轨道车辆侧墙蒙皮工艺研究

轨道车辆侧墙蒙皮工艺研究

张守凤

长春轨道客车股份有限公司

摘要：铁路全封闭长、大车辆侧墙蒙皮一般采用 2.5mm 高强钢板，以实现整车结构强度大、运行风阻小等目的。围绕侧墙整板蒙皮张拉工艺展开研究，通过理论分析设计制造了新型蒙皮张拉机，优化了蒙皮张拉工艺。采用新工艺后，蒙皮板焊接失稳变形等问题被有效消除，保证了整车制造质量。蒙皮除了具有防护和增强强度的作用外，还起到了装饰客车、表现整车外部形状特征的作用。因此，车身蒙皮制作质量的好坏直接影响整车的外观和性能。车身蒙皮的制作受材质、蒙皮与骨架连接方式、自身的形状结构、蒙皮类型、生产批量等条件制约。

关键词：蒙皮 薄板失稳 张拉工艺 结论分析

随着我国铁路事业的飞速发展，高速、美观、舒适性等需求对铁路车辆运行质量和外观质量等提出了更高要求。现有的铁路全封闭长、大车辆一般由底架、侧墙、端墙、车顶及走行部等组成。为了提高质量水平，人们对车体表面平整度、运行风阻和车体刚度等进行了设计改进。根据设计改进，该类型车车体侧墙一般采用框架覆盖 2.5mm 高强钢板蒙皮材料，这使得在侧墙制造过程中如何控制侧墙平面度成为整车制造的难点。如采用传统制造工艺，侧墙采用小板蒙皮拼焊、拉铆，焊接量加大、焊缝增多、铆钉头外漏，很难满足平面度等技术要求。经工艺论证，侧墙制造如需满足质量要求，应采用整板蒙皮制造工艺。整板蒙皮工艺能够减少拼接焊缝，提高侧墙平面度。但蒙皮板与侧墙框架组焊时，薄板连续焊接会发生失稳变形，局部出现外凸或内凹，从而影响整车质量。为了克服以上缺陷，侧墙的制造除采用整板工艺还需增加张拉工艺。因此，对侧墙蒙皮张拉工艺进行相关研究，对提高车体表面平整度、增加车体刚度以及降低运行风阻都有重要意义。

1.蒙皮失稳变形机理及其预防措施

1.1 蒙皮失稳变形的机理

在蒙皮板和侧墙框架的焊接过程中，焊接高温使薄板产生了不均匀的焊接温度场，此时由于侧墙框架强度较大，蒙皮板受到约束作用，焊接完成后温度恢复均匀，焊接区域就会形成残余应力。当残余应力超过薄板的失稳临界应力时，薄板就会发生变形。蒙皮的焊接变形多呈波浪状，形式复杂，矫正时难度较大，变形过大时还会造成废品。

1.2 蒙皮失稳变形的预防措施

从蒙皮制造产生变形的机理来看，克服薄板内的焊接残余应力，是避免蒙皮失稳变形的有效手段。制造工艺方面，预先评估焊接变形的方向和变形量，焊前将蒙皮板预拉伸产生拉伸力，抵消焊接残余应力，从而减小薄板的失稳变形。较为有效的方法是采用蒙皮张拉工艺。设计方面，合理设置焊接参数，选择焊接形式、位置，减少焊接残余应力的产生。

2 蒙皮张拉工艺分析

2.1 张拉原理分析

蒙皮在拉伸过程中会经历弹性变形和塑性变形阶段。当张拉应力 σ ＜ σp ≈σs 时，蒙皮只发生弹性变形。在拉伸状态下，将蒙皮点固焊接于车体侧墙骨架上，由于内应力的存在，蒙皮有回弹趋势，能够加强车体框架整体刚性，同时抵消焊接残余应力。当张拉应力继续升高 σp≤σ≤Reh，材料处于滞弹性阶段，蒙皮产生部分塑性变形以及全部弹性变形，将此塑性变形的蒙皮点固于侧墙框架上，材料会出现一部分变形回弹，另一部分塑性变形为永久变形，不能恢复。此塑性变形能提高蒙皮的硬度、强度，弹性变形能够产生焊接变形抗力，提高框架刚度。所以，车体刚度变得更好，车体侧墙平面度得到保证。

