铝合金地铁车体侧墙制造关键点研究

铝合金地铁车体侧墙制造关键点研究

唐启程

中车株洲电力机车有限公司  湖南省株洲市  412000

摘要:铝合金地铁车体具有质量轻、耐腐蚀等优点,其侧墙作为关键结构部件,制造质量直接影响车体性能和安全。本文重点研究了铝合金地铁车体侧墙制造的关键技术点,分析了当前存在的主要问题,并提出了相应的改进对策,旨在提高侧墙制造质量,确保地铁车体安全可靠。

关键词:地铁车体；铝合金侧墙；制造工艺

引言：车体侧墙是铝合金地铁车体的重要组成部分,其结构复杂、受力状态多样,对制造工艺提出了较高要求。铝合金侧墙制造涉及切割、冲压成形、机加工、焊接、铆接、表面处理等多道工序,任何环节的质量缺陷都可能引发安全隐患。

一、研究铝合金地铁车体侧墙制造关键点的重要意义

铝合金密度仅为钢材的1/3,比强度却可达到甚至超过普通钢,采用铝合金材料可大幅降低车体自重。以某型地铁车辆为例,采用铝合金车体后,单节车重量较传统钢制车体减轻了3吨左右,车辆重量降低约10%。轻量化不仅带来车辆动力学性能的提升,更可显著降低牵引能耗[1]。车体减重10%,牵引能耗可降低6%~8%。侧墙作为车体的主要构件,减重潜力巨大。在满足强度和刚度要求的前提下,通过优化侧墙壁板的厚度、肋板的数量和尺寸,可进一步降低车体重量。然而,壁板减薄后,变形问题会更加突出,对成形精度、焊接变形的控制提出了更高要求[2]。

二、铝合金地铁车体侧墙制造存在的主要问题

(一)外形尺寸公差控制不够精确

侧墙壁板多采用冲压成形,但在实际生产中,受到工装夹具精度、模具磨损、工件回弹等因素影响,成形件的尺寸精度和表面质量很难得到保证。尤其是大型铝合金壁板,成形后易产生变形、起皱、回弹等缺陷,外形尺寸公差往往难以控制在图纸要求范围内。侧墙与底架、顶板等构件的连接精度要求较高,但目前大多采用人工划线、钻孔定位的方式进行装配,定位精度波动大,装配误差超差率较高。同时,由于缺乏专门的检测工装,装配尺寸的检验多依赖人工,测量手段粗糙,数据分析不足,难以精确控制外形尺寸。尺寸误差的叠加将导致构件配合间隙超差,引发密封不严、异响等质量问题。如侧墙与顶板连接处的误差超标,可能引起车体上部结构变形,进而影响空调管路布置。侧墙与端墙连接面间隙过大,还会造成车内异物积聚,影响美观,加重清洁工作量。尺寸精度不高还会导致高铁车体空气动力学性能下降,增加能耗。

(二)焊缝质量参数波动较大 

侧墙与底架等构件的连接多采用MIG焊。焊接质量不仅影响接头的机械性能,还影响整车的外观质量。然而,由于铝合金材料导热系数高、熔点低、化学活性高,焊接时极易产生烧穿、气孔、夹渣等缺陷。受焊工技能水平、工装状态等因素影响,焊缝质量参数的波动较大,一致性难以保证。以焊缝余高控制为例,MIG焊接时,焊丝熔入不均匀会导致焊缝表面高低不平,余高超标。焊缝余高偏差大,不仅有碍外观,而且容易引发应力集中、疲劳开裂等问题。目前,焊缝余高的控制主要依赖焊工经验,缺乏量化的控制指标和可靠的检测手段,余高超差率居高不下。焊缝强度作为评价焊接接头的关键指标,直接关系到车体的耐久性和安全性。

(三)铆钉孔位偏差引起应力集中

侧墙与端墙、顶板的连接除了焊接,还采用铆接的方式,铆钉孔加工精度关系到铆接质量。铆钉孔多采用模具冲孔,但由于模具定位基准不统一、工装夹具磨损等原因,孔位精度难以保证。以某型号铝合金侧墙的铆钉孔加工为例,平均孔位偏差可达0.4mm,最大偏差接近1mm,部分孔位甚至出现错位、漏冲的现象。铆钉孔位偏差过大,会造成铆钉孔周围应力集中,在车体振动等动载荷作用下极易引发开裂失效。此外,孔位偏差还会导致铆钉装配困难,铆接质量难以保证。轻微的偏差虽然不会立即引发故障,但会加速连接部位的疲劳损伤,缩短车体使用寿命。造成孔位偏差的原因较多,既有工装夹具、模具磨损等工装因素,也有工件变形、板材硬度偏差等材料因素。铆钉孔属于隐蔽工序,其质量缺陷不易被发现。然而,当前对铆钉孔位公差的控制还不够精细,缺乏孔位偏差的成因分析和改进措施研究,容易引发安全隐患。

