专利名称：轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具及其成形方法
技术领域：
本发明涉及一种超塑成形模具及其成形方法，具体涉及一种轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具及其成形方法。
背景技术：
机车轻量化对提升高速列车性能具有重要意义。目前国内外普遍采用的方式为材料轻量化，即高性能机车都采用高强度的铝合金材料制造。采用大尺寸薄壁铝合金板材，力口工制造高速列车、地铁、轻轨等轨道交通车辆用的铝合金车体结构件，如窗墙、内外端墙、门立柱罩等各种车内设备和其它复杂结构件。这类重要的轨道交通车辆内装件应满足性能、精度和美观的综合需求，许多产品形状是三维曲面，故对内装件制造和组装的准确度与表面质量提出了很高的要求，冷成形变形量有限，弹复大，难以满足要求，因此超塑气胀成形技术成为主要的制造方法。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。许多学者通过晶粒细化来提高铝合金超塑性的应变速率，从而提高超塑成形效率，虽然取得一些实验室成果，但离实际应用还有很大距离。综上所述，现有的轨道车辆用铝合金覆盖零件存在生产效率低和生产成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的轨道车辆用铝合金覆盖零件存在生产效率低和生产成本高的问题，进而提供一种轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具及其成形方法。本发明的技术方案是轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具包括上模板和凹模，上模板设置在凹模的正上方，所述超塑成形模具还包括凸模，凸模固装在上模板的下端，凸模和凹模之间形成充气腔，铝合金板料设置在凹模上端，上模板上开有进气孔，凹模的下端开有排气孔，所述凸模的下端设有凸台，凸台的台肩与凸模的侧壁之间设有圆角，凸台的中部设有第二反挤密封槽。本发明还提供了一种轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑方法步骤一超塑成形模具的安装，将超塑成形模具安装到超塑成形机上，上模板的进气孔与超塑成形机上的气压管路连接，超塑成形机上的温控系统热电偶分别连接到上模板、凹模和凸模上，步骤二 喷涂高温润滑剂，凹模和凸模的表面与铝合金板料的表面均匀喷涂高温润滑剂；步骤三超塑成形模具的预热，上模板、凹模和凸模处于合模状态，将超塑成形模具加热到400°C _500°C的成形温度，保压l_5min，使上模板、凹模和凸模的温度均匀一致，实现对超塑成形模具的预热；步骤四铝合金板料的预热，
当超塑成形模具预热到成形温度后，打开超塑成形模具，将铝合金板料放置在凹模上，保温4-5min，使铝合金板料也达到成形温度；步骤五铝合金板料初期弯曲变形，超塑成形机驱动上模板和凸模向下运动，使铝合金板料弯曲变形，压下速度为10-50mm/s,下压距离为100_150mm时，上模板和凸模停止运动,此时招合金板料的四周被凹模和凸模的四周夹紧；步骤六铝合金板料初期弯曲变形后和凸模之间组成密封空间，上模板继续向下加压3_4MPa，使凸模四边的第一圆角密封槽向下压入
O.2-0. 6mm，形成超塑胀形所需要的由铝合金板料和凸模之间组成的密封空间；步骤七向步骤六中的密封空间加压并最终成形，在超塑成形机上编程控制气压-时间曲线，从上模板的进气孔通入气体，气体的压力为O. 5-4MPa，使铝合金板料在气体压力的作用下超塑胀形，超塑胀形的时间为10-15min，铝合金板料与凹模之间的空气通过凹模的排气孔排出，最终铝合金板料与凹模的内壁贴合，保压4-5min后开模取出成形后的铝合金板料，至此，铝合金板料的超塑成形结束。本发明与现有技术相比具有以下效果1.本发明的铝合金板料成形到一定位置后，再原位进行超塑气胀成形，从而将铝合金板料成形时间由原来的1-3小时缩短到10-20分钟，显著提高生产效率，降低成本。2.本发明结构简单，易于实现。
图1是超塑成形模具超塑成形前的结构示意图，图2是超塑成形模具超塑成形后的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具包括上模板I和凹模2，上模板I设置在凹模2的正上方，所述超塑成形模具还包括凸模3，凸模3固装在上模板I的下端，凸模3和凹模2之间形成充气腔，铝合金板料4设置在凹模2上端，上模板I上开有进气孔5，凹模2的下端开有排气孔
6,所述凸模3的下端设有凸台7,凸台7的台肩与凸模3的侧壁之间设有圆角，凸台7的中部设有第二反挤密封槽8。本发明采用预弯曲成形+超塑成形的方案虽然能够显著提高生产效率，但是模具设计的难度明显增加，上模板1、凹模2和凸模3的配合面不再是一个平面，而是空间曲面，这种情况下，如何保证上模板1、凹模2和凸模3的配合面和铝合金板料4之间形成不漏气的密闭空间，成为确保成形质量的关键。为此，本发明提出了第二反挤密封槽8，密封槽在压力的作用下使铝合金板料4变形，形成紧密贴合，气体难以通过，这种结构在平面上没有问题，但是，当采用曲面封边时，经常无法形成紧密贴合，导致漏气，气胀成形无法进行。而采用在凸模3的的底端中部设有第二反挤密封槽8，可以将铝合金板料4反挤到第二反挤密封槽8中，密封效果更好。
