一种互为对称特征件用的两件一模成形方法

本发明属于气体成形技术领域，具体涉及一种互为对称特征件用的两件一模成形方法。

背景技术：

为了方便人们日益增长的出行需求，越来越多的城市开始构建和完善中心城区至周边区域的辐射交通网，铁轨线路连起千家万户的同时，对轨道交通车辆的供应也提出了轻量、环保的要求。目前，以轻量化为原则城际轨道列车蒙皮采用的材质主要有玻璃钢和铝合金两种，玻璃钢又称玻璃纤维增强塑料，具有易成形、可设计性好的特点，能够保证复杂车身形状的制造生产，但同时难以回收利用，且在寿命周期中维护成本高，总体寿命短；铝合金则可以免除维护，材料也便于回收重熔，但使用铝合金制造复杂形状列车蒙皮时，成形工艺难以确定，质量难于保证。采用铝合金材料时，传统方法上常采用热冲压工艺，通过模具设计调整和手工校形的方式减小回弹误差，对于越来越复杂的车体蒙皮这种工艺愈加力不从心。近年来，随着国内外学者的研究，一些铝合金在满足成本和使用需求的前提下，具有超塑性，即在特定成形条件下延伸率达到200％之上的性质，且此时材料的屈服极限仅有几十兆帕，回弹量可以忽略，因此，超塑成形方法在这种轨道车辆覆盖件的应用已渐渐推广开来。

超塑成形往往需要保证材料在较低的应变速率水平流动，使用气压或液压控制是有效手段。超塑成形所用夹具包括上模和下模两个部分，所要成形的板料设置在上模和下模之间，上下模均设置孔控制气体流入与流出。完成工装后放入压力机炉膛中加热至目标温度，施加封边力保证密封后，控制气体流入速度保证目标应变速率，完全贴模后保压一段时间，取出后即可得目标零件。

目前我国正处于从玻璃钢车身向铝合金车身的过渡时期，对大型一体铝合金制列车蒙皮件工艺制定及模具设计提出紧迫要求。左右对称性是轨道交通车辆均具备的特征，除了对称美的艺术性需求外，也是保持整个车体的受力均衡，保证高速运行的列车稳定。对于这种左右对称结构，往往是关于列车中轴面对称而自身并不具备对称特征，就导致零件成形时必须采用两套模具，大大提升成本，为了解决这类问题提供一种互为对称特征件用的两件一模成形方法。

技术实现要素：

本发明为了解决现有列车中所用的大型铝合金蒙皮覆盖件在成形时研发周期长、制造成本高，难以保证零件成形质量的问题，进而提供一种互为对称特征件用的两件一模成形方法；

一种互为对称特征件用的两件一模成形方法，所述方法是通过以下步骤进行的：

步骤一：设计模具：针对空间平面对称的两个浅腔大型铝合金蒙皮覆盖件，首先设计上模具，按照零件表面形状考虑热胀冷缩效应确定型腔尺寸，并保证封边平台完全处于与压力机台面平行的平面上，关于此平面镜像对称可得下模具的基本形状，在此基础上，上模具和下模具中的封边平台上分别开设错位封边槽，设置导向机构、定位基准块、热电偶孔、减重槽和钳口，上模具和下模具的对应位置分别开设有一个进气通孔；

步骤二：活块设计：根据大型铝合金蒙皮覆盖件中浅腔的深度和局部特征设计活块结构，保证活块可以设置在步骤一中所述模具上与大型铝合金蒙皮覆盖件中浅腔配合的型腔中；

步骤三：原材下料：根据计算得到的平板尺寸利用切板机切割下料，采用空气压缩机和气压调控装置连接含润滑液的喷壶在板料的上表面高效均匀喷涂石墨乳；

步骤四：前期准备：将步骤一中的上模具固定在压力机上平台上，确保板材向上的贴模方向，装有活块的下模具用压板固定在压力机下平台上，升温至目标温度后再放置板料，保温使其充分受热，待软化后由液压缸多次施加合模力保压，使封边料充分流入密封槽中；

