吳 娜，魏云平

(唐山學(xué)院 a.交通與車輛工程系；b.機(jī)電工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

行李傳送車是在機(jī)場(chǎng)環(huán)境中應(yīng)用的特種車輛，主要用于行李貨物的裝卸，是機(jī)場(chǎng)必不可少的特種車輛之一[1]。目前，國內(nèi)的行李車車身加工工藝采用基礎(chǔ)的鋼板焊接氬弧焊工藝，需要將數(shù)十塊鋼板依次拼焊在一起，不僅工序多、生產(chǎn)效率低，而且存在焊縫易開裂、車身結(jié)構(gòu)具有較大誤差、生產(chǎn)成本高等問題。此外，純焊接工藝產(chǎn)品的質(zhì)量受工人水平限制，質(zhì)量差距較大[2-3]。

針對(duì)上述問題，本文對(duì)行李傳送車車身結(jié)構(gòu)及其加工工藝展開研究，采用鈑金折彎工藝對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)處理，以減少車身部件數(shù)量及焊接工序；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過鈑金折彎技術(shù)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)部件較之于純焊接工藝產(chǎn)品具有壽命更長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)便、污染小等優(yōu)點(diǎn)。

1 車身結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

以某企業(yè)現(xiàn)有自行式行李傳送車為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，車身各處折彎部分均為焊接結(jié)構(gòu)。

圖1 現(xiàn)有行李傳送車車身結(jié)構(gòu)圖

從圖1可知，行李傳送車車身大致分為以下幾個(gè)部分(以車頭方向?yàn)檎?：

a車頭，主要用于承載駕駛室，同時(shí)連接左右車身；

b左側(cè)車身，主要用于覆蓋左側(cè)懸架并隔離傳送裝置；

c右側(cè)車身，主要用于承載動(dòng)力電池、部分行李及為工人作業(yè)提供平臺(tái)；

d左側(cè)車身支撐，主要為左側(cè)車身提供支撐，防止形變；

e右側(cè)車身支撐，主要為電池、行李、工人提供支撐平臺(tái)；

f電池箱蓋板，為電池的覆蓋件，用于保證電池安全。

g臺(tái)階，為方便工人進(jìn)行上下作業(yè)。

其中a，b，c為主要結(jié)構(gòu)部件，這三個(gè)部件的結(jié)構(gòu)確定要根據(jù)生產(chǎn)加工中所用到的鈑金折彎工藝。d，e，f，g為次要補(bǔ)充部件，其作用是為三個(gè)主要部件提供支撐及補(bǔ)充，以使車身具有完整的結(jié)構(gòu)及一定的實(shí)用性和美觀度。鈑金折彎預(yù)處理設(shè)計(jì)方案除滿足了行李傳送車車身的主要結(jié)構(gòu)需求外，還將部件數(shù)量降至10個(gè)以下，同時(shí)減少了焊接工序及焊縫長(zhǎng)度。各區(qū)域折彎后的部件如圖2所示。

a車頭 b左側(cè)車身

c右側(cè)車身 d左側(cè)車身支撐

e右側(cè)車身支撐 f電池箱蓋板 g臺(tái)階圖2 各區(qū)域折彎后部件圖

2 車身結(jié)構(gòu)尺寸的確定

根據(jù)《中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：行李傳送車》[4]的規(guī)定，對(duì)車身主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行確定：

(1)具有駕駛室(臺(tái))的散裝貨物裝載機(jī)寬度應(yīng)小于2 200 mm；

(2)最小離地間隙應(yīng)不小于127 mm；

(3)傳送架一次傳送面積應(yīng)當(dāng)為600×800(mm2)。

故本設(shè)計(jì)行李傳送車車身結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

左側(cè)車身部分僅作為輪胎及懸架部分覆蓋件，最小離地間隙受輪胎尺寸及懸架系統(tǒng)影響，故二者尺寸的確定依據(jù)現(xiàn)有行李傳送車輪胎尺寸及懸架尺寸而確定。

