超塑成形技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

秦中環(huán)，徐柄桐，李保永，劉 奇，徐 凱，葉志雄

(北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013)

隨著軌道交通體系的不斷發(fā)展和日臻完善，美觀、環(huán)保、高速和節(jié)能已成為了現(xiàn)代化軌道交通的重要標(biāo)志，這也對(duì)車輛組成部件設(shè)計(jì)制造方法提出了更高的要求，以輕量化為主體的先進(jìn)車輛材料技術(shù)已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).大量采用鋁合金材料是提高車輛輕量化的最有效的途徑，采用大型薄壁、中空擠壓型材，鋁合金板材等輕質(zhì)合金加工制造高速列車、地鐵、輕軌等軌道交通車輛用車體結(jié)構(gòu)件(如圖1所示)，以及采用鋁合金制造的包括車窗框架、座椅支架、通風(fēng)管、復(fù)雜形狀的面板、內(nèi)部裝飾板、水箱等列車內(nèi)設(shè)備及其它結(jié)構(gòu)件，具有重量輕、耐腐蝕、美觀和防涂寫(xiě)等優(yōu)良性能[1].然而，由于鋁合金與傳統(tǒng)鋼板相比，冷成形回彈大，成形精度低，可變形量小，制約了鋁合金的應(yīng)用，利用材料在超塑狀態(tài)下優(yōu)異變形能力發(fā)展起來(lái)的超塑成形技術(shù)是解決鋁合金成形問(wèn)題的有效方法之一[2-3].超塑成形可以在小噸位設(shè)備上成形形狀復(fù)雜、其他塑性加工工藝難以或不能成形的零件，可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，滿足軌道車輛鋁合金零件的成形需要[4-6].目前，國(guó)內(nèi)外超塑成形技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，軌道車輛民用大尺寸復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)仍不成熟，國(guó)內(nèi)超塑構(gòu)件民用化進(jìn)程還很緩慢，快速超塑成形技術(shù)還未取得關(guān)鍵性突破[7].

1 超塑成形簡(jiǎn)介

1.1 超塑成形原理

超塑性是材料在特定條件下的一種特殊現(xiàn)象，材料在斷裂之前表現(xiàn)出均勻大延伸率的能力，不出現(xiàn)頸縮，也不會(huì)斷裂，延伸率超過(guò)200%即認(rèn)為其具有超塑性[8-10]，如圖2所示[11].超塑成形是指在一定的溫度和變形速率條件下，材料呈現(xiàn)超塑性時(shí)施加壓力使材料產(chǎn)生變形.超塑成形的材料多為板材，施加的壓力多為氣體壓力.一般地，超塑成形需滿足平均晶粒尺寸小于10 μm、溫度大于0.5Tm(合金熔點(diǎn))、應(yīng)變速率介于10-5～10-1s-1之間等條件[12-13].

圖1 世界各國(guó)軌道交通車輛

圖2 TA12A鈦合金超塑拉伸結(jié)果[11]

Fig.2 Superplastic tensile results of TA12A titanium alloy[11]

同其他的塑性加工方法相比，超塑成形具有一次成形、成形精度高、成形性好、變形抗力低、設(shè)計(jì)靈活、成形后鍛件無(wú)回彈和殘余應(yīng)力、能加工塑性差的材料、材料利用率高、減少后續(xù)加工過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)[14].但超塑變形對(duì)晶粒尺寸和應(yīng)變速率敏感，很大程度上造成了材料成本的增加和生產(chǎn)效率的降低[15].超塑成形通常為減薄成形，壁厚分布不易控制[16].

1.2 超塑成形過(guò)程

超塑成形可以用于制造大型薄壁復(fù)雜構(gòu)件，能大大減少螺栓、鉚釘?shù)染o固件的使用數(shù)量，減少裝配時(shí)間和困難程度[17-18].板材超塑成形包括氣脹成形、超塑拉深和超塑成形-擴(kuò)散連接等形式.超塑成形利用氣體壓力的變化使板材在模具上貼膜，僅需單個(gè)型面模具就可以完成成形.典型超塑成形過(guò)程為：備料→模具升溫→板材預(yù)熱→加壓密封→充氣成形→放氣卸壓→開(kāi)模取件，如圖3所示.利用超塑成形方法，可以制造具有復(fù)雜幾何形狀的零件，鋁合金超塑成形典型產(chǎn)品如圖 4所示.

