同时进行；
进一步地，所述步骤五中成形完成后，保持真空泵常开，以0.2MPa/min的速度逐渐卸掉气体压力，当气压降至0.2MPa以下时关闭真空泵，再进行开模取件；
进一步地，所述步骤六中特定的表面处理是先利用酸性溶液，再利用碱性溶液对精切后的出炉件进行表面清洗；
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，打破传统技术限制，能够有效解决大尺寸零件矮阶梯圆角的成形问题，使局部矮阶梯内圆角(t≤r≤2t)成形。
2.本发明提供了一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，将气胀成形和真空吸塑成形两种成形方式有机地整合到一起，可以降低气胀最高压力。由于抽气孔必须在圆角处，故消除憋气负压现象，同时提高成形能力，在同等胀形气压、同等保压时间下可以将圆角减小2～4mm。
3.本发明提供了一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，在取件时的真空吸力在开模时可以有效克制零件在模具带动下的热变形，有效进一步保证了成形精度。
附图说明
图1是本发明中所述模具中上模的结构示意图；
图2是本发明中所述模具中下模的结构示意图；
图3是本发明中所述模具中上下模合模后的结构示意图；
图4是本发明的原理示意图；
图中1阶梯圆角、2真空抽气孔、3气胀进气口、4测温孔、5上模、6板材和7下模。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式提供了一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，所述方法是通过以下步骤进行的：
步骤一：模具设计：针对轨道列车用含矮阶梯圆角特征的大型铝合金覆盖件设计上下模形状和尺寸，在下模设置气胀进气孔，上模腔为修正后的零件形状，在阶梯圆角位置开设真空吸气孔；
步骤二：板料处理：根据钣金件尺寸切割下料，用空气压缩机在板料的上下表面均匀喷涂上石墨液；
步骤三：成形准备：将模具安装在超塑成形专用压力机上，并在模具的对应位置焊接好气胀进气管以及真空抽气管，从指定位置分别使气胀进气管接气瓶，真空抽气管接真空泵，使压力机升至目标温度，再打开工作台平稳放置板料，使板料在压力机中保温，按照制定的预成形工艺合模加压封边，保证密封槽被板材充分填满；
步骤四：气胀成形及真空吸塑：通过气胀进气管通入胀性气体进行气胀成形，按照模拟工艺参数严格控制加压曲线，待基本贴模后开启真空泵，成形阶梯圆角，再保温保压60min，两种工艺同步进行；
步骤五：零件取出：保持真空泵常开，逐渐卸掉气体压力，在较低气压下关闭真空泵，开模后取出零件；
步骤六：后期处理：对出炉件粗切与精切，特定的表面处理后，得到工件的高精度尺寸，矮阶梯圆角符合技术要求的大型复杂曲面铝合金列车覆盖件。
本实施方式提供一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，打破传统技术限制，能够有效解决大尺寸零件矮阶梯圆角的成形问题，使局部矮阶梯内圆角(t≤r≤2t)成形，同时将气胀成形和真空吸塑成形两种成形方式有机地整合到一起，可以降低气胀最高压力。由于抽气孔必须在圆角处，故消除憋气负压现象，同时提高成形能力，在同等胀形气压、同等保压时间下可以将圆角减小2～4mm。
本方法的成形原理是初始状态时，将板材及模具加热到一定温度，施加压边力或者进行预冲压保证上下合模后形成密封，可以实现补料且不产生法兰皱纹；第二阶段时，采用超塑气胀工艺缓慢通入气体，待达到一定气压时再运转真空泵，这是为了保证在大部分板材贴模后再降低背压，以免变形过快壁厚均匀性难以保证，此时由于真空力的施加，一方面憋气现象消除，另一方面使阶梯圆角大大减小；第三阶段时泄压但仍保持真空吸力，开模取件后再关闭真空泵，可以进一步保证零件热态形状的稳定。
具体实施方式二：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中涉及的上下模具包括加工密封槽、测温孔和导向斜台，且上下模具中至少一侧模具开设矩形密封槽，模腔形状根据零件及模拟计算设计，一侧模具在中部开设进气孔，另一侧模具必须在难成形阶梯圆角位置开设抽气孔，且抽气孔半径应小于等于零件目标圆角半径。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中的板料在切割下料时需补偿30～50mm的加工余量，润滑剂和脱模剂使用石墨水剂全面喷涂，并静置10min。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中气胀进气管以及真空抽气管上分别设有一个压力阀。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
如此设置，便于通过压力阀门控制气胀进气管和真空抽气管的压力大小，保证实施时的安全性。
