徐亞之　王國靜　劉宇　劉晉　周圣衛(wèi)

摘 要：首先介紹了一種有軌電車碳纖維枕梁設(shè)計方案，然后根據(jù)枕梁結(jié)構(gòu)形式及連接方式，確定采用熱壓罐成型工藝，并針對碳纖維枕梁不同零部件進(jìn)行模具設(shè)計及裝配模具設(shè)計，在滿足枕梁結(jié)構(gòu)功能和強(qiáng)度要求的前提下盡量簡化工藝，實現(xiàn)了枕梁的非金屬化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：有軌電車；碳纖維復(fù)合材料枕梁；工藝方案；模具設(shè)計

中圖分類號：U482.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0044-01

近年來，國家大力提倡綠色環(huán)保理念，軌道車輛減重要求迫切。隨著碳纖維復(fù)合材料技術(shù)在航空航天行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗日趨成熟，車體輕量化的路徑可由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)減重拓展至材料減重[1]。本文通過對某低地板有軌電車碳纖維枕梁設(shè)計方案進(jìn)行工藝研究，實現(xiàn)車體主承載部件的非金屬化制造[2]，以達(dá)到車體減重目的，為開發(fā)全復(fù)合材料車體或混合車體奠定基礎(chǔ)[3]。

1 碳纖維枕梁介紹

某碳纖維復(fù)合材料枕梁設(shè)計方案如圖1所示，主要包含上面板、下面板、加強(qiáng)筋、金屬件以及若干緊固件。其中上面板與加強(qiáng)筋一體制造，下面板單獨制造，然后通過抽釘連接到加強(qiáng)筋上。金屬附件與外部完全保留原接口形式，但與枕梁主體之間采用鉚接預(yù)埋連接[4]。

2 工藝方案

2.1 工藝流程

碳纖維復(fù)合材料成型工藝主要包括液體成型工藝、熱壓罐成型工藝、纏繞工藝、模壓工藝、拉擠工藝等。其中熱壓罐成型工藝是預(yù)浸料在抽真空條件下，采用熱壓設(shè)備輔助增壓、加熱固化成型的一種工藝。該工藝所固化的制品孔隙率低，尺寸精度高，品質(zhì)一致性好，成品率高，特別適合于層壓結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等板殼類制品，且環(huán)境友好。由于枕梁為車體內(nèi)主要承力件，為保證制件質(zhì)量，采用熱壓罐工藝制造。熱壓罐主要工藝流程如圖2所示。

2.2 輔助材料

輔助材料是完成熱壓罐成型工藝的必備材料，是熱壓罐成型得以完成的保證，因此必須選用性能穩(wěn)定、可靠及貯存期長的輔助材料。

3 模具設(shè)計

由碳纖維枕梁結(jié)構(gòu)圖可知，分為上面板、下面板、筋系列、金屬件4部分，總體結(jié)構(gòu)為面板夾筋結(jié)構(gòu)。為提高制品的邊緣質(zhì)量，在模具上，所有的制品邊緣處預(yù)留了切割線，所有孔位置預(yù)留了中心線和邊緣線，框邊緣處預(yù)留切割線，在成型的制品上可利用這些線作為加工參考線。本文之間均采用熱壓罐工藝，固化溫度120℃，6Bar壓力。

3.1 上面板模具

為保證枕梁外型面美觀，選擇外觀面作為貼膜面，裝配面為袋壓面，模具采用陽模的形式。上面板制件四端有翻邊，翻邊處模具采用鑲塊形式，保證翻邊能夠成型，同時節(jié)約成本；模具底部焊接隔板類框架，模具安裝6個耐高溫腳輪，便于模具轉(zhuǎn)運，如圖3所示。

3.2 下面板模具

為保證下面板外型面美觀，選擇外觀面作為貼膜面，裝配面為袋壓面，模具采用陰模的形式。下面板制件四端有翻邊，翻邊處模具采用鑲塊形式，保證翻邊能夠成型，同時節(jié)約成本；模具底部焊接隔板類框架，模具安裝6個耐高溫腳輪，便于模具轉(zhuǎn)運，如圖4所示。

3.3 筋系列模具

C型筋系列：C型筋模具采用型材鋼架加成型面板形式，為方便工藝鋪貼、生產(chǎn)，采用陽模形式。

W型筋模具采用型材鋼架加成型面板形式。橫向帽型筋模具采用隔板框架形式，為方便工藝鋪貼、生產(chǎn)，采用陽模形式。帽型連接筋的成型模具焊接在平臺上，便于生產(chǎn)和模具加工。

4 裝配工裝

4.1 上面板與筋膠接工裝

為保證筋在上面板的相對位置，同時節(jié)約成本，采用上面板模具進(jìn)行筋系列裝配，同時可以采用真空袋壓形式保證膠接強(qiáng)度和質(zhì)量，在模具上裝配定位器進(jìn)行筋的定位，并通過C型夾固定。

4.2 金屬件裝配工裝

為保證金屬件在制件中的相對位置，采用工裝保證的形式進(jìn)行膠接后，打孔鉚接。

5 結(jié)語

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用已有40余年的經(jīng)驗與教訓(xùn)，已形成完整的產(chǎn)業(yè)化成果，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)等[5]。本文根據(jù)碳纖維枕梁結(jié)構(gòu)，制定相應(yīng)的工藝流程與模具，充分發(fā)揮了復(fù)合材料成型的特點。通過研究表明，碳纖維枕梁制造工藝可行，既滿足了枕梁結(jié)構(gòu)完整性，又減輕了重量。碳纖維復(fù)合材料在軌道行業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全，今后將結(jié)合航空航天領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗，對碳纖維復(fù)合材料在軌道行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王興業(yè)等.復(fù)合材料力學(xué)與設(shè)計[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，1999.

[2]馮軍，梁爽.輕軌車輛的車體材料探討[J].新技術(shù)新工藝，2012，（12）：68-70.

[3]劉曉波，楊穎.輕量化高性能碳纖維復(fù)合材料車體研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)[J].合成纖維，2013，（10）：22-33.

[4]劉宇，徐亞之，等.有軌電車碳纖維復(fù)合材料枕梁結(jié)構(gòu)研究[J].新技術(shù)新工藝，2017，（6）：11-14.

[5]沈真.碳纖維市場分析和產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].高科技纖維與應(yīng)用，2015，（3）：15-21.