综上所述，将蒙皮拉伸至微塑性变形阶段，可以达到良好的抗失稳变形效果，即张拉应力应达到 σs（材料的屈服极限）。

2.2 蒙皮张拉工艺分析

现有的张拉工艺主要有三种形式，即手动螺旋张拉、液压张拉和加热张拉。手动螺旋张拉工艺设备结构简单，但张拉力小，劳动强度大，效率低，已基本淘汰。加热张拉工艺主要运用于公路客车行业，多用于长度较短、厚度0.8 ～ 1.0mm 的板材张拉，对于大尺寸铁路车辆蒙皮而言，加热张拉膨胀不均匀，热胀量难以控制，此外高温作业也导致劳动环境恶劣，同时耗能大。液压张拉工艺张拉力大，耗能低，张拉力输出稳定易保持，但投资较大。据了解，目前还没有较为成熟的应用装备，多数为各企业自行配备。

2.3 蒙皮张拉工艺分析结论

经工艺分析，侧墙蒙皮板长度为 18m，厚度为 2.5mm，根据作业要求需持续提供较大张拉力。宜采用液压张拉工艺，将蒙皮板张拉至微塑性变形阶段，从而有效消除蒙皮板的焊接失稳变形。根据前期调研结论，针对产品特点自行设计制造液压蒙皮张拉装置，以满足生产需要。

蒙皮拉延成形中涉及到的工艺参数众多,取值区间不连续,难以通过单因素优化方法获取生产所需的最优工艺参数组合。提出了一种基于响应面模型和模拟退火算法的蒙皮成形工艺参数组合优化方法。以轨道车辆司机室蒙皮为例,根据产品需求和生产工况设计了工艺参数组合,通过有限元仿真方式获取了不同工艺参数组合下工件成形效果,建立了回弹量、最大应力与工艺参数组合之间的响应面模型;通过模拟退火算法,在工件不断裂前提下,将工件成形后的回弹量由前期工艺试制时的32 mm降低至6.89 mm,并获取了最小回弹量对应的工艺参数组合。采用优化后的工艺参数组合指导工艺试制,成形件满足试制工艺条件,且回弹量的试验结果和优化结果相吻合。结果表明:该蒙皮成形工艺参数优化方法可以有效降低工件成形后的形状误差,并为后续模具型面补偿提供依据。

 3. 液压及电控系统

蒙皮张拉过程中，液压系统提供蒙皮的夹紧力和张拉力，操作人员通过电控系统操作面板上的按钮对液压系统进行控制，实现蒙皮的夹紧、拉伸和释放，以及整个设备的开关、急停，并设有旋钮用于调整液压系统压力。此外还设有显示面板，实时显示液压系统压力和蒙皮伸长量。

4 结论

通过分析，拉伸不足主要由成形过程中板料的流动阻力不足引起,可通过增大压边力、设置拉延筋进行控制,采用变强度拉延筋可以有效控制拉伸不足;轮廓精度差主要由回弹量大引起,优化成形工艺参数可一定程度上提高蒙皮件轮廓精度,工艺参数对轮廓精度的影响程度按照从大到小排序为:凹模圆角、摩擦因数、模具间隙、拉延深度;基于回弹量对模具型面进行补偿可以有效控制蒙皮件的轮廓精度;对于4 mm厚5083-H111铝合金蒙皮件而言,回弹补偿系数取1.2时,蒙皮件的轮廓精度最好。基于模拟结果开展了成形试验,得到合格的成形件,验证了缺陷控制措施的有效性。 在对蒙皮张拉工艺参数进行优化的基础上，根据新的工艺要求设计制造新型蒙皮张拉装置，采用新工艺参数和新增设备，能有效地控制侧墙制造过程中蒙皮失稳变形，车体表面平整光滑，整车质量满足了设计需求。

参考文献：

[1]张学广,何广忠,梁继业,王震.模拟退火算法在轨道车辆司机室蒙皮成形工艺参数优化中的应用[J].城市轨道交通研究,2020,23(02):35-39+44.

[2]王宇,杨驰,张雷,张彤阳,麻彬彬.铁路车辆侧墙张拉蒙皮失稳变形控制工艺研究[J].现代制造技术与装备,2018(06):30-31.

[3]谷诤巍,吕萌萌,张文学,雷娇娇,徐虹.中国标准动车组前端三维蒙皮件冲压成形[J].吉林大学学报(工学版),2017,47(03):869-875.

[4]高彬.浅谈对客车蒙皮技术的研究[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2016(01):295-296.

[5]唐学帮,黎孟珠,陈元华.客车车身侧边蒙皮辊压成型技术的研究与应用[J].热加工工艺,2012,41(15):130-132.

[6]崔轶斌.客车冲压蒙皮成型CAE分析[J].客车技术与研究,2008(06):29-31.