高速客車車頂小彎梁成形工藝研究

文／魯萬彪，周冬冬，孫犁，陳培·中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司

車體鋼結(jié)構(gòu)是客車車身的一個(gè)重要組成部分，側(cè)頂小彎梁是車頂中重要部件，而且數(shù)量較多，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)直接影響到側(cè)?頂?shù)耐獗砻烙^。隨著客車運(yùn)行速度的提高，對(duì)車體自身的質(zhì)量要求也越來越高，在客車運(yùn)行過程中，車頂小彎梁要承受著整個(gè)車頂?shù)闹亓俊⒊惺苘図斏系鯍煳锏闹亓浚ū热缈照{(diào)、水箱、線槽等），還要承受來自外界的縱向和橫向風(fēng)阻，因此，小彎梁成形質(zhì)量必須滿足技術(shù)要求，保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

高速客車小彎梁結(jié)構(gòu)及工藝介紹

高速客車車頂小彎梁使用厚度為2mm的Q310板材，其尺寸為46mm(內(nèi)開檔）×70mm(高）×94mm(開檔），且?guī)458mm外圓弧半徑的帽形件，一端有21mm×4mm的止口，另一端有13°的斜角，如圖1所示。

由于小彎梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形難度大，只能采用壓型工藝成形，經(jīng)過研究分析，可從以下三步著手：⑴按照理論知識(shí)結(jié)合公司的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算出小彎梁展開尺寸（圖2）；⑵設(shè)計(jì)制作小彎梁壓型模（圖3）、檢測(cè)臺(tái)（圖4）；⑶通過壓型試驗(yàn)驗(yàn)證展開尺寸及壓型模（驗(yàn)證壓型模主要看成形件R458mm圓弧度及帽形尺寸）。

圖1 高速客車小彎梁設(shè)計(jì)圖

圖2 小彎梁展開尺寸

板料展開的尺寸直接影響著小彎梁的質(zhì)量，除此之外，壓型質(zhì)量跟壓力機(jī)的保壓時(shí)間、模具上下模有無毛刺、材料的延展性等都有關(guān)系。

圖3 小彎梁壓型

圖4 小彎梁檢測(cè)臺(tái)

高速客車車頂小彎梁成形狀況

隨著公路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，人們對(duì)舒適度、環(huán)境等有了更高的要求，車頂上的吊掛件數(shù)量也不斷增多，車頂強(qiáng)度要求也有所提高。通過理論結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們初步確定了小彎梁展開圖紙，通過下料和壓型試驗(yàn)制作出圖5所示的小彎梁，在小彎梁帽形結(jié)構(gòu)中，端頭止口和斜角角度均基本符合圖紙要求，但是斜角拐角處有開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，如果能解決開裂現(xiàn)象，小彎梁的成形問題就得到解決。

圖5 初試壓型狀況圖

高速客車車頂小彎梁成形工藝優(yōu)化

通過對(duì)壓型過程的應(yīng)力應(yīng)變分析，可近似認(rèn)為兩側(cè)面部分受單向拉應(yīng)力作用，如圖6所示。變形開始時(shí)，凹模口處的坯料變薄最大，靠近凹模圓角的材料拉深開始時(shí)向凸模圓角移動(dòng)，沿凸模圓角發(fā)生彎曲變形，使其厚度繼續(xù)變薄，當(dāng)拉深力過大，小彎梁兩側(cè)面材料的應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，側(cè)面被拉裂。由于在兩側(cè)面與底部圓角部分的交界面附近，材料的厚度最薄、硬度最低，因而，該處是發(fā)生拉裂的危險(xiǎn)斷面。

通過查閱資料、請(qǐng)教相關(guān)行業(yè)專家等研究分析，初步得出以下可能原因：

⑴ 小彎梁壓型模凸凹模表面粗糙，影響材料在壓型過程中的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致拉裂現(xiàn)象。

