一种轨道交通用铝合金钣金件

摘要

本发明涉及一种轨道交通用铝合金钣金件及其超塑成形方法，属于精密钣金加工技术领域，该方法能够成形异形光滑曲面、尺寸精度高、轻量化一体结构的轨道交通铝合金钣金件的设计。轨道交通铝合金超塑成形钣金件设计方法可以设计比常规的冷冲压更加复杂的异形光滑曲面，同时具有较高尺寸精度和型面精度，零件表面更加光洁。

权利要求

1.一种轨道交通用铝合金钣金件，其特征在于：该铝合金钣金件为一框，该框由四个面围成，四个面分别为左侧面、右侧面、前表面和后表面，左侧面、前表面、右侧面和后表面依次连接形成一框，左侧面、右侧面、前表面和后表面均为曲面；左侧面与前表面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和后表面的连接部位为倒圆过渡，左侧面与后表面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和前表面的连接部位为倒圆过渡；

定义铝合金钣金件中前表面的长为a，左侧面的长为b，铝合金钣金件的四个曲面的面积和为S，铝合金板的厚度为t；倒圆的半径为R；则铝合金板的长度不小于a，铝合金板的宽度不小于b，1≤a/b≤10，100≤a≤3500，100≤b≤2500，(a+b)/2000≤t≤(a+b)/1000，0.2≤t≤6；0.5≤a×b/S≤1；2≤R/t≤10；

该轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法，步骤包括：

(1)在铝合金板的上表面和下表面均涂刷润滑剂；

(2)制备成形模具，该成形模具包括为铝合金钣金件的成形阴模和顶盖，顶盖带有空腔；

(3)对步骤(2)得到的成形模具进行加热；

(4)将步骤(1)中的铝合金板的上表面贴合成形模具中顶盖的底端；

(5)将铝合金板的下表面贴合成形阴模的顶端；

(6)给顶盖的空腔中通入气体；

(7)当铝合金板与成形阴模的五个面均贴合后，得到铝合金钣金件的毛坯件；

(8)切除步骤(7)得到的毛坯件底面，得到铝合金钣金件；

所述的步骤(1)中，铝合金板的材料为5052铝合金、5A06铝合金或5083铝合金；

所述的步骤(1)中，润滑剂的成分包括石墨和水，石墨和水的体积比为1：1-1.5；

所述的步骤(2)中，铝合金板放置到顶盖的底端时，能够使得顶盖的空腔形成密闭空间；顶盖的侧壁上带有用于给空腔充气的通孔；成形阴模和顶盖的材料均为钢；

所述的步骤(2)中，成形阴模为一盒型结构，包括五个面，分别为左侧面、右侧面、前表面、后表面和底面，其中，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的左侧面，成形阴模中的右侧面用于成形铝合金钣金件的右侧面，成形阴模中的前表面用于成形铝合金钣金件的前表面，成形阴模中的后表面用于成形铝合金钣金件的后表面；

所述的步骤(3)中，成形模具的加热温度为400-500℃；

所述的步骤(6)中，给顶盖的空腔中通入气体的压力为1-4MPa；

定义铝合金钣金件中前表面的长为a，左侧面的长为b，铝合金钣金件的四个曲面的面积和为S，铝合金板的厚度为t；倒圆的半径为R；则铝合金板的长度不小于a，铝合金板的宽度不小于b；1≤a/b≤10，100≤a≤3500，100≤b≤2500；(a+b)/2000≤t≤(a+b)/1000并且

0.2≤t≤6；0.5≤a×b/S≤1；2≤R/t≤10。

说明书

一种轨道交通用铝合金钣金件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种轨道交通用铝合金钣金件及其超塑成形方法，属于精密钣金加工技术领域，该方法能够成形异形光滑曲面、尺寸精度高、轻量化一体结构的轨道交通铝合金钣金件的设计。

背景技术

[0002] 随着轨道交通体系的不断发展和日臻完善，美观、环保、高速和节能已成为了现代化轨道交通的重要标志，这也对车辆组成部件设计制造方法提出了更高的要求。轨道交通结构件多采用玻璃钢构件，但玻璃钢件弹性模量低，刚性不足容易变形，长期耐温性差；在紫外线、风沙雪雨、机械应力作用下容易老化，导致性能下降；由于层间剪切强度是靠树脂来承担，所以剪切强度很低；重量较重，承力性能差；难以降解，不可回收再利用。

