鋁合金車體型材設(shè)計的工藝性

王 沖 王立穎 趙鶴群

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 吉林 吉林 132001）

0 引言

鋁合金車體結(jié)構(gòu)大部分由鋁型材構(gòu)成，型材斷面的設(shè)計直接決定了生產(chǎn)過程中的工作量、工作效率和制造難易程度，因此鋁合金結(jié)構(gòu)的車體型材的設(shè)計應(yīng)從全局出發(fā)，盡最大可能方便后道工序，型材的設(shè)計包括了型材的寬與厚設(shè)計，筋板的設(shè)計，型材滑槽的設(shè)計等，本文僅對型材設(shè)計的工藝進行分析。

1 型材設(shè)計的工藝性

1）型材二維空間的工藝性

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計中要盡量采用寬的型材橫斷面，減少型材焊接工作量

（2）塊狀、條狀結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡量采用型材模具，避免水刀切割工作量

（3）型材寬度公差要合理

（4）型材四邊壁厚要比中間的肋厚0.5～1mm

2）筋板的工藝性

筋板類零件多采用分體制造后焊接或鑄造方式加工，難以滿足服役條件，無法達(dá)到預(yù)期的效果。采用焊接加工，焊縫強度低，削弱了承載能力，帶筋部位流線不完整，焊接時變形量大，不能滿足精度要求；采用鑄造加工，鑄造狀態(tài)晶粒尺寸比較大、組織不細(xì)密，產(chǎn)品力學(xué)性能較差，強度僅能達(dá)到350MPa;采用數(shù)控加工或化銑加工，不僅材料的利用率低、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重，而且加強筋部位的金屬流線被切割，使構(gòu)件的強度大大降低，難以滿足構(gòu)件的使用性能。

擠壓工藝生產(chǎn)的零件與其他方法如切削加工生產(chǎn)出來的零件相比，其優(yōu)點在于保持了金屬纖維的完整性，并使其沿零件外形輪廓分布，這樣可顯著地提高零件的承載能力，另外還可以改善鍛件組織，使零件的韌性和塑性同時提高。根據(jù)生產(chǎn)實踐，采用擠壓工藝生產(chǎn)帶有薄腹板的筋類、盤類、梁類、框類等精鍛件具有很大的優(yōu)越性。該類零件采用擠壓方法加工，成形后的內(nèi)筋不需要再進行切削加工，通過筋板與腔體的整體塑性成形，使金屬流線沿零件的幾何外形分布，保證了筋部位流線的完整，克服了焊接或鍛造強度低的問題，同時提高了產(chǎn)品的內(nèi)部組織和力學(xué)性能，提高了生產(chǎn)率，節(jié)約了金屬材料。內(nèi)腔筋板零件采用該模具擠壓加工后，實現(xiàn)了零件的整體成形，提高了零件精度和表面質(zhì)量，減少了切削加工量，節(jié)約了大量原材料，提高了生產(chǎn)效率，更提高了零件的力學(xué)性能[1]。

（1）擠壓工藝對筋板壁厚的影響

筋板厚度除受其所受應(yīng)力的影響外，還受到擠壓工藝的影響。對于復(fù)雜型材，筋板宜設(shè)計厚一些，以便于擠壓；同時筋板的厚度還需考慮截面變化對擠壓的影響。通常情況下，地鐵車輛上所使用型材截面并不太復(fù)雜，對擠壓的影響也小一些。目前國內(nèi)能擠壓出的最小筋板壁厚2.0mm左右，但僅限于截面簡單的型材。設(shè)計時，需要綜合考慮，如型材為矩形筋板布置方式，則筋板壁厚可以小一些，梯形和三角形筋板布置方式則應(yīng)大一些。

（2）各種不同形狀的筋板布置方式

在地鐵車輛鋁合金型材中，筋板布置方式主要有三角形、矩形及梯形布置3種型式，從截面橫向變形來說，三角形筋板布置方式變形最小，梯形筋板布置方式次之，矩形筋板部置方式變形最大。從整體變形結(jié)果來看，三角形筋板布置方式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性度最好，梯形筋板布置方式略差，矩形筋板布置方式最差。從縱向變形來說，3種筋板布置方式基本相同。在型材設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)受載情況以確定筋板的布置方式，一般在底架上多采用三角形筋板布置方式，側(cè)墻上采用矩形筋板布置，頂蓋上采用梯形筋板布置。

（3）載荷對筋板壁厚的影響

筋板厚度主要由其所承受的載荷決定。從以上分析可以看出，型材在承受均布載荷時，處于中間位置的筋板的應(yīng)力較低，接近固定約束側(cè)的筋板應(yīng)力較高。由于我們對筋板進行分析時，抽象地將型材兩側(cè)固定，而實際上，在地鐵車輛結(jié)構(gòu)中，型材之間互相通過焊接方式連接在一起，這樣除邊梁附近的筋板外，其余的筋板都相當(dāng)于上述計算中的中間部分筋板，曲上述計算結(jié)果可以看出，筋板所受應(yīng)力較之壁板要小得多、中間部分筋板所受載荷較挨近邊梁部分筋板要小得多。因此，我們在設(shè)計時，可以將兩側(cè)受力較大的筋板設(shè)計得厚一些，而中間部分筋板則可以盡量薄，以減小筋板厚度，達(dá)到輕量化和節(jié)約成本的目的。

（4）筋板圓角

對于筋板與壁板連接處及筋板間的圓角，一方面，要考慮避免應(yīng)力集中；另一方面，由于筋板與壁板相交地方的應(yīng)力相對于壁板中部的應(yīng)力要大得多，因而應(yīng)通過倒圓角的方式來增加這一區(qū)域的材料厚度；再一方面，還要考慮是否有直接受載情況（例如有C型槽懸掛的區(qū)域）。設(shè)計時，壁板與筋板間的圓角可以小一些，而筋板間的圓角應(yīng)大一些，圓角的頂點距壁板外側(cè)的距離應(yīng)大于壁板厚度，無直接受載區(qū)域小一些，有直接承載區(qū)域大一些。

2 結(jié)論

影響型材鋁合金車體型材設(shè)計的工藝性因素很多，除以上所提到的幾種因素外，還要根據(jù)型材所處的應(yīng)用環(huán)境以及載荷環(huán)境進行具體分析，再根據(jù)以上原則進行設(shè)計。

［1］高雙勝.筋板類構(gòu)件局部加載等溫精密模壓工藝的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.