本实施方式凸模3的外壁尺寸小于凹模2的内壁尺寸，使后续超塑胀形在整个成形过程中所占的比例最小，但是也不能过于接近下模型腔尺寸，因为上模尺寸过大会导致铝合金板料破裂或出现死皱，具体选择还需通过有限元数值模拟来确定。为提高模拟精度，必须精确掌握铝合金板料高温塑性变形能力，方法是在高温拉伸机上测量铝合金板料在不同温度、不同应变速率下的应力-应变曲线。本实施方式的超塑胀形时的气压-时间曲线，初始气压很小，逐渐增加，最后气压最大，约为O. 5_4MPa，最佳气压-时间曲线的确定，需要根据铝合金板料的高温力学行为进行有限元数值模拟优化，最后确定最快成形速度。
具体实施方式
二 结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第二反挤密封槽8的长度为铝合金板料壁厚的I倍-2倍。如此设置，密封效果更好。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第一圆角密封槽7的圆角半径为铝合金板料壁厚的10倍-15倍。如此设置，。其它组成和连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的超塑方法的具体步骤如下步骤一超塑成形模具的安装，将超塑成形模具安装到超塑成形机上，上模板I的进气孔5与超塑成形机上的气压管路连接，超塑成形机上的温控系统热电偶分别连接到上模板1、凹模2和凸模3上，步骤二 喷涂高温润滑剂，凹模2和凸模3的表面与铝合金板料4的表面均匀喷涂高温润滑剂；步骤三超塑成形模具的预热，上模板1、凹模2和凸模3处于合模状态，将超塑成形模具加热到400°C -500°C的成形温度，保压l_5min，使上模板1、凹模2和凸模3的温度均匀一致，实现对超塑成形模具的预热；步骤四铝合金板料4的预热，当超塑成形模具预热到成形温度后，打开超塑成形模具，将铝合金板料4放置在凹模2上，保温4-5min，使铝合金板料4也达到成形温度；步骤五铝合金板料4初期弯曲变形，超塑成形机驱动上模板I和凸模3向下运动，使铝合金板料4弯曲变形，压下速度为10-50mm/s，下压距离为100_150mm时，上模板I和凸模3停止运动，此时铝合金板料4的四周被凹模2和凸模3的四周夹紧；步骤六铝合金板料4初期弯曲变形后和凸模3之间组成密封空间，上模板I继续向下加压3_4MPa，使凸模3四边的第一圆角密封槽7向下压入
O.2-0. 6mm，形成超塑胀形所需要的由铝合金板料4和凸模3之间组成的密封空间；步骤七向步骤六中的密封空间加压并最终成形，在超塑成形机上编程控制气压-时间曲线，从上模板I的进气孔5通入气体，气体的压力为O. 5-4MPa，使铝合金板料4在气体压力的作用下超塑胀形，超塑胀形的时间为10-15min，铝合金板料4与凹模2之间的空气通过凹模2的排气孔6排出，最终铝合金板料4与凹模2的内壁贴合，保压4-5min后开模取出成形后的铝合金板料4，至此，铝合金板料4的超塑成形结束。对于轨道车辆车头零件，特点是零件整体有较大的弯曲，局部还有复杂的细节形状，轨道车辆上的门立柱罩、整体式座椅等也具有相似的特征。如果采用传统的超塑变形，一般是将零件两侧加上工艺补充面，形成盒形件，采用盒形件超塑气胀成形工艺成形出盒形件，在切掉两侧的工艺补充面，得到零件。虽然模具设计简单，气体密封也容易，密封槽处在一个平面上，但是零件变形量非常大，有限元模拟成形后壁厚分布后，板料初始厚度为4mm，超塑变形后最薄位置的壁厚减小到1. 1mm，不仅壁厚分布情况差，而且以目前使用的5000系超塑铝合金材料性能看，在成形过程中已经破裂的可能性非常大，无法完成最终全部贴模。因此，本发明提出预弯曲成形+超塑成形的方案，通过两种工艺的合理设计与组合，降低超塑变形量，制造出合格质量的零件。预弯曲成形+超塑成形的方案模具上模板I具有一定的简单形状，可以在变形初期使板料弯曲，进入凹模2，这时，有更多的材料参加变形。上模板I凸起的高度略小于下模型腔的深度，上模凸起的尖端圆角半径不能过小，否则容易使板料接触部位产生死皱或压痕。圆角半径一般应大于10倍板料壁厚。地铁车头零件快速超塑成形有限元模拟时，可以看出，经过预弯曲成形后，板料壁厚几乎没有变化，经过超塑变形后，壁厚减薄到3.1毫米，减薄量非常小，效果远远好于传统超塑成形的结果。在这种情况下，零件非常好成形，不需要选择最佳超塑成形工艺参数，而是可以选择比较快的胀形速度和比较低的成形温度，对于提高生产效率，降低生产成本非常有利。
具体实施方式
五结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的高温润滑剂为水基石墨乳。如此设置，可以改善壁厚分布和零件表面质量。其它组成和连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤七中的超塑胀形的时间为12min。如此设置，使板料完全填充模具。其它组成和连接关系与具体实施方式