发明内容

[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轨道交通用铝合金钣金件及其超塑成形方法。

[0004] 本发明的技术解决方案是：

[0005] 一种轨道交通用铝合金钣金件，该铝合金钣金件为一框，该框由四个面围成，四个面分别为左侧面、右侧面、前表面和后表面，左侧面、前表面、右侧面和后表面依次连接形成一框，左侧面、右侧面、前表面和后表面均为曲面；左侧面与前表面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和后表面的连接部位为倒圆过渡，左侧面与低面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和前表面的连接部位为倒圆过渡。

[0006] 一种轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法，该方法的步骤包括：

[0007] (1)在铝合金板的上表面和下表面均涂刷润滑剂；铝合金板的材料为5052铝合金、5A06铝合金或5083铝合金；润滑剂的成分包括石墨和水，石墨和水的体积比为1：1-1.5，将石墨和水进行混合均匀后得到润滑剂；

[0008] (2)制备成形模具，该成形模具包括为铝合金钣金件的成形阴模和顶盖，顶盖带有空腔，步骤(1)中的铝合金板放置到顶盖的底端时，能够使得顶盖的空腔形成密闭空间；顶盖的侧壁上带有用于给空腔充气的通孔；

[0009] 成形阴模和顶盖的材料均为钢；成形阴模为一盒型结构，包括五个面，分别为左侧面、右侧面、前表面、后表面和底面，其中，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的左侧面，成形阴模中的右侧面用于成形铝合金钣金件的右侧面，成形阴模中的前表面用于成形铝合金钣金件的前表面，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的后表面，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的后表面；

[0010] (3)对步骤(2)得到的成形模具进行加热，加热温度为400-500℃；

[0011] (4)将步骤(1)中的铝合金板的上表面贴合成形模具中顶盖的底端，使顶盖的空腔形成密闭空间；

[0012] (5)将铝合金板的下表面贴合成形阴模的顶端；

[0013] (6)给顶盖的空腔中通入气体，通入气体的压力为1-4MPa；

[0014] (7)当铝合金板与成形阴模的五个面均贴合后，得到铝合金钣金件的毛坯件；

[0015] (8)切除步骤(7)得到的毛坯件底面，得到铝合金钣金件。

[0016] 定义铝合金钣金件中前表面的长为a，左侧面的长为b，铝合金钣金件的四个曲面的面积和为S，铝合金板的厚度为t；倒圆的半径为R；

[0017] 要求：铝合金板的长度不小于a，铝合金板的宽度不小于b；

[0018] 1≤a/b≤10，100≤a≤3500，100≤b≤2500；(a+b)/2000≤t≤(a+b)/1000 并且0.2≤t≤6；0.5≤a×b/S≤1；2≤R/t≤10。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] (1)本发明提出的轨道交通铝合金钣金件四个面均为曲面，倒圆过渡，具有光滑流畅的外形，迎风面阻力更小，使高速列车、地铁、轻轨等轨道交通车辆速度更快，更加节能；

[0021] (2)采用轨道交通用铝合金钣金件及其超塑成形方法，可制备单个最大零件尺寸，长3500mm，宽3500mm，厚度6mm，为一体式结构设计，大大减少焊缝数量；

[0022] (3)轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法在加热状态下实现轨道交通用铝合金钣金件成形，可以成形比常规的冷冲压更加复杂的异形光滑曲面，同时具有较高尺寸精度和型面精度，零件表面更加光洁；

[0023] (4)本发明5052铝合金、5A06铝合金或5083铝合金成形轨道交通用铝合金钣金件比原来的玻璃钢件重量更轻，承力效果更好；

[0024] (5)本发明采用石墨水溶剂使零件成形后表面更加光滑，表面粗糙度更好；

[0025] (6)轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法缩短轨道交通铝合金钣金件工艺流程，降低轨道交通铝合金钣金件加工成本，实现轨道交通铝合金钣金件高效率、高质量、低成本制造。

[0026] (7)轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法制备的轨道交通铝合金钣金件比使用轨道交通玻璃钢件更轻、更节能、更环保、阻燃性更好。