步骤五：气体成形：向步骤四中固定在压力机上平台的模具中充入气体，使步骤四中设置在模具中的板材在气压的作用下产生形变，并逐步与上模具的型腔结构贴合；

步骤六：零件取出：在最终贴模保压阶段，将上模具上进气通孔与真空抽机相连，取件阶段将抽机打开，排出腔内气体，压机开模后关闭抽机，用撬棍通过钳口施力即可完成零件脱模；

步骤七：产品处理：降至室温后粗切与精切零件，分别化学与物理表面处理后，得到形状精度高的浅腔大型曲面铝合金蒙皮件之一，其对称方向件仅需将模具颠倒，其它工艺不变，即可达到一模两件的效果；

进一步地，所述步骤一中大型铝合金蒙皮覆盖件中设置的浅腔深度小于200mm；

进一步地，所述步骤一中的模具结构中，上模具和下模具均需要开设进气通孔，封边平台平面与压力机平台平行，且上模具和下模具上均需要设计方形密封槽，两个密封槽必须错位设置，错位的水平距离必须在8mm以上，上模具中的封边平台和下模具中的封边平台上每隔400mm设计一个钳口；

进一步地，所述步骤二中的活块为粗加工的体积填充物或精加工的型腔实体；

进一步地，所述步骤三中板材留有40～60mm的板料余量，待将石墨乳剂完全喷涂至上表面后，静置12分钟，保证石墨乳剂稳定贴附；

进一步地，所述步骤四中压力机升温速度为平均每分钟2℃，成形温度在460～520℃，板材放入后保温15分钟，压力机液压缸封边液压压强为15～22mpa；

进一步地，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机上平台的模具中充入气体为氩气或氮气，所填充气体的温度为30℃～40℃：

进一步地，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机的模具中充入气体的工作工艺为先从上模具中的进气通孔中充入气体进行预成型，再从下模具中的进气通孔中充入气体进行终成型；

进一步地，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机的模具中充入气体的工作工艺为直接向下模具中的进气通孔中充入气体进行终成型；

进一步地，所述步骤五中气胀成形时工艺按照数值模拟结果的曲线控制，反胀压力小于1.5mpa，终胀压力小于3mpa，达到最大压力后的保压时间大于30分钟；

进一步地，所述步骤五中气胀成形时工艺按照数值模拟结果的曲线控制，终胀压力小于3mpa，达到最大压力后的保压时间大于30分钟；

进一步地，所述步骤六中保压结束后泄压前将上模具中进气通孔与真空抽机相连，待真空度在10000pa以下时，保持吸力，排出气体后再关闭抽机，在零件自身重力和钳口的撬动力双重作用下实现零件脱模；

进一步地，所述步骤七中零件取出后，按照三维数模图纸精确切割零件型面，通过酸洗与碱洗去除表面氧化物质，用平板振膜机去除表面污垢后，得到形状精度高的浅腔大型曲面铝合金蒙皮件之一。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种互为对称特征件用的两件一模成形方法，提出了一种针对车辆对称双侧浅腔复杂形状铝合金蒙皮件一模两腔的工装和配套模具以及配套的加工方法，模具主要结构包括含气孔上模、含气孔下模、板料和活动嵌块等部分，其中上下模腔是空间对称特征浅腔型面，与板料同时接触位置均设有错位密封槽，活块形状根据型腔灵活设计，气胀成形时整体置于压力机炉膛中，通过温度反馈装置实时监测，此种模具可以实现一套模具完成两种零件的成形，由于模具本身上模和下模上都加工有型腔，且所要加工的零件还是为对称互为对称的结构，有效改善了轨道列车左右侧对称大型覆盖件需要两套模具的生产现状，面对越来越追求效率的高铁设计制造周期，能够大幅节约模具成本和缩短列车生产时间。

2.本发明提供了一种互为对称特征件用的两件一模成形方法，采用了活动嵌块的设计，一方面，活动嵌块对加工精度的要求并不高制造成本低，但是在气胀过程中可以有效填充空间加快气体填充速度，提高生产效率，又抑制了高压长时间保压下的大量气体浪费；另一方面，根据目标零件多变的特征形状，可以灵活制作活块的结构形状，先反胀贴向活块储料，再正胀使局部减薄严重位置的壁厚得以提升，对缺陷的避免有正面作用。