五相同。对于整体有较大的弯曲，局部还有复杂的细节形状的轨道车辆用铝合金零件，采用本发明的预弯曲成形+超塑成形的方案来制造，板料壁厚减薄量非常小，壁厚均匀性好于传统超塑成形的结果。在这种情况下，零件易成形，可以选择比较快的胀形速度和比较低的成形温度，对于提高生产效率，降低生产成本非常有利。改进的第二反挤密封槽8结构对于空间曲面零件的密封效果也非常好，为轨道车辆用铝合金零件的稳定生产提供有力保障。
权利要求
1.一种轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具，它包括上模板(I)和凹模(2)，上模板(I)设置在凹模(2)的正上方，其特征在于:所述超塑成形模具还包括凸模(3)，凸模(3)固装在上模板⑴的下端，凸模(3)和凹模(2)之间形成充气腔，铝合金板料⑷设置在凹模⑵上端，上模板⑴上开有进气孔(5)，凹模(2)的下端开有排气孔(6)，所述凸模(3)的下端设有凸台(7)，凸台(7)的台肩与凸模(3)的侧壁之间设有圆角，凸台(7)的中部设有第二反挤密封槽(8)。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具，其特征在于:所述第二反挤密封槽(8)的长度为铝合金板料壁厚的I倍-2倍。
3.根据权利要求1或2所述的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具，其特征在于:所述第一圆角密封槽(7)的圆角半径为铝合金板料壁厚的10倍-15倍。
4.一种使用权利要求1所述超塑成形模具实现的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑方法，其特征在于:所述超塑 方法的具体步骤如下: 步骤一:超塑成形模具的安装， 将超塑成形模具安装到超塑成形机上，上模板(I)的进气孔(5)与超塑成形机上的气压管路连接，超塑成形机上的热电偶分别连接到上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)上，步骤二:喷涂高温润滑剂， 凹模(2)和凸模(3)的表面与铝合金板料(4)的表面均匀喷涂高温润滑剂； 步骤三:超塑成形模具的预热， 上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)处于合模状态，将超塑成形模具加热到400°C -500°C的成形温度，保压l_5min，使上模板(I)、凹模(2)和凸模(3)的温度均匀一致，实现对超塑成形模具的预热； 步骤四:铝合金板料(4)的预热， 当超塑成形模具预热到成形温度后，打开超塑成形模具，将铝合金板料(4)放置在凹模(2)上，保温4-5min，使铝合金板料(4)也达到成形温度； 步骤五:铝合金板料(4)初期弯曲变形， 超塑成形机驱动上模板(I)和凸模(3)向下运动，使铝合金板料(4)弯曲变形，压下速度为10-50mm/s，下压距离为100-150mm时，上模板(I)和凸模(3)停止运动，此时铝合金板料⑷的四周被凹模⑵和凸模⑶的四周夹紧； 步骤六:铝合金板料(4)初期弯曲变形后和凸模(3)之间组成密封空间， 上模板(I)继续向下加压3-4MPa，使凸模(3)四边的第一圆角密封槽(7)向下压入0.2-0.6mm，形成超塑胀形所需要的由铝合金板料(4)和凸模(3)之间组成的密封空间；步骤七:向步骤六中的密封空间加压并最终成形， 在超塑成形机上编程控制气压-时间曲线，从上模板(I)的进气孔(5)通入气体，气体的压力为0.5-4MPa，使铝合金板料(4)在气体压力的作用下超塑胀形，超塑胀形的时间为10-15min，铝合金板料(4)与凹模⑵之间的空气通过凹模(2)的排气孔(6)排出，最终铝合金板料(4)与凹模(2)的内壁贴合，保压4-5min后开模取出成形后的铝合金板料(4)，至此，铝合金板料(4)的超塑成形结束。
5.根据权利要求4所述的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形方法，其特征在于:步骤二中的高温润滑剂为水基石墨乳。
6.根据权利要求5所述的轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形方法，其特征在于:步骤七中的超塑胀形的 时间为12min。
全文摘要
轨道车辆用铝合金覆盖零件的超塑成形模具及其成形方法，它涉及一种超塑成形模具及其成形方法。本发明为了解决现有的轨道车辆用铝合金覆盖零件存在生产效率低和生产成本高的问题。本发明超塑成形模具的上模板设置在凹模的上方，凸模固装在上模板的下端，铝合金板料设置在凸模与凹模之间的凹模上端；超塑成形方法为步骤一超塑成形模具的安装，步骤二喷涂高温润滑剂，步骤三超塑成形模具的预热，步骤四铝合金板料的预热，步骤五铝合金板料初期弯曲变形，步骤六铝合金板料初期弯曲变形后和凸模之间组成的密封空间，步骤七铝合金板料的最终成形。本发明适用于轨道车辆用铝合金覆盖零件的制造。
文档编号B21D26/021GK103071717SQ201310043258
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者王国峰 申请人:王国峰