表1 車身結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

車身中間空余空間和最大車身長(zhǎng)度的確定考慮了傳送帶的尺寸并預(yù)留了部分空余空間，以便更好地適配傳送架的安裝。

車頭部位長(zhǎng)度和右側(cè)車身寬度依據(jù)駕駛室的安裝及蓄電池箱的尺寸而確定。

車身寬度依據(jù)上述尺寸而確定。

全車在非折彎部件部分均進(jìn)行倒圓角處理，以防止車輛對(duì)工作人員、飛機(jī)機(jī)身等造成損傷。

3 車身材料的確定

3.1 車身鈑金材料選擇

采用沖壓性能良好的材料才能保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的鈑金件；選用綜合性能優(yōu)良且性價(jià)比高的材料對(duì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化具有重要作用[5]。

對(duì)常用鈑金材料進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，冷軋普通薄鋼板Q235鋼在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性等綜合性能最好，適用于鈑金折彎的工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)在產(chǎn)品成本控制等方面也具有較突出的優(yōu)勢(shì)，故本設(shè)計(jì)車身材料選用Q235冷軋普通薄鋼板，其材料特性如表2所示。

表2 Q235鋼的材料特性

3.2 鈑金厚度選擇

鈑金厚度主要依據(jù)以下要求進(jìn)行選擇：

(1)選用在折彎工藝中對(duì)折彎尺寸影響較小的厚度；

(2)選用在焊接工藝中可使用CO2氣體保護(hù)焊的厚度；

(3)選用在車身上放置載荷時(shí)車身不產(chǎn)生明顯形變的厚度。

根據(jù)折彎要求及焊接要求，選用鈑金厚度為4 mm的中板板料。

4 鈑金折彎工藝設(shè)計(jì)

鈑金彎曲的方法分為壓彎、滾彎、拉彎成形等，本設(shè)計(jì)采用應(yīng)用最為廣泛的壓彎工藝。鈑金壓彎變形方法分為模具壓彎和折彎?rùn)C(jī)壓彎兩種，其具體的應(yīng)用場(chǎng)景如表3所示。

表3 不同壓彎方法的應(yīng)用場(chǎng)景

由于行李傳送車車身部件屬于尺寸較大但加工量較小的鈑金彎曲件，故本設(shè)計(jì)采用折彎?rùn)C(jī)普通折彎的方式。

上模為折彎刀，下模采用V=6t(t為料厚，V為下模口開度)。折彎刀一般會(huì)根據(jù)工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品系列進(jìn)行定制。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的折彎件形狀均較簡(jiǎn)單，且為達(dá)到方便生產(chǎn)、節(jié)約成本、降低模具加工周期等目的，本設(shè)計(jì)毛坯折彎角度僅涉及90°和105°兩種類型。

4.1 鈑金彎曲件毛坯展開尺寸計(jì)算

當(dāng)r>0.5t(r為彎曲半徑)時(shí)，由于彎曲部分變薄不嚴(yán)重且斷面畸變較小，故可按中性層長(zhǎng)度等于毛坯展開尺寸的原則求得毛坯長(zhǎng)度，計(jì)算步驟如下。

4.1.1 確定彎曲件的彎曲半徑r

根據(jù)鈑金實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)知，一般板厚不大于6 mm時(shí)，在折彎時(shí)，鈑金彎曲內(nèi)半徑可以直接用板厚尺寸作為半徑。本設(shè)計(jì)所選板材厚度為4 mm，故確定鈑金折彎半徑為4 mm。

4.1.2 確定中性層曲率半徑ρ

中性層是一層拋物線曲面，由于沿彎曲件厚度方向變形不均勻而產(chǎn)生。圖3為中性層位置示意圖。

圖3 中性層位置示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式來確定中性層曲率半徑ρ的位置：

ρ=r+Kt。

(1)

式中，K為中性層系數(shù)，系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值選取如表4所示。

表4 中性層系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值(節(jié)選)

表4中K1適用于有頂板或壓板的V型或U型彎曲，K2適用于無頂板的V型彎曲，本設(shè)計(jì)選用K1，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)r/t=1，故取K1=0.31。

