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        城市軌道交通車輛鋁合金車頭成型工藝研究

        2021-08-30 02:53:38秦中環(huán)梁繼業(yè)李保永徐柄桐
        鐵道車輛 2021年1期
        關(guān)鍵詞:薄率車頭車頂

        秦中環(huán),梁繼業(yè),李保永,任 丹,劉 奇,劉 偉,徐柄桐

        (1.北京航星機(jī)器制造有限公司,北京 100013;2.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062)

        隨著城市軌道交通體系的高速發(fā)展,對城市軌道交通車輛節(jié)能、環(huán)保和美觀等方面提出了更高的要求,先進(jìn)城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)已成為未來發(fā)展趨勢[1]。實(shí)現(xiàn)先進(jìn)城市軌道交通車輛輕量化技術(shù)重要途徑之一就是大量采用鋁合金、鋁鋰合金和鎂合金等輕質(zhì)合金制造車頭蒙皮、側(cè)墻蒙皮和中空擠壓型材等城市軌道交通車輛用車體結(jié)構(gòu)件,以及通風(fēng)管、窗框架、座椅支架、內(nèi)部裝飾板、復(fù)雜形狀的面板、水箱等車輛內(nèi)部設(shè)備和內(nèi)飾[2]。以城市軌道交通車輛鋁合金車頭為例,與傳統(tǒng)的玻璃鋼車頭相比,鋁合金結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕,阻燃性更優(yōu)越,還可回收再利用,具有天然金屬質(zhì)感,更重要的是可以與鋁合金車身通過焊接方式達(dá)到完美結(jié)合,避免玻璃鋼車頭與鋁合金車身膠結(jié)處老化、開裂等問題,實(shí)現(xiàn)城市軌道交通鋁合金車輛的一體化制造。

        本文將以城市軌道交通車輛鋁合金車頭為研究對象,著重介紹目前制造城市軌道交通車輛鋁合金車頭的2種主要工藝,即鈑金成型和超塑成型;分析鈑金成型和超塑成型在制造鋁合金車頭過程中的優(yōu)缺點(diǎn)以及工藝難點(diǎn),并給出具體的解決方案。

        1 鋁合金車頭的基本要求

        城市軌道交通車輛鋁合金車頭如圖1所示,材料為5083鋁合金,最大外形尺寸3 000 mm×2 000 mm×3 000 mm,車頭典型壁厚4 mm,要求車頭型面與模胎或樣板間隙不大于1 mm,局部允許不大于2 mm,壁厚減薄率不大于15%(壁厚大于3.4 mm),圓角及變形大的部位允許最大減薄率為50%(壁厚大于2 mm),表面必須光潔,不允許出現(xiàn)錘痕。由于該鋁合金車頭尺寸較大,允許分塊成型后焊接成一體,但要求焊縫抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到原材料90%以上。

        圖1 城市軌道交通車輛鋁合金車頭

        2 鋁合金車頭工藝難點(diǎn)分析

        2.1 鋁合金車頭分塊制造方案

        根據(jù)鋁合金車頭結(jié)構(gòu)

        特點(diǎn),將鋁合金車頭分為5個(gè)部分,即車頂、車窗、左側(cè)墻、右側(cè)墻和車燈,先分別進(jìn)行5個(gè)部分的加工,然后通過焊接方式將5個(gè)部分連接成為整體結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 鋁合金車頭分塊制造方案

        鋁合金車頭每個(gè)部分的加工方案主要有2種,即鈑金成型和超塑成型。鈑金成型是靠壓力機(jī)和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力,使之產(chǎn)生塑性變形,從而獲得所需型狀和尺寸的零件的成型方法,如圖3所示。鈑金成型具有成型效率高、操作方便、不需要加熱設(shè)備、工序加工成本低等優(yōu)點(diǎn),但鈑金成型屬于冷成型,成型鋁合金等材料有較大回彈,成型精度較低,難以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。超塑成型是指在一定的溫度和變型速率條件下,材料呈現(xiàn)超塑性時(shí)施加壓力使材料產(chǎn)生變形,超塑成型施加的壓力多為氣體壓力[3-5],如圖4所示。超塑成型具有能成型復(fù)雜零件、減少產(chǎn)品分塊數(shù)量,成型鋁合金等材料無回彈、成型精度高、變形抗力低等優(yōu)點(diǎn),但需要超塑成型專用設(shè)備,加工成本較高,超塑成型工序耗時(shí)較長[6]。

