實(shí)心鋁型材三維自由彎曲成形技術(shù)研究

滕克磊

摘 要：高速動(dòng)車組車體大量采用三維鋁合金擠壓實(shí)心型材，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度要求高，給制造帶來極大的挑戰(zhàn)。近幾年三維自由彎曲成形技術(shù)作為一種新型柔性成形技術(shù)，在航空、汽車和軍工領(lǐng)域具有復(fù)雜空間軸線、異形截面空心構(gòu)件的成形方面得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了重要的作用。通過開展高速動(dòng)車組實(shí)心鋁合金擠壓型材三維成形技術(shù)研究，證明了該技術(shù)可以同時(shí)滿足空心、實(shí)心復(fù)雜空間軸線及異形截面鋁合金擠壓型材構(gòu)件三維精確成形要求。

關(guān)鍵詞：三維自由彎曲成形;高速動(dòng)車組制造;鋁合金型材

1 引言

高速動(dòng)車組為了克服由列車高速運(yùn)行引起的技術(shù)難題，適用中國線路運(yùn)用環(huán)境，在車體設(shè)計(jì)中采用了氣動(dòng)減阻、氣動(dòng)降噪、氣密強(qiáng)度和氣密性、模態(tài)匹配、減振降噪和輕量化等創(chuàng)新技術(shù)[1]。為減少動(dòng)車組在穿行隧道等特殊環(huán)境下空氣紊流對(duì)運(yùn)行態(tài)勢的影響，動(dòng)車組外形設(shè)計(jì)采用流線型設(shè)計(jì)，頭型部分采用鴨嘴、隼形等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的使用帶來了內(nèi)部承載構(gòu)件三維結(jié)構(gòu)的大量運(yùn)用。圖1是某型動(dòng)車組頭車內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)。

三維自由彎曲成形技術(shù)是基于三維軌跡控制柔性成形技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜軸線以及復(fù)雜截面的空心構(gòu)件一次整體精確成形[2]。自90年代發(fā)明以來，隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究工作的日臻完善，日本和德國企業(yè)陸續(xù)研發(fā)了商業(yè)化的自由彎曲成形裝備，在航天、汽車尤其是軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，獲得了一致好評(píng)。

2014年，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所曾元松研究員[3]在著作《航空鈑金制造技術(shù)》中國內(nèi)首次介紹了三維自由彎曲技術(shù)，并指出了其潛在的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。2016年，南京航空航天大學(xué)郭訓(xùn)忠副教授[4]在《三維自由彎曲成形技術(shù)及在航空制造業(yè)中的潛在應(yīng)用》中，從三維自由彎曲成形技術(shù)基本原理入手，對(duì)其在航空復(fù)雜彎曲構(gòu)件制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。2018年，南京航空航天大學(xué)陶杰教授[5]在《三維自由彎曲成形裝備及其關(guān)鍵技術(shù)》中，系統(tǒng)地介紹了三維自由彎曲技術(shù)的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)、重點(diǎn)分析了德國J.Neu公司等多家企業(yè)研制的三維自由彎曲成形裝備的5種典型構(gòu)型及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理。

2 三維自由彎曲成形技術(shù)和裝備

德國J.NEU公司的NSB-S六軸聯(lián)動(dòng)自由彎曲系統(tǒng)是其性能最先進(jìn)的一款產(chǎn)品。圖2和表1是該設(shè)備外形圖和技術(shù)參數(shù)表。

系統(tǒng)功能原理是彎曲材料被進(jìn)給裝置通過適配工具推進(jìn)，由CNC控制每軸的運(yùn)動(dòng)方向，使得套?？梢赃_(dá)成精確的組合動(dòng)作。機(jī)器由數(shù)控系統(tǒng)控制，在彎制型材時(shí)，通過3D測量系統(tǒng)讀取IGES數(shù)據(jù)回傳給機(jī)器，通過數(shù)模比對(duì)、修正控制程序，完成合格產(chǎn)品。圖3是自由彎曲系統(tǒng)原理圖。

3 高速動(dòng)車組制造三維鋁型材使用情況

基于輕量化、長服役周期的要求，高速動(dòng)車組采用AL-Mg（5000系列）及AL-Mg-Si（6000系列）和AL-Mg-Zn（7000系列）鋁合金材料，可以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求，具有質(zhì)量輕、抗腐蝕、易成形加工與焊接、可擠壓斷面復(fù)雜的中空型材、可回收性強(qiáng)的特點(diǎn)[6]。

AL-Mg鋁合金是早期使用的材料，具有好的焊接性能和抗腐蝕性，但擠壓加工性較差[7]。AL-Mg-Zn鋁合金是適用薄壁化、輕量化發(fā)展開發(fā)的，具有較好的擠壓性、材料強(qiáng)度、焊接性，AL-Mg-Si是為克服AL-Mg-Zn系鋁合金材料應(yīng)力腐蝕而研制的新型鋁合金材料[8]。

上述三系鋁合金中，AL-Mg鋁合金屬于熱處理，不可強(qiáng)化變形鋁合金、AL-Mg-Si和AL-Mg-Zn鋁合金材料屬于熱處理可強(qiáng)化變形鋁合金[9]。鋁型材熱處理的目的是通過對(duì)鋁材的加熱、保溫、冷卻，改變鋁材內(nèi)部的組織，從而獲得所期待的性能[10]。車體鋁型材的狀態(tài)主要采用H112、T5、T6狀態(tài)。

