城市軌道交通車輛鋁合金車頭成型工藝研究

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(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

隨著城市軌道交通體系的高速發(fā)展，對(duì)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(shì)[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(duì)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(duì)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(zhǎng)[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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(tái)和2個(gè)下平臺(tái)，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(cè)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(guó)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(guó)外相比還有較大差距。多家外國(guó)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(shì)，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(guó)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(guó)軌道交通領(lǐng)域綜合實(shí)力。