根據(jù)式(1)確定中性層曲率半徑ρ=5.24 mm。

4.1.3 確定折彎系數(shù)

折彎系數(shù)為在折彎變形區(qū)沿材料的中性層所測(cè)量的圓弧部分的長(zhǎng)度，折彎系數(shù)值可通過式(2)求得。

(2)

式中，α為折彎角度，(°)。

4.1.4 確定展開尺寸

鈑金折彎件的展開尺寸是最為重要的一個(gè)數(shù)值，因其關(guān)系著折彎件能否成功折出以及折彎后的部件尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求。鈑金折彎件毛坯展開尺寸L的計(jì)算公式為：

L=a+b+x。

(3)

式中，a，b為部件各段尺寸，mm。

表5是按照上述計(jì)算步驟對(duì)六個(gè)折彎部件(如圖4所示)毛坯展開尺寸的計(jì)算結(jié)果。

表5 毛坯展開尺寸一覽表

(a)車頭部位部件a

(b)左側(cè)車身部件b

(c)右側(cè)車身部件c

(d)右側(cè)車身底板部件e

(e)電池箱蓋板部件f

(f)臺(tái)階部件g圖4 折彎部件示意圖

4.2 彎曲力計(jì)算

自由彎曲時(shí)，V型零件彎曲力計(jì)算公式為：

(4)

U型零件彎曲力計(jì)算公式為：

(5)

式中，F(xiàn)自為自由彎曲在沖壓行程結(jié)束時(shí)的彎曲力，N；B為彎曲件的寬度，mm；t為彎曲件材料厚度，mm；r為彎曲件彎曲半徑，mm；σb為材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；nb為抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)，一般取1.3。

根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算得各部件所需彎曲力如下。

(1)部件a：部位①為V型彎曲，部位②③為U型彎曲，部位①的彎曲件寬度為2 177 mm，部位②③的彎曲件寬度為2 019 mm，經(jīng)計(jì)算得部位①的彎曲力為1 528.3 kN，部位②③的彎曲力為1 653.6 kN。

(2)部件b：部位①②為V型彎曲，部位③為U型彎曲，部位①的彎曲件寬度為4 069 mm，部位②③的彎曲件寬度為4 006 mm，經(jīng)計(jì)算得部位①的彎曲力為2 856.4 kN，部位②的彎曲力為2 812.2 kN，部位③的彎曲力為2 983.2 kN。

(3)部件c：部位①②均為U型彎曲，彎曲件寬度均為4 016 mm，經(jīng)計(jì)算得彎曲力均為2 991.6 kN。

(4)部件e：部位①②均為U型彎曲，彎曲件寬度均為615 mm，經(jīng)計(jì)算得彎曲力均為503.7 kN。

(5)部件f：部位①為U型彎曲，彎曲件寬度為634 mm，經(jīng)計(jì)算得彎曲力為519.2 kN。

(6)部件g：部位①②③均為U型彎曲，彎曲件寬度均為630 mm，經(jīng)計(jì)算得彎曲力均為516 kN。

4.3 材料抗彎強(qiáng)度校核

根據(jù)前文選定車身的材料為Q235，其含碳量小于0.25%，屬于低碳鋼，一般低碳鋼為塑性材料，屈服強(qiáng)度安全系數(shù)ns取1.25～2.5，為安全考慮本文取安全系數(shù)ns=2.5。據(jù)此確定該材料的許用應(yīng)力[σ]為：

(6)

式中，σu為極限應(yīng)力，基于塑性材料σu取材料的屈服極限，Q235的屈服極限為235 MPa。根據(jù)式(6)得Q235材料的許用應(yīng)力[σ]為94 MPa。

根據(jù)前文各部件的各部位所受的彎曲力大小及彎曲部位截面面積，得各部位所受的應(yīng)力大小。

根據(jù)式(7)可計(jì)算各彎曲部位應(yīng)力：

(7)

式中，F(xiàn)為部件所受彎曲力；A為部件彎曲部位截面面積，計(jì)算公式如下：

(8)