金屬材料的狀態(tài)主要指材料的冷、熱變形加工狀態(tài)（加工后的硬化程度）、鑄造方法、熱處理狀態(tài)等，不同狀態(tài)下的材料的性能往往不同，有時(shí)差別很大。國家標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金狀態(tài)代號(hào)》中將變形鋁合金的狀態(tài)分為基礎(chǔ)狀態(tài)和細(xì)分狀態(tài)，其中，“F”是自由加工狀態(tài)、“O”是退火狀態(tài)、“H”表示加工硬化狀態(tài)，“T”表示不同于F、O、或H狀態(tài)的熱處理狀態(tài)。各種基礎(chǔ)狀態(tài)后的數(shù)字表示細(xì)分狀態(tài)。H112、T5、T6狀態(tài)的鋁型材具有足夠的強(qiáng)度，但成形性能較差。O狀態(tài)的鋁型材雖然強(qiáng)度較低但可塑性很好。因此， 對(duì)于形狀復(fù)雜的三維鋁合金擠壓型材可以先使用O狀態(tài)的鋁型材進(jìn)行三維彎曲，再經(jīng)熱處理到H112、T5或T6狀態(tài)。

實(shí)踐證明，該工藝具有可行性，成形后進(jìn)行熱處理對(duì)構(gòu)件形狀的影響是可控的。

4 三維自由成形技術(shù)研究

在研究中，選用了某型動(dòng)車組頭車鋁合金車體前端用于前部窗玻璃安裝的內(nèi)部骨架組成，該骨架采用JIS H 4100A5083 H112 AL-Mg變形鋁合金擠壓實(shí)心型材，三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形難度大。具體形狀和實(shí)心型材斷面尺寸詳見圖4前窗骨架三維模型及型材斷面。

制造過程中為降低施工單獨(dú)、提高生產(chǎn)效率。

將制造工藝制定為先將前窗骨架分割成兩部分，三維成形后組裝焊接然后機(jī)械加工裝配缺口。分段成形時(shí)分段線在兩端，以長邊成形，單個(gè)構(gòu)件長度近4500mm。首先根據(jù)CRH2頭車前窗骨架實(shí)心擠壓型材斷面設(shè)計(jì)、制作專用模具，將專用模具安裝在設(shè)備控制頭上。專用模具中心的缺口形狀與被彎曲型材截面是一致的，施工中型材從此推出完成曲面自由彎曲。為降低成形難度、提高成形精度，研究中采用O態(tài)的鋁合金擠壓型材進(jìn)行彎曲，成形后進(jìn)行狀態(tài)處理實(shí)現(xiàn)H112規(guī)定的力學(xué)性能。

圖5是分段前窗骨架用擠壓型材利用三維自由彎曲系統(tǒng)進(jìn)行三維成形時(shí)的過程和模具主體圖，通過圖片可以觀察到專用模具安裝位置和方式，觀察到彎曲時(shí)型材與專用模具的工作關(guān)系，觀察到成形過程中到成形控制部分根據(jù)成形要求的姿態(tài)變化。

在制作過程中利用手工三坐標(biāo)測量裝置對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和采集，將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制系統(tǒng)，用分析軟件對(duì)測量數(shù)據(jù)和三維模型進(jìn)行比對(duì)。通過修正控制程序，提高實(shí)心鋁型材三維自由彎曲的尺寸精度，最終完成合格產(chǎn)品。

5 結(jié)語

通過技術(shù)研究，證明了三維自由彎曲成形技術(shù)可以同時(shí)滿足空心、實(shí)心復(fù)雜軸線及復(fù)雜截面鋁合金擠壓型材構(gòu)件一次性整體三維精確成形要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祝堂.中國軌道鐵路建設(shè)及其對(duì)鋁材需求[J].鋁合籍加工技術(shù)，2012，40（2）：1-11.

[2]MURATA M，KUBOKI K. CNC Tube Forming Method for Manufacturing Flexibly and 3-Dimensionally Bent Tubes[C]// 60 Excellent Inventions in metal forming，New YorK： Springer Verlag Berlin Heideberg，2015：363-368.

[3]曾元松.航空鈑金制造技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[4]郭訓(xùn)忠.三維自由彎曲成形技術(shù)及在航空制造業(yè)中的潛在應(yīng)用[J].航空航天技術(shù)，2016，23/24：16-24.

[5]陶杰.三維自由彎曲成形裝備及其關(guān)鍵技術(shù)[J].精密成形技術(shù)，2018，10（4）：1-13.

[6]梁建英，丁叁叁，田愛琴.新一代高速動(dòng)車組車體設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2015，17（4）：63-68.

[7]張碩韶，王建功，白彥超，閻峰.高速動(dòng)車組鋁合金車體設(shè)計(jì)[J].中國鐵路，2013，02：43-47.

[8]何廣忠，劉長青.動(dòng)車組鋁合金車體材料的發(fā)展與選型分析[J].焊接，2015，1：13-16.

[9]孟家?.鋁及鋁合金的牌號(hào)、代號(hào)、狀態(tài)、品種標(biāo)準(zhǔn)綜述[J].艦船標(biāo)準(zhǔn)化工程師， 2005，總第227期（05）：7-15.

[10]劉文韜.鋁合金擠壓成型技術(shù)及表面處理、陽極氧化與噴涂、焊接新工藝和擠壓設(shè)備、模具設(shè)計(jì)制造哦選用使用手冊(cè) 寧夏大地出版社 2007年第1版404.