2 超塑成形在軌道交通上的應(yīng)用

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 快速超塑成形材料制備方法

超塑性材料制備困難和成形效率不高是其市場(chǎng)化應(yīng)用的主要限制因素.例如，對(duì)于鋁合金，超塑成形應(yīng)變速率一般需小于1×10-3s-1.為促進(jìn)鋁合金等輕質(zhì)合金商業(yè)化，研究者們致力于實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變速率超塑成形(≥10-2s-1).研究表明當(dāng)鋁合金晶粒尺寸處于亞微米范圍內(nèi)且存在大角度晶界時(shí)，可以顯著提高超塑變形能力.鋁合金晶粒細(xì)化方法主要包括添加合金元素、機(jī)械熱處理和大塑形變形等等.Mikhaylovskaya A V等人[19]在Al-(3.5-4.5)Zn-(3.5-4.5)Mg-(0.7-0.9)Cu合金中加入合金化元素Ni和Zr， Zr對(duì)晶界的釘扎作用和Al3Ni共晶顆粒的形成促進(jìn)晶粒再結(jié)晶、抑制晶粒長(zhǎng)大.合金在溫度380～480 ℃和應(yīng)變速率2×10-3～1×10-1s-1范圍內(nèi)呈現(xiàn)超塑性，m值大于0.5，延伸率達(dá)到400%～800%.在大塑性變形法中等通道角擠壓(ECAP)應(yīng)用最為廣泛，但其所用坯料通常為長(zhǎng)方形或圓形棒料，不適用于軌道交通用超塑成形板材的制備.基于此Nikulin等人[20]將等通道角擠壓和等溫軋制相結(jié)合，制備了平均晶粒尺寸1.4 μm、存在67%大角度晶界的7055鋁合金板材.該材料在應(yīng)變速率大于10-2s-1下延伸率可達(dá)到670%，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m在0.44左右.隨著大角度晶界分?jǐn)?shù)的增加，超塑性能也有所提高.Talebanpour等人[21]開(kāi)發(fā)出了通道為T(mén)形的雙等通道側(cè)向擠壓法(DECLE).Fakhar等人[22]利用DECLE法獲得細(xì)晶(1 μm)和超細(xì)晶(200 nm)AA5083鋁合金，經(jīng)過(guò)單道次處理后鋁合金的m值即可獲得相當(dāng)大的提高，最高可達(dá)0.43.

圖3 超塑成形原理示意圖(a)成形前(b)成形中(c)成形后

圖4鋁合金超塑成形典型產(chǎn)品(a)地鐵車頭(b)汽車前翼子板(c)發(fā)燒級(jí)音響(d)飛機(jī)艙門(mén)

Fig.4 Typical products of Superplastic forming aluminum alloy; (a) the head part of metro; (b) the front fender of car; (c) professional accdio equipment; (d) aircraft door

2.1.2 超塑成形設(shè)備及主要產(chǎn)品

在軌道交通應(yīng)用水平、大規(guī)模生產(chǎn)及工業(yè)化方面，國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家總體上領(lǐng)先于我國(guó)，多家外國(guó)公司已具備設(shè)計(jì)、研發(fā)和批量生產(chǎn)軌道交通用超塑構(gòu)件的能力[23]，而擁有先進(jìn)超塑成形設(shè)備是生產(chǎn)大型復(fù)雜民用構(gòu)件的基本條件.隨著超塑成形技術(shù)的發(fā)展，超塑成形機(jī)臺(tái)面尺寸也越來(lái)越大，加壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也越來(lái)越先進(jìn).國(guó)外超塑成形機(jī)制造商主要有法國(guó)ACB、美國(guó)ERIE公司、美國(guó)Savage公司、加拿大Accudyne Engineering & Equipment 公司、英國(guó)Rhodes Interform Limited公司和瑞士Form Tec AG公司等等[24].工作溫度、臺(tái)面尺寸、成形噸位、自動(dòng)化控制系統(tǒng)先進(jìn)程度是衡量超塑成形能力的關(guān)鍵指標(biāo)，壓力、溫度、位移的精確控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，圖 5為ACB公司制造的超塑成形機(jī)，可用于鈦合金和鋁合金的超塑成形和超塑成形/擴(kuò)散連接.