具体实施方式五：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三中用控温系统将设备以平均2℃/min的速度升至460～480℃，再将前处理的板材放入炉膛中，在470～500℃温度间保温10min，按照预定工艺合模，施加压边力，保证密封。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中所用的胀性气体为氮气。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中压力控制采用模拟输出曲线控制，最大加压为3MPa，当气体压力达到2MPa以上时，开始启动真空泵，使真空度稳定在5000Pa以下，达到设定最大气压后保温保压60min，在此期间两种工艺同时进行。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的步骤五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五中成形完成后，保持真空泵常开，以0.2MPa/min的速度逐渐卸掉气体压力，当气压降至0.2MPa以下时关闭真空泵，再进行开模取件。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
如此设置，在取件时的真空吸力在开模时可以有效克制零件在模具带动下的热变形，有效进一步保证了成形精度，可以有效抑制零件形状的改变。
具体实施方式九：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述步骤六作进一步限定，本实施方式中，所述步骤六中特定的表面处理是先利用酸性溶液，再利用碱性溶液对精切后的出炉件进行表面清洗。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。
如此设置，先用酸溶液清洗主要达到去除油污以及初步去除氧化膜的效果，再用碱溶液清洗是要进一步去除氧化膜，保证工件光洁度。

Claims (4)

1.一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤进行的：
步骤一：模具设计：针对轨道列车用含矮阶梯小圆角特征的大型铝合金覆盖件设计上下模形状和尺寸，在上模设置气胀进气孔，上模腔为修正后的零件形状，在下模的矮阶梯小圆角的位置开设真空吸气孔，小圆角尺寸为：t≤r≤2t；
步骤二：板料处理：根据钣金件尺寸切割下料，用空气压缩机在板料的上下表面均匀喷涂上石墨液；
步骤三：成形准备：将模具安装在超塑成形压力机上，并在模具的对应位置焊接好气胀进气管以及真空抽气管，从指定位置分别使气胀进气管接气瓶，真空抽气管接真空泵，使压力机升至目标温度，再打开工作台平稳放置板料，使板料在压力机中保温，按照制定的预成形工艺合模加压封边，保证密封槽被板材充分填满；
所述步骤三中气胀进气管以及真空抽气管上分别设有一个压力阀；
所述步骤三中用控温系统将设备以平均2ºC/min的速度升至460~480ºC，再将前处理的板材放入炉膛中，在470~500ºC温度间保温10min，按照预定工艺合模，施加压边力，保证密封；
步骤四：气胀成形及真空吸塑：通过气胀进气管通入胀性气体进行气胀成形，按照模拟工艺参数严格控制加压曲线，待非矮阶梯小圆角区域完全贴模后开启真空泵，成形矮阶梯小圆角，再保温保压60min，两种工艺同步进行；
所述步骤四中所用的胀性气体为氮气；
所述步骤四中压力控制采用模拟输出曲线控制，最大加压为3MPa，当气体压力达到2MPa以上时，开始启动真空泵，使真空度稳定在5000Pa以下，达到设定最大气压后保温保压60min，在此期间两种工艺同时进行；
步骤五：零件取出：保持真空泵常开，逐渐卸掉气体压力，当气压降至0.2MPa以下时关闭真空泵，开模后取出零件；
步骤六：后期处理：对出炉件粗切与精切，随后先利用酸性溶液，再利用碱性溶液对精切后的出炉件进行表面清洗，得到工件的高精度尺寸，矮阶梯小圆角符合技术要求的大型复杂曲面铝合金列车覆盖件。
2.根据权利要求1中所述的一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，其特征在于：所述步骤一中涉及的上下模具包括测温孔和导向斜台，且上下模具中至少一侧模具开设矩形密封槽，模腔形状根据零件及模拟计算设计，一侧模具在中部开设进气孔，另一侧模具必须在难成形矮阶梯小圆角位置开设抽气孔，且抽气孔半径应小于等于零件目标圆角半径。
3.根据权利要求2中所述的一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，其特征在于：所述步骤二中的板料在切割下料时需补偿30~50mm的加工余量，润滑剂和脱模剂使用石墨水剂全面喷涂，并静置10min。
4.根据权利要求3中所述的一种带有矮阶梯小圆角铝合金覆盖件气体成形方法，其特征在于：所述步骤五中成形完成后，保持真空泵常开，以0.2MPa/min的速度逐渐卸掉气体压力，当气压降至0.2MPa以下时关闭真空泵，再进行开模取件。
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