三、改进铝合金地铁车体侧墙制造工艺的对策

(一)优化机加工工艺,提高尺寸精度

针对外形尺寸公差控制不足的问题,可从优化机加工工艺入手,提高尺寸的精确度。冲压成形是壁板加工的关键环节,要优化冲压工艺参数,如压力、速度等,减少壁板的回弹变形。合理选用模具材料和热处理工艺,提高模具硬度和耐磨性,减少模具磨损对尺寸精度的影响。同时,要加强模具状态监测,及时修复或更换磨损严重的模具。在机加工过程中,充分利用数控加工中心、工业机器人等自动化设备,减少人工操作环节,从源头上控制加工误差。引入在线测量、误差补偿等技术,实时监测加工偏差,及时调整工艺参数。对于装配定位基准,宜采用激光跟踪仪等高精度测量设备统一标定,提高定位基准的一致性。开发专用检具,实现装配尺寸的快速精确检测。引入三坐标测量机,对关键外形尺寸进行无接触扫描检测,并将检测数据与三维设计模型进行比对分析,及时发现误差超标项,优化装配工艺。

(二)规范焊接工艺,控制焊缝质量

针对焊缝质量参数波动大的问题,要从规范焊接工艺、细化过程管控入手,提高焊缝质量的稳定性。优化焊接工艺参数,如焊接电流、电压、速度等,减少飞溅、烧穿等缺陷。改进送丝方式,采用推拉式送丝,提高送丝均匀性。选用优质焊丝,控制焊丝的化学成分和表面质量。加强焊接阶段的环境管理,避免引入杂质、氢气等。

在焊缝成形阶段,优化焊枪摆动参数,控制熔敷金属过渡状态,减少焊缝余高。研究多层多道焊的层间温度、道间温度对焊缝成形的影响规律,优化温度参数。在焊缝清根时,严格控制打磨深度和范围,避免出现过度打磨、根部垮塌等问题。

加强焊接过程的在线监测,采用弧光电压检测、图像识别等技术,实时监测焊接电流、电压等参数,发现偏差及时调整。积极推广焊缝在线无损检测技术,采用超声相控阵、射线数字成像等方法,对焊缝内部质量进行全面评估。建立焊缝缺陷分类标准图集,规范焊缝质量判定标准。

(三)优化铆钉孔加工及位置布置

针对铆钉孔偏差引起的应力集中问题,要从铆钉孔加工工艺和孔位布置优化两方面入手。在铆钉孔冲压时,要优化冲头、冲模设计,提高导向精度,减少孔位偏差。改进毛坯定位方式,采用销钉定位、吸附定位等代替传统的人工定位,提高定位重复精度。

加强冲模维护保养,定期检查模具磨损状态,及时修复或更换磨损件。引入模内在线测量技术,在成形过程中实时测量孔位尺寸,发现偏差及时停机检修。同时,分析铝合金硬度、厚度等材料特性参数与冲孔质量的关系,优化材料选用,减少材料差异引入的孔位误差。

在铆钉孔位置布置上,要减少孔位密集区域,避免出现应力集中。采用有限元分析等方法,优化铆钉孔周围的应力分布,找出应力集中位置,合理调整孔位布局。在铆接工艺试验中,开展铆钉孔疲劳试验研究,测试孔位偏差对疲劳寿命的影响,确定孔位公差的合理范围。

结语

铝合金地铁车体侧墙制造涉及冲压成形、机加工、焊接、铆接、表面处理等诸多关键工序,每个环节的工艺水平和质量管控都关系到车体的安全性、可靠性、经济性。当前,侧墙制造还存在尺寸精度不高、焊缝质量不稳定、铆钉孔偏差大、氧化膜性能不达标等问题,亟需强化关键制造环节的过程管控和技术创新。

参考文献：

[1]赵阳,尉志强,向勇,黄润涛.A型铝合金地铁车辆车体侧墙挠度及焊接工艺[J].焊接技术,2021,50(4):42-44.

[2]任丹,隋燕都,张海沧.浅析 A 型铝合金地铁车辆的生产制造工艺流程[J].中国战略新兴产业（理论版）,2019(4):0125-0125.