大尺寸铝合金件超塑成形模具设计与尺寸补偿技术研究

摘要

由于轨道车辆轻量化的要求，用铝合金材料代替钢材是最有效的途径之一，但在常温条件下具有复杂形状的铝合金薄板零件成形时，会出现回弹、失稳起皱和拉裂现象，导致成形失败，应用超塑性成形技术可以解决常温无法成形这一难题。在大尺寸铝合金薄板零件超塑成形过程中，由于模具材料和铝合金的线膨胀系数不同，导致零件尺寸精度难以满足技术要求，为保证成形后产品尺寸在允许公差范围内，必须使用合适的补偿系数对模具型面尺寸进行补偿。具有复杂曲面的零件及模具的膨胀和收缩过程是非线性、多因素影响的，采用传统的“试错法”逐步修正模具型面费时耗资。本文以地铁车辆窗体零件为实验对象，进行了超塑成形工艺分析和模具设计，提出了基于有限元模拟的模具补偿技术，并进行了验证，对补偿系数做了较深入研究。主要工作如下：
　　 1.系统地分析了铝合金超塑性及其成形技术的发展现状，以及超塑性数值模拟技术在国内外的研究状况和发展趋势，阐述了铝合金超塑成形技术在地铁车辆中的应用情况。
　　 2.以地铁车辆窗体零件为实验对象，根据零件的形状特征进行了超塑成形的工艺分析和模具设计。设计了20组温度和应变速率的参数组合，利用有限元软件对窗体零件的气胀成形工艺进行了数值模拟研究，并根据模拟结果中的壁厚分布得出最优参数组合，分析了温度和应变速率对成形件最小壁厚的影响。
　　 3.采用非线性有限元软件Marc建立了板料和模具的有限元模型，分别两次对由不同补偿系数修正的窗体零件模具，成功地进行了超塑成形全过程的模拟，模拟包括模具加热膨胀、板料气胀成形和成形件冷却收缩三个阶段，获得了可用于修正模具型腔尺寸的补偿系数取值范围，并选择一组补偿系数修正实际模具的型面尺寸。模拟结果与实测数据较为吻合，实验表明基于有限元模拟的模具补偿技术是正确可行的，这对开展大尺寸铝合金件超塑成形工艺的应用以及优化模具设计具有重要的实际意义和应用价值。