附图说明

[0027] 图1为实施例中铝合金钣金件的结构示意图；

[0028] 图2为实施例中成形模具中顶盖的结构示意图；

[0029] 图3为实施例中成形模具中成形阴模的结构示意图；

[0030] 图4为实施例中给铝合金板充气成形结构示意图。

具体实施方式

[0031] 以某典型轨道交通铝合金超塑成形钣金件为例，其形状尺寸见图1，零件材料为5083铝合金，外型面为异形光滑曲面，长度为2800mm，宽度为 1800mm，板材厚度为3mm，局部圆角为R12，尺寸精度为±1mm，要求该零件有较高承载能力，无焊缝，轻量化一体结构。

[0032] 具体实施方式按如下工艺步骤进行：

[0033] 按如图1所示，轨道交通铝合金超塑成形钣金件设计流程图进行。

[0034] 步骤一，选择材料种类：根据轨道交通铝合金钣金件在加工成本、承载能力和复杂程度等方面的要求，选择轨道交通铝合金超塑成形钣金件材料种类；轨道交通铝合金超塑成形钣金件材料种类有三种，即5052铝合金、5A06铝合金和5083铝合金；轨道交通铝合金超塑成形钣金件加工成本：5052铝合金 <5A06铝合金<5083铝合金；轨道交通铝合金超塑成形钣金件承载能力：5052 铝合金<5083铝合金<5A06铝合金；可加工轨道交通铝合金超塑成形钣金件复杂程度：5A06铝合金<5052铝合金<5083铝合金。由于该零件比较复杂，并且要求有较高的承载能力，因此，选取材料为5083铝合金。

[0035] 步骤二，设计外形轮廓：根据轨道交通铝合金钣金件承载能力要求设计轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形轮廓尺寸，即轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b；该零件长度a＝2800，宽度b＝1800mm，a/b＝1.56，符合轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b之间的关系：1≤a/b≤10， 100≤a≤3500，100≤b≤2500。

[0036] 步骤三，选择板材厚度：根据步骤二设计轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形轮廓尺寸，即轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b，选择轨道交通铝合金超塑成形钣金件原材料板材厚度t；轨道交通铝合金超塑成形钣金件原材料板材厚度t与轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b有以下关系： (a+b)/2000≤t≤(a+b)/1000并且0.2≤t≤6，即(2800+1800)/2000≤t≤ (2800+1800)/1000并且0.2≤t≤6，2.3≤t≤4.6，在2.3～4.6mm之间选取标准板材，最终选取t＝3mm，如图3所示。

[0037] 步骤四，设计曲面形状：根据步骤二设计轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形轮廓尺寸，即轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b，设计轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形曲面形状；轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形曲面形状如图4所示，轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形曲面形状面积 S＝6500mm2，a×b/S＝2800×1800/6500＝0.7，符合轨道交通铝合金超塑成形钣金件外形曲面形状面积S与轨道交通铝合金超塑成形钣金件长a和宽b之间关系：0.5≤a×b/S≤1。

[0038] 步骤五，设计局部圆角：根据步骤二选择轨道交通铝合金超塑成形钣金件原材料板材厚度，设计轨道交通铝合金超塑成形钣金件局部圆角尺寸R，轨道交通铝合金超塑成形钣金件局部圆角尺寸R与步骤二选择轨道交通铝合金超塑成形钣金件原材料板材厚度t有以下关系：2≤R/t≤10，即2≤R/3≤10，6≤R≤30，最终R选取为12mm。

[0039] 采用轨道交通铝合金超塑成形钣金件设计方法比常规的冷冲压设计方法，可设计出更加复杂的异形光滑曲面，同时型面精度由±5mm提升至±1mm，零件表面粗糙度由Ra6.3提升至Ra3.2以上；冷冲压设计由四部分焊接而成，而轨道交通铝合金超塑成形钣金件设计为轻量化一体式结构设计，无焊缝，减少轨道交通铝合金钣金件3道工序，降低轨道交通铝合金钣金件加工成本20％，加工效率提升30％以上。另外，使用轨道交通铝合金超塑成形钣金件比使用轨道交通玻璃钢件更轻、更环保、阻燃性更好。