3.本发明提供了一种互为对称特征件用的两件一模成形方法，其中在模具中所涉及的进气孔也可以作为抽气孔，保证零件取件时的形状精度不受影响。

附图说明

图1为本发明所述方法的原理示意图；

图2为本发明所述方法所用的上模具示意图；

图3为本发明所述方法所用的下模具示意图；

图4为本发明所述方法中合模模具示意图；

图中1上模具、2板材、3活块、4下模具、5进气孔、6封边平台、7封边槽、8导向结构、9定位基准块、10热电偶孔和11钳口。

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互为对称特征件用的两件一模成形方法，所述方法是通过以下步骤进行的：

步骤一：设计模具：针对空间平面对称的两个浅腔大型铝合金蒙皮覆盖件，首先设计上模具1，按照零件表面形状考虑热胀冷缩效应确定型腔尺寸，并保证封边平台6完全处于与压力机台面平行的平面上，关于此平面镜像对称可得下模具4的基本形状，在此基础上，上模具1和下模具4中的封边平台6上分别开设错位封边槽7，设置导向机构8、定位基准块9、热电偶孔10、减重槽和钳口11，上模具1和下模具4的对应位置分别开设有一个进气通孔5；

步骤二：活块设计：根据大型铝合金蒙皮覆盖件中浅腔的深度和局部特征设计活块结构，保证活块3可以设置在步骤一中所述模具上与大型铝合金蒙皮覆盖件中浅腔配合的型腔中；

步骤三：原材下料：根据计算得到的平板尺寸利用切板机切割下料，采用空气压缩机和气压调控装置连接含润滑液的喷壶在板料的上表面高效均匀喷涂石墨乳；

步骤四：前期准备：将步骤一中的上模具1固定在压力机上平台上，确保板材2向上的贴模方向，装有活块3的下模具4用压板固定在压力机下平台上，升温至目标温度后再放置板料，保温使其充分受热，待软化后由液压缸多次施加合模力保压，使封边料充分流入密封槽中；

步骤五：气体成形：向步骤四中固定在压力机上平台的模具中充入气体，使步骤四中设置在模具中的板材2在气压的作用下产生形变，并逐步与上模具1的型腔结构贴合；

步骤六：零件取出：在最终贴模保压阶段，将上模具1上进气通孔5与真空抽机相连，取件阶段将抽机打开，排出腔内气体，压机开模后关闭抽机，用撬棍通过钳口11施力即可完成零件脱模；

步骤七：产品处理：降至室温后粗切与精切零件，分别化学与物理表面处理后，得到形状精度高的浅腔大型曲面铝合金蒙皮件之一，其对称方向件仅需将模具颠倒，其它工艺不变，即可达到一模两件的效果。

本实施方式中提供了一种互为对称特征件用的两件一模成形方法，所述方法通过模具上的改进，在现有模具中的上模具1和下模具4上均加工有所要成形的型腔，并且在一侧型腔中设有活块3，采用了活块3的设计，一方面，活块3对加工精度的要求并不高制造成本低，但是在气胀过程中可以有效填充空间加快气体填充速度，提高生产效率，又抑制了高压长时间保压下的大量气体浪费；另一方面，根据目标零件多变的特征形状，可以灵活制作活块3的结构形状，先反胀贴向活块储料，再正胀使局部减薄严重位置的壁厚得以提升，对缺陷的避免有正面作用，值得注意的是，活块3位置不应堵住所在模具中的进气孔区域；

本方法的成形原理为双侧分别成形，假定大型浅腔铝合金蒙皮a与b是关于空间平面对称，自身无对称特征的两个零件(如左右车门)，首先批量生产a零件，将a型腔置于上方、活块置于下方b型腔中，在压力机炉膛内同板料加热至超塑温度后施加压力，保证封边位置板料充分流入封边槽中后，保压保温；然后从b模腔进气孔通入气体，同时a型腔气孔也有排气功能，活块具有占据体积节省气体的作用，控制气胀压力变化保证完全板材贴模；最后泄去气体压力，开模后在零件自身重力和钳口撬棍压力的作用下完成脱模，为进一步保证零件热态形状可以同时通过b腔气孔抽真空，即可完成a件的生产。同理，将模具颠倒后，以同样的工艺和流程即可完成b件的批量制造。

