实心铝型材三维自由弯曲成形技术研究

摘 要：高速动车组车体大量采用三维铝合金挤压实心型材，结构复杂、尺寸精度要求高，给制造带来极大的挑战。近几年三维自由弯曲成形技术作为一种新型柔性成形技术，在航空、汽车和军工领域具有复杂空间轴线、异形截面空心构件的成形方面得到广泛的应用，发挥了重要的作用。通过开展高速动车组实心铝合金挤压型材三维成形技术研究，证明了该技术可以同时满足空心、实心复杂空间轴线及异形截面铝合金挤压型材构件三维精确成形要求。

关键词：三维自由弯曲成形;高速动车组制造;铝合金型材

1 引言

高速动车组为了克服由列车高速运行引起的技术难题，适用中国线路运用环境，在车体设计中采用了气动减阻、气动降噪、气密强度和气密性、模态匹配、减振降噪和轻量化等创新技术[1]。为减少动车组在穿行隧道等特殊环境下空气紊流对运行态势的影响，动车组外形设计采用流线型设计，头型部分采用鸭嘴、隼形等结构。这些结构的使用带来了内部承载构件三维结构的大量运用。图1是某型动车组头车内部骨架结构。

三维自由弯曲成形技术是基于三维轨迹控制柔性成形技术的重要创新，能够实现复杂轴线以及复杂截面的空心构件一次整体精确成形[2]。自90年代发明以来，随着相关基础研究工作的日臻完善，日本和德国企业陆续研发了商业化的自由弯曲成形装备，在航天、汽车尤其是军工领域得到广泛应用，获得了一致好评。

2014年，中航工业北京航空制造工程研究所曾元松研究员[3]在著作《航空钣金制造技术》中国内首次介绍了三维自由弯曲技术，并指出了其潜在的技术优势和应用前景。2016年，南京航空航天大学郭训忠副教授[4]在《三维自由弯曲成形技术及在航空制造业中的潜在应用》中，从三维自由弯曲成形技术基本原理入手，对其在航空复杂弯曲构件制造领域的应用前景进行了分析和展望。2018年，南京航空航天大学陶杰教授[5]在《三维自由弯曲成形装备及其关键技术》中，系统地介绍了三维自由弯曲技术的发展历程、关键技术、重点分析了德国J.Neu公司等多家企业研制的三维自由弯曲成形装备的5种典型构型及其机构运动原理。

2 三维自由弯曲成形技术和装备

德国J.NEU公司的NSB-S六轴联动自由弯曲系统是其性能最先进的一款产品。图2和表1是该设备外形图和技术参数表。

系统功能原理是弯曲材料被进给装置通过适配工具推进，由CNC控制每轴的运动方向，使得套模可以达成精确的组合动作。机器由数控系统控制，在弯制型材时，通过3D测量系统读取IGES数据回传给机器，通过数模比对、修正控制程序，完成合格产品。图3是自由弯曲系统原理图。

3 高速动车组制造三维铝型材使用情况

基于轻量化、长服役周期的要求，高速动车组采用AL-Mg（5000系列）及AL-Mg-Si（6000系列）和AL-Mg-Zn（7000系列）铝合金材料，可以满足结构强度和刚度要求，具有质量轻、抗腐蚀、易成形加工与焊接、可挤压断面复杂的中空型材、可回收性强的特点[6]。

AL-Mg铝合金是早期使用的材料，具有好的焊接性能和抗腐蚀性，但挤压加工性较差[7]。AL-Mg-Zn铝合金是适用薄壁化、轻量化发展开发的，具有较好的挤压性、材料强度、焊接性，AL-Mg-Si是为克服AL-Mg-Zn系铝合金材料应力腐蚀而研制的新型铝合金材料[8]。

上述三系铝合金中，AL-Mg铝合金属于热处理，不可强化变形铝合金、AL-Mg-Si和AL-Mg-Zn铝合金材料属于热处理可强化变形铝合金[9]。铝型材热处理的目的是通过对铝材的加热、保温、冷却，改变铝材内部的组织，从而获得所期待的性能[10]。车体铝型材的状态主要采用H112、T5、T6状态。

