實心鋁型材三維自由彎曲成形技術研究

滕克磊

摘 要：高速動車組車體大量采用三維鋁合金擠壓實心型材，結構復雜、尺寸精度要求高，給制造帶來極大的挑戰。近幾年三維自由彎曲成形技術作為一種新型柔性成形技術，在航空、汽車和軍工領域具有復雜空間軸線、異形截面空心構件的成形方面得到廣泛的應用，發揮了重要的作用。通過開展高速動車組實心鋁合金擠壓型材三維成形技術研究，證明了該技術可以同時滿足空心、實心復雜空間軸線及異形截面鋁合金擠壓型材構件三維精確成形要求。

關鍵詞：三維自由彎曲成形;高速動車組制造;鋁合金型材

1 引言

高速動車組為了克服由列車高速運行引起的技術難題，適用中國線路運用環境，在車體設計中采用了氣動減阻、氣動降噪、氣密強度和氣密性、模態匹配、減振降噪和輕量化等創新技術[1]。為減少動車組在穿行隧道等特殊環境下空氣紊流對運行態勢的影響，動車組外形設計采用流線型設計，頭型部分采用鴨嘴、隼形等結構。這些結構的使用帶來了內部承載構件三維結構的大量運用。圖1是某型動車組頭車內部骨架結構。

三維自由彎曲成形技術是基于三維軌跡控制柔性成形技術的重要創新，能夠實現復雜軸線以及復雜截面的空心構件一次整體精確成形[2]。自90年代發明以來，隨著相關基礎研究工作的日臻完善，日本和德國企業陸續研發了商業化的自由彎曲成形裝備，在航天、汽車尤其是軍工領域得到廣泛應用，獲得了一致好評。

2014年，中航工業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》中國內首次介紹了三維自由彎曲技術，并指出了其潛在的技術優勢和應用前景。2016年，南京航空航天大學郭訓忠副教授[4]在《三維自由彎曲成形技術及在航空制造業中的潛在應用》中，從三維自由彎曲成形技術基本原理入手，對其在航空復雜彎曲構件制造領域的應用前景進行了分析和展望。2018年，南京航空航天大學陶杰教授[5]在《三維自由彎曲成形裝備及其關鍵技術》中，系統地介紹了三維自由彎曲技術的發展歷程、關鍵技術、重點分析了德國J.Neu公司等多家企業研制的三維自由彎曲成形裝備的5種典型構型及其機構運動原理。

2 三維自由彎曲成形技術和裝備

德國J.NEU公司的NSB-S六軸聯動自由彎曲系統是其性能最先進的一款產品。圖2和表1是該設備外形圖和技術參數表。

系統功能原理是彎曲材料被進給裝置通過適配工具推進，由CNC控制每軸的運動方向，使得套模可以達成精確的組合動作。機器由數控系統控制，在彎制型材時，通過3D測量系統讀取IGES數據回傳給機器，通過數模比對、修正控制程序，完成合格產品。圖3是自由彎曲系統原理圖。

3 高速動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，可以滿足結構強度和剛度要求，具有質量輕、抗腐蝕、易成形加工與焊接、可擠壓斷面復雜的中空型材、可回收性強的特點[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、輕量化發展開發的，具有較好的擠壓性、材料強度、焊接性，AL-Mg-Si是為克服AL-Mg-Zn系鋁合金材料應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化變形鋁合金[9]。鋁型材熱處理的目的是通過對鋁材的加熱、保溫、冷卻，改變鋁材內部的組織，從而獲得所期待的性能[10]。車體鋁型材的狀態主要采用H112、T5、T6狀態。

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

實踐證明，該工藝具有可行性，成形后進行熱處理對構件形狀的影響是可控的。

4 三維自由成形技術研究

在研究中，選用了某型動車組頭車鋁合金車體前端用于前部窗玻璃安裝的內部骨架組成，該骨架采用JIS H 4100A5083 H112 AL-Mg變形鋁合金擠壓實心型材，三維結構復雜、成形難度大。具體形狀和實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、提高生產效率。

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械加工裝配缺口。分段成形時分段線在兩端，以長邊成形，單個構件長度近4500mm。首先根據CRH2頭車前窗骨架實心擠壓型材斷面設計、制作專用模具，將專用模具安裝在設備控制頭上。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態的鋁合金擠壓型材進行彎曲，成形后進行狀態處理實現H112規定的力學性能。

圖5是分段前窗骨架用擠壓型材利用三維自由彎曲系統進行三維成形時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，觀察到彎曲時型材與專用模具的工作關系，觀察到成形過程中到成形控制部分根據成形要求的姿態變化。

在制作過程中利用手工三坐標測量裝置對試驗件進行數據測量和采集，將測量數據導入控制系統，用分析軟件對測量數據和三維模型進行比對。通過修正控制程序，提高實心鋁型材三維自由彎曲的尺寸精度，最終完成合格產品。

5 結語

通過技術研究，證明了三維自由彎曲成形技術可以同時滿足空心、實心復雜軸線及復雜截面鋁合金擠壓型材構件一次性整體三維精確成形要求。

參考文獻：

[1]王祝堂.中國軌道鐵路建設及其對鋁材需求[J].鋁合籍加工技術，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[M].北京：航空工業出版社，2014.

[4]郭訓忠.三維自由彎曲成形技術及在航空制造業中的潛在應用[J].航空航天技術，2016，23/24：16-24.

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

[6]梁建英，丁叁叁，田愛琴.新一代高速動車組車體設計創新技術[J].中國工程科學，2015，17（4）：63-68.

[7]張碩韶，王建功，白彥超，閻峰.高速動車組鋁合金車體設計[J].中國鐵路，2013，02：43-47.

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

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

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