城市軌道交通車輛鋁合金車頭成型工藝研究

秦中環，梁繼業，李保永，任 丹，劉 奇，劉 偉，徐柄桐

(1.北京航星機器制造有限公司，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展，對城市軌道交通車輛節能、環保和美觀等方面提出了更高的要求，先進城市軌道交通車輛輕量化技術已成為未來發展趨勢[1]。實現先進城市軌道交通車輛輕量化技術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合金制造車頭蒙皮、側墻蒙皮和中空擠壓型材等城市軌道交通車輛用車體結構件，以及通風管、窗框架、座椅支架、內部裝飾板、復雜形狀的面板、水箱等車輛內部設備和內飾[2]。以城市軌道交通車輛鋁合金車頭為例，與傳統的玻璃鋼車頭相比，鋁合金結構質量更輕，阻燃性更優越，還可回收再利用，具有天然金屬質感，更重要的是可以與鋁合金車身通過焊接方式達到完美結合，避免玻璃鋼車頭與鋁合金車身膠結處老化、開裂等問題，實現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缺點以及工藝難點，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，但要求焊縫抗拉強度和延伸率達到原材料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分析

2.1 鋁合金車頭分塊制造方案

根據鋁合金車頭結構

特點，將鋁合金車頭分為5個部分，即車頂、車窗、左側墻、右側墻和車燈，先分別進行5個部分的加工，然后通過焊接方式將5個部分連接成為整體結構，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和模具對板材、帶材、管材和型材等施加外力，使之產生塑性變形，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、不需要加熱設備、工序加工成本低等優點，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，難以成型復雜結構。超塑成型是指在一定的溫度和變型速率條件下，材料呈現超塑性時施加壓力使材料產生變形，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雜零件、減少產品分塊數量，成型鋁合金等材料無回彈、成型精度高、變形抗力低等優點，但需要超塑成型專用設備，加工成本較高，超塑成型工序耗時較長[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分析

鋁合金車頂為雙曲型面，對鋁合金車頂鈑金成型進行有限元數值分析，結果如圖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起皺傾向(藍色區域)，難以完成整體成型。

圖5 鋁合金車頂鈑金成型有限元數值分析結果

2.3 鋁合金車窗成型工藝難點分析

鋁合金車窗為異型曲面，對鋁合金車窗鈑金成型進行有限元數值分析，結果如圖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起皺傾向(藍色區域)，難以完成整體成型。

圖6 鋁合金車窗鈑金成型有限元數值分析結果

2.4 鋁合金側墻成型工藝難點分析

鋁合金側墻有較大平面，中心有較深翻邊門口，對鋁合金側墻成型進行有限元數值分析，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，成型后鋁合金側墻翻邊門口處有較強開裂傾向(紅色區域)，無法完成整體成型。

圖7 鋁合金側墻鈑金成型有限元數值分析結果

2.5 鋁合金車燈成型工藝難點分析

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

圖8 鋁合金車燈鈑金成型有限元數值分析結果

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起皺傾向，需將鋁合金車頂分成3個部分，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。

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起皺傾向，需將鋁合金車窗分成4個部分，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。

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 鋁合金側墻成型工藝方案

如采用鈑金成型，鋁合金側墻翻邊門口處有較強開裂傾向，需將鋁合金側墻分成3個部分，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，從鋁合金側墻超塑成型模擬結果(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，鋁合金側墻成型采用整體超塑成型更優。

圖13 鋁合金側墻鈑金成型方案

圖14 鋁合金側墻超塑成型方案

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。

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，但超塑成型耗時更短，型面精度更高，并且可將鋁合金車頭分塊數量由鈑金成型的16塊減少為5塊。

鋁合金車頭的車頂、車窗、左側墻、右側墻和車燈產品在北京航星機器制造有限公司自主研發的HX-HF1000三工位熱成型機和HX-SPF2000超高溫超塑成型機上進行超塑成型，如圖17所示。HX-HF1000三工位熱成型機爐膛尺寸為3 600 mm×2 600 mm，最高溫度為1 000 ℃，擁有1個上平臺和2個下平臺，可實現高溫下工裝的快速換裝。HX-SPF2000超高溫超塑成型機爐膛尺寸為3 600 mm×2 600 mm，最高溫度為1 200 ℃，可實現耐高溫材料的熱成型和超塑成型。

圖17 HX-HF1000三工位熱成型機和HX-SPF2000超高溫超塑成型機

鋁合金車頭超塑成型后的實物圖如圖18所示，實測產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%，明顯優于設計指標要求，并且表面光潔，無需后續鉗工校型，組焊成整體鋁合金車頭后，焊縫抗拉強度和延伸率達到了原材料90%以上。

圖18 鋁合金車頭超塑成型后的實物圖

4 結束語

國內采用超塑成型技術初步嘗試制造了城市軌道交通車輛鋁合金車頭、立罩板、車窗和側頂板等產品，但與國外相比還有較大差距。多家外國公司已具備設計、研發和批量生產軌道交通用超塑成型產品的能力，而且借助于先進超塑成型設備優勢，已型成較大生產規模。后續我們還需進一步依托國產大型超塑成型裝備，加大超塑成型技術在軌道交通的推廣應用力度，提高我國軌道交通領域綜合實力。