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，所述步骤一中大型铝合金蒙皮覆盖件中设置的浅腔深度小于200mm。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

如此设置，考虑到气胀成形的应用范围，如果所要浅腔深度过大，气胀成形难以满足要求，同时随着气体不断的膨胀会导致，大型铝合金蒙皮覆盖件中浅腔区域受力不均，易于影响成形效果。

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一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中的模具结构中，上模具1和下模具4均需要开设进气通孔5，封边平台6平面与压力机平台平行，且上模具1和下模具4上均需要设计方形密封槽，两个密封槽必须错位设置，错位的水平距离必须在8mm以上，上模具1中的封边平台6和下模具4中的封边平台6上每隔400mm设计一个钳口11。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

如此设置，两个模具中密封槽的错位设置，可以有效保证板料充分流入上下封边槽，从而两侧都具有良好的气密效果；配上封边平台6上等距设置的钳口11，便于使成形后的工件与模具分离，实现高效取件。

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二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中的活块3为粗加工的体积填充物或精加工的型腔实体。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。

本实施方式中，活块3可以根据零件形状灵活调整：可以为粗加工的体积填充物，能够有效抑制批量生产中的气体浪费并提高生产效率；也可以为精加工的型腔实体，控制反胀程度，避免局部的过分减薄而破裂。

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，所述步骤三中板材2留有40～60mm的板料余量，待将石墨乳剂完全喷涂至上表面后，静置12分钟，保证石墨乳剂稳定贴附。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。

如此设置，使石墨乳剂稳定贴附在板材表面，有利于板材2成形后具有良好的脱模润滑性能，使零件脱模更加容易。

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，所述步骤四中压力机升温速度为平均每分钟2℃，成形温度在460～520℃，板材2放入后保温15分钟，压力机液压缸封边液压压强为15～22mpa。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五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机上平台的模具中充入气体为氩气或氮气，所填充气体的温度为30℃～40℃。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

如此设置，通常情况直接从液氮瓶中流出的气体往往温度极低，需经过多弯路长程缓冲装置后再通过进气管通入型腔，增大了气体流动的行程，耗费了更多的零件成形时间。

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，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机的模具中充入气体的工作工艺为先从上模具1中的进气通孔5中充入气体进行预成型，再从下模具4中的进气通孔5中充入气体进行终成型。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

如此设置，有利于保证零件成形后的与模具的贴合率，有利于保证了零件成形后的表面型线的流畅性，适用于被成形工件中浅腔深度较深(深度在100mm-200mm之间)的情况。

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五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五中向步骤四中固定在压力机的模具中充入气体的工作工艺为直接向下模具4中的进气通孔5中充入气体进行终成型。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

如此设置，可以减少工件成形的时间，适用于被成形工件中浅腔深度较浅(深度在0mm-100mm之间)的情况。

具体实施方式十：参照图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五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五中气胀成形时工艺按照数值模拟结果的曲线控制，反胀压力小于1.5mpa，终胀压力小于3mpa，达到最大压力后的保压时间大于30分钟。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十一：参照图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五作进一步限定，本实施方式中，所述步骤五中气胀成形时工艺按照数值模拟结果的曲线控制，终胀压力小于3mpa，达到最大压力后的保压时间大于30分钟。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十二：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述步骤六作进一步限定，本实施方式中，所述步骤六中保压结束后泄压前将上模具1中进气通孔5与真空抽机相连，待真空度在10000pa以下时，保持吸力，排出气体后再关闭抽机，在零件自身重力和钳口11的撬动力双重作用下实现零件脱模。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

如此设置，目的在于泄去气体压力，使脱模工序更容易。

具体实施方式十三：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述步骤七作进一步限定，本实施方式中，所述步骤七中零件取出后，按照三维数模图纸精确切割零件型面，通过酸洗与碱洗去除表面氧化物质，用平板振膜机去除表面污垢后，得到形状精度高的浅腔大型曲面铝合金蒙皮件之一，其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。