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明的最佳实施例作进一步详细说明。

[0041] 以某典型轨道交通铝合金超塑成形钣金件为例，其形状尺寸见图1，零件材料为5083铝合金，外型面为异形光滑曲面，长度为2800mm，宽度为 1800mm，板材厚度为3mm，局部圆角为R12，尺寸精度为±1mm，

[0042] 实施例

[0043] 如图1所示，一种轨道交通用铝合金钣金件，该铝合金钣金件为一框，该框由四个面围成，四个面分别为左侧面、右侧面、前表面和后表面，左侧面、前表面、右侧面和后表面依次连接形成一框，左侧面、右侧面、前表面和后表面均为曲面；左侧面与前表面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和后表面的连接部位为倒圆过渡，左侧面与低面的连接部位为倒圆过渡，右侧面和前表面的连接部位为倒圆过渡。铝合金钣金件中前表面的长为a＝2800mm，左侧面的长为b＝1800mm，铝合金钣金件的四个曲面的面积和为S＝6000000mm2，铝合金板的厚度为t＝3mm；倒圆的半径为R＝12mm；要求：铝合金板的长度不小于a，铝合金板的宽度不小于b；1≤a/b＝1.56≤10，100≤a≤3500，100≤b≤2500； (a+b)/2000＝2.3≤t＝3≤(a+b)/1000＝4.6并且0.2≤t≤6；0.5≤a×b/S＝0.84≤1； 2≤R/t＝4≤10。尺寸精度为±1mm，要求该零件有较高承载能力，无焊缝，轻量化一体结构。

[0044] 一种轨道交通用铝合金钣金件的超塑成形方法，该方法的步骤包括：

[0045] (1)在铝合金板的上表面和下表面均涂刷润滑剂；铝合金板的材料为 5083铝合金；

[0046] (2)制备成形模具，该成形模具包括为铝合金钣金件的成形阴模3和顶盖1，如图2和图3所示，顶盖1带有空腔，步骤(1)中的铝合金板2放置到顶盖1的底端时，能够使得顶盖1的空腔形成密闭空间；顶盖1的侧壁上带有用于给空腔充气的通孔；

[0047] 成形阴模和顶盖的材料均为钢；成形阴模为一盒型结构，包括五个面，分别为左侧面、右侧面、前表面、后表面和底面，其中，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的左侧面，成形阴模中的右侧面用于成形铝合金钣金件的右侧面，成形阴模中的前表面用于成形铝合金钣金件的前表面，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的后表面，成形阴模中的左侧面用于成形铝合金钣金件的后表面；

[0048] (3)对步骤(2)得到的成形模具进行加热，加热温度为450℃；

[0049] (4)将步骤(1)中的铝合金板的上表面贴合成形模具中顶盖的底端，使顶盖的空腔形成密闭空间；

[0050] (5)将铝合金板的下表面贴合成形阴模的顶端；

[0051] (6)给顶盖的空腔中通入气体，通入气体的压力为2MPa，如图4所示；

[0052] (7)当铝合金板与成形阴模的五个面均贴合后，得到铝合金钣金件的毛坯件；

[0053] (8)切除步骤(7)得到的毛坯件底面，得到铝合金钣金件。

[0054] 定义铝合金钣金件中前表面的长为a，左侧面的长为b，铝合金钣金件的四个曲面的面积和为S，铝合金板的厚度为t；倒圆的半径为R；

[0055] 要求：铝合金板的长度不小于a，铝合金板的宽度不小于b；

[0056] 1≤a/b≤10，100≤a≤3500，100≤b≤2500；(a+b)/2000≤t≤(a+b)/1000 并且0.2≤t≤6；0.5≤a×b/S≤1；2≤R/t≤10。

[0057] 超塑成形得到铝合金钣金件经测量型面精度为±0.8mm比技术条件要求的型面精度为±1mm更优；原来玻璃钢件的重量为310kg，超塑成形得到铝合金钣金件重量为219kg，超塑成形得到铝合金钣金件比原来玻璃钢件轻29.4％，按照GB/T228-2010金属材料拉伸试验，原来玻璃钢件抗拉强度为50MPa，超塑成形得到铝合金钣金件抗拉强度在270MPa以上，承力效果提高5倍。