⑵ 小彎梁開裂處的拐角位置存在應(yīng)力集中。

⑶ 由于小彎梁開裂端口有個(gè)斜角，也就是兩側(cè)面材料比頂面材料多，兩側(cè)面比拐角處抗拉強(qiáng)度大，導(dǎo)致在壓力作用下兩側(cè)面還未達(dá)到成形要求，拐角處已經(jīng)發(fā)生開裂現(xiàn)象。

⑷ 由于成形后小彎梁開裂端寬度尺寸為126mm，分析原因可能是在壓型過程中兩翼面處的彎曲線往內(nèi)偏移，使兩側(cè)面所剩材料小于所需尺寸，導(dǎo)致在壓力作用下發(fā)生開裂現(xiàn)象。

針對(duì)以上分析，我們對(duì)壓型模的凸凹模表面做了打磨處理，并在壓型過程中加潤滑油。此外，為減少彎曲拐角處的應(yīng)力集中，我們對(duì)小彎梁展開圖做了以下兩種修改方案。

圖6 小彎梁壓型過程受力示意圖

圖7 方案一的展開圖及成形圖

圖8 方案二的展開圖及成形圖

圖9 工藝孔位置及尺寸修正后的展開圖與成形圖

方案一：將展開圖拐角處的尖角修改成R10mm的圓角，同時(shí)在兩翼面彎曲線的尖角處開φ12mm工藝孔，用來減小應(yīng)力集中，展開圖和成形情況如圖7所示。

方案二：將展開圖拐角處的尖角修改成φ10mm的工藝孔，同時(shí)在兩翼面彎曲線的尖角處開φ12mm工藝孔，用來減小應(yīng)力集中，展開圖和成形情況如圖8所示。

從以上兩種修改方案的成形情況可以看出，第一修改方案成形后的小彎梁拐角處的裂縫明顯比最初方案成形后的裂縫小，而第二修改方案成形后小彎梁裂口更為明顯，并往里延伸。由此可見，第一修改方案有明顯效果，但還是有裂縫存在，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在兩翼面彎曲線的尖角處開φ12mm工藝孔，不僅起到減小應(yīng)力集中的作用，還起到預(yù)彎曲的效果，加了工藝孔后，壓型過程中此處板料的剛度小于其余位置，導(dǎo)致在壓力作用下工藝孔位置先彎曲。發(fā)現(xiàn)這一情況后，我們對(duì)工藝孔大小、位置等做了多種修改，通過多次壓型試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把展開圖中兩工藝孔位置往中間各移5mm（將工藝孔中心距尺寸由150mm改成140mm），工藝孔直徑改大到φ16mm，成形后的小彎梁開裂位置處裂縫消失，基本能滿足工藝和質(zhì)量要求，如圖9所示。

在試驗(yàn)過程中，我們還發(fā)現(xiàn)兩側(cè)面位置的吊裝孔被拉成了斜橢圓形，如圖10所示。從圖10中可以看出，橢圓孔的一頭偏向開裂口位置，這樣導(dǎo)致上端材料比下端材料少，在相同拉力的作用下，上端的抗拉強(qiáng)度小于下端，從而發(fā)生開裂現(xiàn)象。我們把展開圖中的吊裝孔取消后，再次做成形試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，端頭裂縫完全消失。但是為了車頂?shù)跹b需要，吊裝孔不能取消。移動(dòng)吊裝孔位置后，做成形試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把吊裝孔位置移向中間位置后，端頭裂紋也會(huì)完全消失，如圖11所示。

圖10 吊裝孔成形

圖11 吊裝孔位置移動(dòng)后成形

通過以上研究最終確定了小彎梁的展開圖，如圖12所示。

結(jié)束語

本文通過高速客車車頂小彎梁的結(jié)構(gòu)介紹以及成形工藝分析研究，對(duì)開裂端進(jìn)行優(yōu)化處理，最終確定小彎梁的展開圖，并以此為依據(jù)推算出平頂小彎梁下料圖，通過壓型試驗(yàn)以及檢測(cè)臺(tái)檢查，樣品均符合要求。