铝合金车体型材设计的工艺性

2012-08-15王立颖赵鹤群

科技视界 2012年30期

王冲王立颖赵鹤群

（吉林铁道职业技术学院吉林吉林 132001）

0 引言

铝合金车体结构大部分由铝型材构成，型材断面的设计直接决定了生产过程中的工作量、工作效率和制造难易程度，因此铝合金结构的车体型材的设计应从全局出发，尽最大可能方便后道工序，型材的设计包括了型材的宽与厚设计，筋板的设计，型材滑槽的设计等，本文仅对型材设计的工艺进行分析。

1 型材设计的工艺性

1）型材二维空间的工艺性

（1）结构设计中要尽量采用宽的型材横断面，减少型材焊接工作量

（2）块状、条状结构件应尽量采用型材模具，避免水刀切割工作量

（3）型材宽度公差要合理

（4）型材四边壁厚要比中间的肋厚0.5～1mm

2）筋板的工艺性

筋板类零件多采用分体制造后焊接或铸造方式加工，难以满足服役条件，无法达到预期的效果。采用焊接加工，焊缝强度低，削弱了承载能力，带筋部位流线不完整，焊接时变形量大，不能满足精度要求；采用铸造加工，铸造状态晶粒尺寸比较大、组织不细密，产品力学性能较差，强度仅能达到350MPa;采用数控加工或化铣加工，不仅材料的利用率低、成本高、环境污染严重，而且加强筋部位的金属流线被切割，使构件的强度大大降低，难以满足构件的使用性能。

挤压工艺生产的零件与其他方法如切削加工生产出来的零件相比，其优点在于保持了金属纤维的完整性，并使其沿零件外形轮廓分布，这样可显著地提高零件的承载能力，另外还可以改善锻件组织，使零件的韧性和塑性同时提高。根据生产实践，采用挤压工艺生产带有薄腹板的筋类、盘类、梁类、框类等精锻件具有很大的优越性。该类零件采用挤压方法加工，成形后的内筋不需要再进行切削加工，通过筋板与腔体的整体塑性成形，使金属流线沿零件的几何外形分布，保证了筋部位流线的完整，克服了焊接或锻造强度低的问题，同时提高了产品的内部组织和力学性能，提高了生产率，节约了金属材料。内腔筋板零件采用该模具挤压加工后，实现了零件的整体成形，提高了零件精度和表面质量，减少了切削加工量，节约了大量原材料，提高了生产效率，更提高了零件的力学性能[1]。

（1）挤压工艺对筋板壁厚的影响

筋板厚度除受其所受应力的影响外，还受到挤压工艺的影响。对于复杂型材，筋板宜设计厚一些，以便于挤压；同时筋板的厚度还需考虑截面变化对挤压的影响。通常情况下，地铁车辆上所使用型材截面并不太复杂，对挤压的影响也小一些。目前国内能挤压出的最小筋板壁厚2.0mm左右，但仅限于截面简单的型材。设计时，需要综合考虑，如型材为矩形筋板布置方式，则筋板壁厚可以小一些，梯形和三角形筋板布置方式则应大一些。

（2）各种不同形状的筋板布置方式

在地铁车辆铝合金型材中，筋板布置方式主要有三角形、矩形及梯形布置3种型式，从截面横向变形来说，三角形筋板布置方式变形最小，梯形筋板布置方式次之，矩形筋板部置方式变形最大。从整体变形结果来看，三角形筋板布置方式结构稳定性度最好，梯形筋板布置方式略差，矩形筋板布置方式最差。从纵向变形来说，3种筋板布置方式基本相同。在型材设计时，应根据受载情况以确定筋板的布置方式，一般在底架上多采用三角形筋板布置方式，侧墙上采用矩形筋板布置，顶盖上采用梯形筋板布置。

（3）载荷对筋板壁厚的影响

筋板厚度主要由其所承受的载荷决定。从以上分析可以看出，型材在承受均布载荷时，处于中间位置的筋板的应力较低，接近固定约束侧的筋板应力较高。由于我们对筋板进行分析时，抽象地将型材两侧固定，而实际上，在地铁车辆结构中，型材之间互相通过焊接方式连接在一起，这样除边梁附近的筋板外，其余的筋板都相当于上述计算中的中间部分筋板，曲上述计算结果可以看出，筋板所受应力较之壁板要小得多、中间部分筋板所受载荷较挨近边梁部分筋板要小得多。因此，我们在设计时，可以将两侧受力较大的筋板设计得厚一些，而中间部分筋板则可以尽量薄，以减小筋板厚度，达到轻量化和节约成本的目的。

（4）筋板圆角

对于筋板与壁板连接处及筋板间的圆角，一方面，要考虑避免应力集中；另一方面，由于筋板与壁板相交地方的应力相对于壁板中部的应力要大得多，因而应通过倒圆角的方式来增加这一区域的材料厚度；再一方面，还要考虑是否有直接受载情况（例如有C型槽悬挂的区域）。设计时，壁板与筋板间的圆角可以小一些，而筋板间的圆角应大一些，圆角的顶点距壁板外侧的距离应大于壁板厚度，无直接受载区域小一些，有直接承载区域大一些。