车辆制造领域中对安全碰撞、减轻重量、隔离噪声和隔热的要求不断提高。而解决这些问题、满足这些要求的一个途径就是使用具有创新性的、由功能材料为基础的原材料，例如具有刚性、重量、吸收能量功能的整体材料。为了能经济地使用夹芯材料，必须要有合适的加工工艺，例如这里介绍的最新研发成功的夹芯板变形加工工艺。
图1 铝合金泡沫夹芯板可以花费相对较少的生产费用，使用简单经济的模具进行变形加工，同时具有比玻璃纤维增强材料更多的优点
在铁路机车前端组件的铝合金发泡项目中，对铝合金发泡板材的生产制造工艺进行了试验。与传统的板材相比，铝合金发泡夹芯板有许多优点。例如刚性明显提高，能量吸收能力更好，极佳的隔热、隔音能力以及很轻的重量等。试验项目的两个合作伙伴——Bombardier公司和Wilhelm Schmidt公司，模拟技术专家AMIC有限责任公司以及Cottbus市BTU大学设计和工艺系等单位合作，为了一个共同的目标：在考虑经济性的条件下，研发适合于铁路机车使用的铝合金发泡夹芯板，以提高碰撞安全性，把重量降低到最小。试验的具体对象是ITINO铁路机车的“前脸”。
铝合金发泡夹芯板方案
所谓的铝合金发泡夹芯板实际上是三层结合在一起的板材，其中的夹芯层在未发泡之前含有发泡剂（TiH2）和压缩的粉末铝；表面材料是普通的铝合金板（铝合金6060）。这三层材料被轧制成“三明治”状的半成品，经裁剪成型，压力变形加工，发泡成型后成为一个完整的零件。“三明治”半成品板材的发泡是在专门的加热保温炉中进行的，在炉中加热到发泡温度，使夹芯层膨胀到最终厚度尺寸。经发泡处理的“三明治”板材是由上、下两层铝板和中间的铝泡沫构成的（图2）。
图2 泡沫夹芯源板和发泡过程
机车前端研发成功
该项目的目标是：研发铝合金发泡夹芯板材料机车前端模块合适的加工工艺。对生产一种现在已有的零部件来讲，除了需要新的结构设计以外，还需要通过试生产的方式来研发简单几何工件发泡变形加工的工艺技术。铝合金发泡夹芯板材料机车前端模块的设计以及前端模块各个零件的设计由CAD系统来完成，并由CAD模块转换成模拟模型（图3）。在模拟试验中，按照规定的标准负载情况对机车前端模块进行了模拟，以测定其抗碰撞性能。通过测定的特性数据可以确定合适的材料厚度，并按照铝合金发泡夹芯板的设计要求制造机车前端部件。
图3 模拟模型的制作和碰撞变形模拟
为了使铁路机车的前端能够使用铝合金发泡夹芯板材料制造，需要一个稳定、经济的生产链来保证3D工件的生产。而生产3D形状的弧形工件需要在发泡前附加一道压力变形加工，并需要研发这个步骤所需的工艺技术和模具。
生产工艺技术的试验首先是从一个简单形状的试件开始的。试件的形状是根据机车前端3D部件的形状设计的，但做了大量的简化。其目的是通过简化试件的制造得到更多的有关圆弧半径信息，了解铝合金发泡夹芯板发泡过程的参数。在完成这个试验之后，下一步是机车前端零件的样件试制。此时选择了机车前端中含有A立柱的一部分为样件，尺寸比例为1:5（图4）。
图4 样件（左）和大型样件
为了完成样件的制作任务，专门设计和制造了一套压力变形模具。与传统的深冲压模具相似，这个模具由凹模和冲压冲头组成，无需压紧机构。在一台压力机上利用这个模具进行变形加工试验，并试制出第一个样件。试验结果表明：复杂几何形状的铝合金发泡夹芯板可以顺利地完成变形加工。另外，在试制过程中对铝合金发泡夹芯板的生产制造工艺参数进行了测定。图5所示的就是这一压力加工模具和变形加工后的样件。图6所示是发泡处理后的工件。
图5 变形加工模具和变形加工后的夹芯板工件
图6 铝合金夹芯板发泡样件
样件制造的三大重要参数
第一次试验的重要特点是利用全部3D铣削加工的模具，利用压力机进行变形加工，再利用一台发泡设备对铝合金发泡夹芯板进行发泡。在验证了样件的工艺可行性之后，下一步的工作就是研发一套稳定、经济的生产工艺技术以及投资最少、生产使用费用最低、性能最佳的模具。
采购一台投资很高的变形加工设备，加工变形模具所需的费用昂贵的3D数控铣床以及制作一台单独的发泡模具等，从使用铝合金发泡夹芯板的角度而言都是不经济的。为了能够经济的、具有竞争力的生产这种零部件，其生产制造工艺技术必须进行优化改进。为了尽可能贴近实际，进行了工艺过程的优化改进，此次试验使用的是机车前端模块中的一个大型板件。
机车前端模块大型板件的生产工艺
前端大型板件的冲压模具是按照下列步骤进行优化改进的。模具的凹模和冲压冲头是由焊接工艺制成的，由厚度10mm的钢板采用3D弯曲制成（图7、图8）。这比全部铣削加工而成的凹模和冲头更加经济合理。这种模具除了具有经济性和较低的生产成本等优点之外，还可以用做发泡模具。有加强筋的钢结构模具质量轻，因此可以迅速加热到发泡所需的温度，并可以直接在冲压变形加工模具中完成铝合金发泡夹芯板的发泡工序，从而可以省略单独制造一套发泡设备的工序。
图7 50t变形压力机中的模具
图8 变形加工后并且已经发泡的机车前端
在变形加工技术中，为了减少变形加工设备的投资费用，铝合金发泡夹芯板的变形加工是在400℃的条件下进行的。在这样高的温度下，变形加工所需的冲压力明显减少，因此，可用一台轻型的50t压床替代大型压力机。
根据样件和大型样件试验得出的数据，工艺研发人员此次使用的是半个机车前端部件，被称之为展示样件，尺寸比例为1:1。由于机车前端的尺寸很大，因此必须将整个展示样件分解为一个个结构件。这些结构件都将进行变形、发泡和对缝隙加工，最后再连接起来。在连接时，采用的是常规的（MIG、WIG）铝合金焊接技术。而此时的焊接仅仅是将表面的铝板焊接在一起，焊接工作参数不会影响夹芯板内部的发泡材料。
经济性生产工艺的验证
铝合金发泡夹芯板制造的展示样件参见图9。根据展示样件的生产制造情况可以证明：机车前端组件可以采用经济的铝合金发泡夹芯板来制造。这种技术的优点在于：
（1） 只需一台50t的压床即可，无需购买昂贵的压力机；
（2） 利用钢板变形加工制造的模具，成本低廉；
（3） 无需单独的发泡设备，可在冲压变形加工模具中进行发泡处理。
图9 原始大小的展示样件，表面经抛光并涂漆
这些优点使其与玻璃纤维增强材料的试生产数量和生产成本相同，或降低10％。而由铝合金发泡夹芯板制造的机车前端模块的重量比玻璃纤维增强塑料制造的重量还要轻20％左右。此外，铝合金发泡夹芯板材制造的机车前端还有不少优点，例如碰撞时安全性很高，减震和隔热性能好，以及更好的回收再利用性能和经济的维护保养费用等。