        圖3 鈑金成型過程示意圖

        圖4 超塑成型過程示意圖

        2.2 鋁合金車頂成型工藝難點(diǎn)分析

        鋁合金車頂為雙曲型面,對鋁合金車頂鈑金成型進(jìn)行有限元數(shù)值分析,結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出,成型后鋁合金車頂邊緣部分有較強(qiáng)起皺傾向(藍(lán)色區(qū)域),難以完成整體成型。

        圖5 鋁合金車頂鈑金成型有限元數(shù)值分析結(jié)果

        2.3 鋁合金車窗成型工藝難點(diǎn)分析

        鋁合金車窗為異型曲面,對鋁合金車窗鈑金成型進(jìn)行有限元數(shù)值分析,結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,成型后鋁合金車窗邊緣部分有較強(qiáng)起皺傾向(藍(lán)色區(qū)域),難以完成整體成型。

        圖6 鋁合金車窗鈑金成型有限元數(shù)值分析結(jié)果

        2.4 鋁合金側(cè)墻成型工藝難點(diǎn)分析

        鋁合金側(cè)墻有較大平面,中心有較深翻邊門口,對鋁合金側(cè)墻成型進(jìn)行有限元數(shù)值分析,結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出,成型后鋁合金側(cè)墻翻邊門口處有較強(qiáng)開裂傾向(紅色區(qū)域),無法完成整體成型。

        圖7 鋁合金側(cè)墻鈑金成型有限元數(shù)值分析結(jié)果

        2.5 鋁合金車燈成型工藝難點(diǎn)分析

        鋁合金車燈為中間凸出曲面,對鋁合金車燈成型進(jìn)行有限元數(shù)值分析,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,成型后鋁合金車燈均在低應(yīng)變和安全區(qū)域之內(nèi)(灰色和綠色),可以進(jìn)行整體成型,但由于車燈鋁合金為曲面,整體成型后將有較大回彈,難以進(jìn)行校型。

        圖8 鋁合金車燈鈑金成型有限元數(shù)值分析結(jié)果

        3 鋁合金車頭工藝解決方案

        3.1 鋁合金車頂成型工藝方案

        如采用鈑金成型,鋁合金車頂邊緣部分有較強(qiáng)起皺傾向,需將鋁合金車頂分成3個(gè)部分,分別成型后再拼焊在一起,如圖9所示。如采用整體超塑成型,從鋁合金車頂超塑成型模擬結(jié)果(圖10)可以看出,超塑成型后,大部分材料厚度減薄率均小于15%,局部圓角部位減薄率為16%,滿足鋁合金車頭制造要求。因此,鋁合金車頂成型采用整體超塑成型更優(yōu)。

        圖9 鋁合金車頂鈑金成型方案

        圖10 鋁合金車頂超塑成型方案

        3.2 鋁合金車窗成型工藝方案

        如采用鈑金成型,鋁合金車窗邊緣部分有較強(qiáng)起皺傾向,需將鋁合金車窗分成4個(gè)部分,分別成型后再拼焊在一起,如圖11所示。如采用整體超塑成型,從鋁合金車窗超塑成型模擬結(jié)果(圖12)可以看出,超塑成型后,大部分材料厚度減薄率均小于15%,局部圓角部位減薄率為25%,滿足鋁合金車頭制造要求。因此,鋁合金車窗成型采用整體超塑成型更優(yōu)。