式中，α為鈑金折彎角度，(°)；d為鋼板折彎部位長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)式(7)和式(8)得各部件各部位所受應(yīng)力如下。

(1)部件a的折彎部位①所受應(yīng)力為：

σ=23.9 MPa。

部件a的折彎部位②③所受應(yīng)力為：

σ=32.6 MPa。

(2)部件b的折彎部位①所受應(yīng)力為：

σ=23.9 MPa。

部件b的折彎部位②所受應(yīng)力為：

σ=27.9 MPa。

部件b的折彎部位③所受應(yīng)力為：

σ=25.4 MPa。

(3)部件c的折彎部位①②所受應(yīng)力為：

σ=32.60 MPa。

(4)部件e的折彎部位①②所受應(yīng)力為：

σ=32.60 MPa。

(5)部件f的折彎部位①所受應(yīng)力為：

σ=32.60 MPa。

(6)部件g的折彎部位①所受應(yīng)力為：

σ=32.60 MPa。

綜上，各部件的各部位在彎曲時(shí)所受應(yīng)力均小于該材料的許用應(yīng)力[σ]，故使用Q235鋼作為車身的加工材料滿足強(qiáng)度要求，在鈑金折彎過程中不會(huì)因受力過大而產(chǎn)生斷裂進(jìn)而影響生產(chǎn)。

4.4 壓力機(jī)壓力的確定

自由彎曲時(shí)，壓力機(jī)壓力為F總≥F自+N，其中N為頂件力或壓料力，其值可視情況取自由彎曲力的30%～80%。

本設(shè)計(jì)以自由彎曲力50%情況下的壓力機(jī)壓力確定頂件力，各部分所需壓力機(jī)壓力如表6所示。

表6 各部件所需壓力一覽表 kN

因車身結(jié)構(gòu)多為大中型簡(jiǎn)單折彎件，同時(shí)對(duì)于折彎力的需求也相對(duì)較大，故本設(shè)計(jì)選用5 m額定壓力4 000 kN的折彎加工機(jī)床。

4.5 鈑金彎曲件的工藝安排

鈑金彎曲的工藝安排即確定加工過程中的折彎順序。一般情況下，彎曲工序安排原則有：

(1)簡(jiǎn)單形狀彎曲件盡量一次折彎成型；

(2)多角彎曲件應(yīng)保證后次彎曲不破壞前次彎曲部分的形狀，前次彎曲應(yīng)考慮后次彎曲時(shí)有適當(dāng)?shù)亩ㄎ换鶞?zhǔn)并使彎曲可以順利進(jìn)行；

(3)彎曲按照折彎半徑由小到大順序進(jìn)行；

(4)先折彎特殊形狀，再折彎一般形狀；

(5)對(duì)于帶孔的彎曲件，一般可以先沖孔后彎曲，以簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述原則確定各部件折彎方案如下。

部件a：先對(duì)部位②③進(jìn)行一次彎曲成型，再對(duì)部位①進(jìn)行105°折彎。

部件b：先對(duì)部位③進(jìn)行90°折彎，再依次對(duì)部位②①進(jìn)行105°折彎。

部件c：由于部件尺寸較大，故對(duì)①②兩部位分別進(jìn)行90°折彎。

部件e：由于部件尺寸較大，故對(duì)①②兩部位分別進(jìn)行90°折彎。

部件g：對(duì)各部位按順序進(jìn)行90°折彎。

加工a，b兩個(gè)部件時(shí)，先進(jìn)行折彎加工再進(jìn)行特殊形狀的裁剪，以避免裁剪后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)折彎效果產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)行李傳送車車身的布置情況，對(duì)整車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新分區(qū)，使車身零件由20多個(gè)降至10個(gè)；所提出的通過鈑金折彎進(jìn)行車身部件加工的生產(chǎn)工藝，減少了焊接工序，縮短了焊縫長(zhǎng)度，為行李傳送車車身設(shè)計(jì)提供了新思路。

(2)在滿足折彎工藝強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，將車身板材厚度由7 mm降至4 mm，使整車重量由55 kg/m2減至31.4 kg/m2，大大減輕了整車質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。