圖5 ACB公司制造的超塑成形機(jī)

Fig.5 Superplastic forming machine made by ACB company

借助于先進(jìn)超塑成形設(shè)備優(yōu)勢(shì)，國(guó)外已形成較大軌道交通車輛超塑部件生產(chǎn)規(guī)模.圖6為法國(guó)阿爾斯通(Alston)公司使用厚度為1.2 mm的5083鋁合金超塑成形出的座椅，使用超塑性鋁合金成形出的座椅重量輕，強(qiáng)度高，且具有良好的防火性能.加拿大龐巴迪(Bombardier)公司使用2 mm厚的5083 鋁合金板料超塑成形出了地鐵車廂通風(fēng)板零件.世界上著名的高速列車，如法國(guó)的TGV，德國(guó)的ICE等列車車體結(jié)構(gòu)均采用鋁合金制造，如圖 7所示.法國(guó)地鐵最先把鋁合金材料用于鐵道客車的窗框上，英國(guó)也采用鋁合金制作鐵路電動(dòng)車的外墻板和內(nèi)部裝飾材料.作為全球領(lǐng)先的超塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造公司，英國(guó)Superform公司已生產(chǎn)多種鐵路用超塑構(gòu)件，圖 8為Superform 公司利用鋁合金超塑成形出面板、側(cè)窗、門(mén)立柱等零件，不僅能很好的滿足工業(yè)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保持防火、輕量級(jí)和碰撞要求.

圖6 Alstom公司生產(chǎn)的地鐵座椅零件

圖7 列車車頭蒙皮

圖8 Superform公司生產(chǎn)的超塑成形零件

Fig.8 Superplastic forming parts produced by Superform Company

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 超塑成形設(shè)備

超塑成形概念最初由王仲仁教授等人引入國(guó)內(nèi)[25]，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在超塑性材料的研制開(kāi)發(fā)、超塑變形理論構(gòu)建、超塑成形工藝改進(jìn)創(chuàng)新、超塑成形過(guò)程有限元模擬、超塑成形精度控制以及超塑成形與其他成形方法有機(jī)結(jié)合等方面取得了很大進(jìn)步[26-27].但隨著超塑成形民用化步伐的加快，超塑成形面臨生產(chǎn)成本和效率的雙重考驗(yàn)，對(duì)成形設(shè)備也提出了更高的要求.北京航空制造工程研究所、北京機(jī)電研究所、南京航空航天大學(xué)等單位設(shè)計(jì)制造了從1 000 kN到5 000 kN的多種超塑成形機(jī)，在溫度、應(yīng)變速率精度控制方面取得了較大進(jìn)展.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院開(kāi)發(fā)制造出了快速超塑成形機(jī)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)和工序過(guò)程的自動(dòng)化控制，提高了產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)制造能力、生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率.北京航星機(jī)器制造有限公司自主研發(fā)了HX-HF1000三工位熱成形機(jī)和HX-SPF2000超高溫超塑成形機(jī)，獲評(píng)為2016年度中國(guó)工業(yè)首臺(tái)重大技術(shù)裝備示范項(xiàng)目，如圖 9所示.三工位熱成形機(jī)爐膛尺寸3 600 mm×2 600 mm，最高溫度1 000 ℃，擁有1個(gè)上平臺(tái)和2個(gè)下平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高溫下工裝的快速換裝.超高溫超塑成形機(jī)爐膛尺寸3 600 mm×2 600 mm，最高溫度1200 ℃，可實(shí)現(xiàn)耐高溫材料的熱成形和超塑成形.這些大型成形設(shè)備的應(yīng)用極大提高了我國(guó)民用復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)能力，也為超塑民品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了保障[28-29].

2.2.2 超塑鋁合金制備及成形工藝

原始板材對(duì)超塑變形能力有很大影響，具有微細(xì)等軸晶粒組織的合金更有利于超塑性的實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)細(xì)晶對(duì)材料的預(yù)處理要求很高，不利于壓縮控制生產(chǎn)成本的實(shí)際需要.因此，掌握關(guān)鍵材料處理方法，在不影響超塑性能的前提下盡可能減少處理環(huán)節(jié)，對(duì)超塑成形產(chǎn)品的民用化意義重大.東北輕合金公司[30]針對(duì)普通鋁合金中制備成板材后高溫超塑成形性能不佳及力學(xué)性能不高等問(wèn)題，發(fā)明了一套制備軌道交通用鋁合金超塑性板材的方法，包括熔煉鑄錠、均勻化退火、熱軋、中間退火和二次軋制.經(jīng)處理后的板材高溫成形性能和表面質(zhì)量得到了很大提高.徐國(guó)富等人[31]利用異步軋制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種Al-Mg-Sc-Zr合金的高應(yīng)變速率超塑成形.經(jīng)軋制后，Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸可達(dá)到1.5 μm，顯微組織由細(xì)晶結(jié)構(gòu)、大量大角度晶界和彌散均勻的納米尺度Al3(Sc,Zr)顆粒組成.在溫度450～500 ℃和應(yīng)變速率1×10-2～2.5×10-1s-1范圍內(nèi)延伸率可達(dá)1 000%以上，m值可達(dá)0.5.