        圖11 鋁合金車窗鈑金成型方案

        圖12 鋁合金車窗超塑成型方案

        3.3 鋁合金側(cè)墻成型工藝方案

        如采用鈑金成型,鋁合金側(cè)墻翻邊門口處有較強(qiáng)開裂傾向,需將鋁合金側(cè)墻分成3個(gè)部分,分別成型后再拼焊在一起,如圖13所示。如采用整體超塑成型,從鋁合金側(cè)墻超塑成型模擬結(jié)果(圖14)可以看出,超塑成型后,大部分材料厚度減薄率均小于15%,局部圓角部位減薄率為25%,滿足鋁合金車頭制造要求。因此,鋁合金側(cè)墻成型采用整體超塑成型更優(yōu)。

        圖13 鋁合金側(cè)墻鈑金成型方案

        圖14 鋁合金側(cè)墻超塑成型方案

        3.4 鋁合金車燈成型工藝方案

        如采用鈑金成型,車燈鋁合金曲面整體成型后將有較大回彈,需將鋁合金車燈分成3個(gè)部分,分別成型后再拼焊在一起,如圖15所示。如采用整體超塑成型,從鋁合金車燈超塑成型模擬結(jié)果(圖16)可以看出,超塑成型后,材料厚度減薄率均小于15%,滿足鋁合金車頭制造要求。因此,鋁合金車燈成型采用整體超塑成型更優(yōu)。

        圖15 鋁合金車燈鈑金成型方案

        3.5 鋁合金車頭超塑成型方案效果

        綜上所述,雖然超塑成型單道工序耗時(shí)較長,成本較高,但是,零件成型后無需鉗工校型,焊前幾乎不用修配;從鋁合金車頭整體制造角度看,與鈑金成型相比,成本相當(dāng),但超塑成型耗時(shí)更短,型面精度更高,并且可將鋁合金車頭分塊數(shù)量由鈑金成型的16塊減少為5塊。

        鋁合金車頭的車頂、車窗、左側(cè)墻、右側(cè)墻和車燈產(chǎn)品在北京航星機(jī)器制造有限公司自主研發(fā)的HX-HF1000三工位熱成型機(jī)和HX-SPF2000超高溫超塑成型機(jī)上進(jìn)行超塑成型,如圖17所示。HX-HF1000三工位熱成型機(jī)爐膛尺寸為3 600 mm×2 600 mm,最高溫度為1 000 ℃,擁有1個(gè)上平臺和2個(gè)下平臺,可實(shí)現(xiàn)高溫下工裝的快速換裝。HX-SPF2000超高溫超塑成型機(jī)爐膛尺寸為3 600 mm×2 600 mm,最高溫度為1 200 ℃,可實(shí)現(xiàn)耐高溫材料的熱成型和超塑成型。

        圖17 HX-HF1000三工位熱成型機(jī)和HX-SPF2000超高溫超塑成型機(jī)

        鋁合金車頭超塑成型后的實(shí)物圖如圖18所示,實(shí)測產(chǎn)品型面與模胎或樣板間隙小于0.5 mm,壁厚減薄率不大于15%,圓角及變型較大的部位最大減薄25%,明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,并且表面光潔,無需后續(xù)鉗工校型,組焊成整體鋁合金車頭后,焊縫抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)到了原材料90%以上。

        圖18 鋁合金車頭超塑成型后的實(shí)物圖

        4 結(jié)束語

        國內(nèi)采用超塑成型技術(shù)初步嘗試制造了城市軌道交通車輛鋁合金車頭、立罩板、車窗和側(cè)頂板等產(chǎn)品,但與國外相比還有較大差距。多家外國公司已具備設(shè)計(jì)、研發(fā)和批量生產(chǎn)軌道交通用超塑成型產(chǎn)品的能力,而且借助于先進(jìn)超塑成型設(shè)備優(yōu)勢,已型成較大生產(chǎn)規(guī)模。后續(xù)我們還需進(jìn)一步依托國產(chǎn)大型超塑成型裝備,加大超塑成型技術(shù)在軌道交通的推廣應(yīng)用力度,提高我國軌道交通領(lǐng)域綜合實(shí)力。

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