金属材料的状态主要指材料的冷、热变形加工状态（加工后的硬化程度）、铸造方法、热处理状态等，不同状态下的材料的性能往往不同，有时差别很大。国家标准《变形铝及铝合金状态代号》中将变形铝合金的状态分为基础状态和细分状态，其中，“F”是自由加工状态、“O”是退火状态、“H”表示加工硬化状态，“T”表示不同于F、O、或H状态的热处理状态。各种基础状态后的数字表示细分状态。H112、T5、T6状态的铝型材具有足够的强度，但成形性能较差。O状态的铝型材虽然强度较低但可塑性很好。因此， 对于形状复杂的三维铝合金挤压型材可以先使用O状态的铝型材进行三维弯曲，再经热处理到H112、T5或T6状态。

实践证明，该工艺具有可行性，成形后进行热处理对构件形状的影响是可控的。

4 三维自由成形技术研究

在研究中，选用了某型动车组头车铝合金车体前端用于前部窗玻璃安装的内部骨架组成，该骨架采用JIS H 4100A5083 H112 AL-Mg变形铝合金挤压实心型材，三维结构复杂、成形难度大。具体形状和实心型材断面尺寸详见图4前窗骨架三维模型及型材断面。

制造过程中为降低施工单独、提高生产效率。

将制造工艺制定为先将前窗骨架分割成两部分，三维成形后组装焊接然后机械加工装配缺口。分段成形时分段线在两端，以长边成形，单个构件长度近4500mm。首先根据CRH2头车前窗骨架实心挤压型材断面设计、制作专用模具，将专用模具安装在设备控制头上。专用模具中心的缺口形状与被弯曲型材截面是一致的，施工中型材从此推出完成曲面自由弯曲。为降低成形難度、提高成形精度，研究中采用O态的铝合金挤压型材进行弯曲，成形后进行状态处理实现H112规定的力学性能。

图5是分段前窗骨架用挤压型材利用三维自由弯曲系统进行三维成形时的过程和模具主体图，通过图片可以观察到专用模具安装位置和方式，观察到弯曲时型材与专用模具的工作关系，观察到成形过程中到成形控制部分根据成形要求的姿态变化。

在制作过程中利用手工三坐标测量装置对试验件进行数据测量和采集，将测量数据导入控制系统，用分析软件对测量数据和三维模型进行比对。通过修正控制程序，提高实心铝型材三维自由弯曲的尺寸精度，最终完成合格产品。

5 结语

通过技术研究，证明了三维自由弯曲成形技术可以同时满足空心、实心复杂轴线及复杂截面铝合金挤压型材构件一次性整体三维精确成形要求。

参考文献：

[1]王祝堂.中国轨道铁路建设及其对铝材需求[J].铝合籍加工技术，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.航空钣金制造技术[M].北京：航空工业出版社，2014.

[4]郭训忠.三维自由弯曲成形技术及在航空制造业中的潜在应用[J].航空航天技术，2016，23/24：16-24.

[5]陶杰.三维自由弯曲成形装备及其关键技术[J].精密成形技术，2018，10（4）：1-13.

[6]梁建英，丁叁叁，田爱琴.新一代高速动车组车体设计创新技术[J].中国工程科学，2015，17（4）：63-68.

[7]张硕韶，王建功，白彦超，阎峰.高速动车组铝合金车体设计[J].中国铁路，2013，02：43-47.

[8]何广忠，刘长青.动车组铝合金车体材料的发展与选型分析[J].焊接，2015，1：13-16.

[9]孟家䜩.铝及铝合金的牌号、代号、状态、品种标准综述[J].舰船标准化工程师， 2005，总第227期（05）：7-15.

[10]刘文韬.铝合金挤压成型技术及表面处理、阳极氧化与喷涂、焊接新工艺和挤压设备、模具设计制造哦选用使用手册 宁夏大地出版社 2007年第1版404.