圖9 北京航星機(jī)器制造有限公司自主研發(fā)的三工位熱成形機(jī)和超高溫超塑成形機(jī)

Fig.9 Three-location thermoforming machine and ultra-high temperature superplastic forming machine independently developed by the Beijing Hangxing Techology Development Co. Ltd.

在成形工藝方面，劉仁飛[32]以地鐵車輛窗體零件為對(duì)象，根據(jù)零件的形狀特征進(jìn)行了超塑成形的工藝分析和模具設(shè)計(jì)，提出了基于有限元模擬的模具補(bǔ)償技術(shù)，獲得了可用于修正模具型腔尺寸的補(bǔ)償系數(shù)取值范圍，對(duì)后續(xù)開(kāi)展大尺寸鋁合金件超塑成形工藝研究以及優(yōu)化模具設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值.為解決現(xiàn)有軌道車輛用鋁合金覆蓋零件存在生產(chǎn)效率低和生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，王國(guó)峰[33]提出了一種軌道車輛用鋁合金覆蓋零件的超塑成形模具設(shè)計(jì)方法，即在鋁合金板料成形到一定位置后，再原位進(jìn)行超塑氣脹成形，從而縮短成形時(shí)間，降低成本，利于改善壁厚局部減薄.中國(guó)中車唐林等人[34]通過(guò)對(duì)HMn52-2-5黃銅的超塑成形工藝研究，采用超塑性等溫成形工藝制造復(fù)雜精密零件，提高了材料利用率和使用性能，滿足了鐵路提速重載下對(duì)該種產(chǎn)品的使用要求.北京航星機(jī)器制造有限公司采用超塑成形方法制造了鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件，鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件成形過(guò)程如圖10所示.

圖10 鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件制造過(guò)程

Fig.10 Manufacturing process of aluminum alloy profiled thin-wall metro interior parts

成形后尺寸精度達(dá)到±0.5 mm，外形光潔美觀，裝車效果如圖11所示.不僅實(shí)現(xiàn)了減輕結(jié)構(gòu)重量，增加阻燃安全性，綠色節(jié)能環(huán)保等目的，還打破了國(guó)外同類型構(gòu)件的技術(shù)封鎖，增強(qiáng)了我國(guó)高鐵、地鐵等高端民用產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，推動(dòng)了工藝技術(shù)創(chuàng)新，是軍民融合的成功實(shí)踐.

圖11 鋁合金異形薄壁地鐵內(nèi)飾件裝車效果

Fig.11 Loading effectiveness of aluminum alloy profiled thin-wall metro interior parts

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著超塑成形基礎(chǔ)理論、工藝優(yōu)化和設(shè)備改進(jìn)等方面研究的深入，推進(jìn)超塑成形技術(shù)民用化已成為共識(shí).軌道交通車輛作為代表性的高端民用產(chǎn)品，車體和車內(nèi)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)較多、高速列車運(yùn)行速度快、工作環(huán)境多變，利用傳統(tǒng)工藝成形零件往往需多次成形、成形精度差、性能指標(biāo)低，超塑成形技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用為軌道交通用復(fù)雜產(chǎn)品高精度成形提供了一種有效解決方法.國(guó)外多種軌道交通用部件已進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)超塑成形民用化進(jìn)行了一定程度的探索，但基本處于預(yù)研階段.超塑成形民用化，尤其是在軌道交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用，還需在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

1)研究更多滿足不同設(shè)計(jì)要求的超塑成形用鋁合金.國(guó)外根據(jù)設(shè)計(jì)要求研發(fā)多種牌號(hào)鋁合金，以滿足不同設(shè)計(jì)要求，而國(guó)內(nèi)用于超塑成形的鋁合金板材僅有5083一種牌號(hào)，并且需要向鋁材廠家進(jìn)行訂購(gòu)，不僅采購(gòu)周期長(zhǎng)，而且大大限制了鋁合金超塑成形的應(yīng)用范圍.

2)摸索效率更高并且成本更低的超塑成形工藝方法.超塑成形的成本和周期通常是常規(guī)沖壓的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極大地限制了超塑成形技術(shù)的應(yīng)用.往往常規(guī)沖壓不能成形的構(gòu)件，寧愿采用拼焊校形的方式，犧牲產(chǎn)品精度和性能，也不會(huì)考慮超塑成形方案.

3)研發(fā)符合民用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的專用超塑成形設(shè)備.超塑成形技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多，現(xiàn)有的超塑成形設(shè)備也主要是針對(duì)航空航天產(chǎn)品特點(diǎn)研制.民用產(chǎn)品和航空航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求有著顯著差別，研發(fā)符合民用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的專用超塑成形設(shè)備，有利于降低超塑成形的成本和周期，拓寬超塑成形在民用產(chǎn)品的應(yīng)用范圍.