鋁復(fù)合材料板在城軌車體制造中應(yīng)用

李本廣 彭章祝

摘 要：針對有效降低車體重量的鋁復(fù)合材料板的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對其車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)制造工藝給出了建議。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；鋁合金車體；鋁復(fù)合材料板；制造工藝

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.24.093

0 引言

城軌車輛制造行業(yè)競爭激烈，節(jié)能減排是行業(yè)未來發(fā)展的方向，輕量化設(shè)計(jì)是必然趨勢，高強(qiáng)度、低密度材料的應(yīng)用一直是車輛設(shè)計(jì)、制造探索的熱點(diǎn)。其中，鋁復(fù)合材料板是一種較新型的車體制造材料，其三明治結(jié)構(gòu)由鋁面板、心材、鋁面板，并用結(jié)構(gòu)膠粘劑膠壓接而成。我公司試制的某科研項(xiàng)目，其頂蓋部分采用了鋁復(fù)合材料板后，重量即從1095 kg降低到965 kg，減重幅度達(dá)到12%，減重效果明顯。但是，相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、大面積的表面鋁薄板等原因，無法實(shí)施常規(guī)MIG焊接，而一般采用激光焊接或鉚接等方式完成車體的裝配、密封等。

本文主要介紹鋁復(fù)合材料板在某科研項(xiàng)目鋁合金車體頂蓋制造中的應(yīng)用及其注意事項(xiàng)。

1 鋁復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)組成

鋁復(fù)合材料板是由上蒙皮、下蒙皮、心材及封邊型材組成的“三明治”結(jié)構(gòu)，通過真空熱壓粘接成型。其中，根據(jù)車體不同部件位置的不同，四周封邊型材可而做相應(yīng)調(diào)整，中間的心材也可設(shè)計(jì)成不同的厚度。

采用鋁復(fù)合材料板的鋁合金車體結(jié)構(gòu)一般為：由車體鋁型材、折彎件等組成的框架，然后與已安裝復(fù)合材料的鋁復(fù)合材料板鉚接或激光焊接成車體。其中，頂蓋大部件中鋁復(fù)合材料板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)驗(yàn)證，僅頂蓋部分采用鋁復(fù)合材料板，頂蓋重量即從1095kg降低到965kg，頂蓋減重幅度達(dá)到12%，減重效果十分明顯。

2 車體頂蓋組成

該鋁合金車體頂蓋由兩側(cè)兩根邊梁組焊、中間四件空調(diào)隔墻梁組焊組成、兩端各一件端墻組焊等八小部件組成。頂蓋的組裝以兩側(cè)兩根邊梁組焊為基本框架，然后安裝中間和兩端的空調(diào)隔墻組焊、端墻組焊等。

3 制造工藝

全焊接結(jié)構(gòu)的車體，焊縫外表面平滑，而采用鉚接結(jié)構(gòu)的車體，由于在鉚接位置采用搭接結(jié)構(gòu)，外觀上局部有臺(tái)階，鉚接點(diǎn)上有鉚釘凸起，影響整車美觀。所以，外側(cè)搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可對鋁型材進(jìn)行折邊，并采用沉頭防水鉚釘，鉚接后進(jìn)行補(bǔ)漆等，不僅能保證外側(cè)輪廓的整體性，還能改進(jìn)鉚釘?shù)姆浪阅堋?/p>

3.1 大部件組裝工藝

頂蓋寬度方向上曲面、折邊等應(yīng)力集中的位置，容易產(chǎn)生焊接變形?？蚣茔T接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用鋁復(fù)合材料板外側(cè)搭接在鋁合金擠壓型材上，如下圖所示，而內(nèi)側(cè)搭接在單獨(dú)配裝、焊接的折彎鋁板上。此結(jié)構(gòu)配合相應(yīng)工裝，可有效降低整體尺寸的控制難度，降低車體制造成本。

制造過程中，可根據(jù)裝配、焊接收縮情況等對局部部件工藝放量。實(shí)際生產(chǎn)中，可增加必要的輪廓度檢測模板、仿形模具等，以保證焊后框架的整體平整度，降低后續(xù)裝配、鉆孔、鉚接難度。

由于傳統(tǒng)的MIG焊接工藝較大的熱輸入，焊后鋁薄板變形較大，且火焰、機(jī)械等常見調(diào)修方法效果并不明顯。同時(shí)，焊接過程中，膠層溫度超過結(jié)構(gòu)膠所能承受的最高溫度，即膠層會(huì)遭到破壞。所以，鋁復(fù)合材料板一般采用激光焊接或鉚接。鑒于激光焊技術(shù)的高昂投入，我公司在某科研項(xiàng)目中采用綜合制造成本較低鉚接工藝。

3.2 鉚接結(jié)構(gòu)

鉚接工藝就是較容易實(shí)現(xiàn)的工件連接工藝方法，操作簡單，沒有熱輸入，工件不會(huì)產(chǎn)生變形。但是，鉚接對結(jié)構(gòu)焊接尺寸、預(yù)裝配、鉆孔到最終鉚接的技術(shù)精度要求較高，如采用全手工鉆孔、鉚接操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。我公司采用復(fù)合材料板組裝的頂蓋生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于鋁復(fù)合材料板一般自帶面漆，為防止后續(xù)鉆孔過程中帶膠的鋁屑四處飛濺，難以清理等問題，可對鋁復(fù)合材料板內(nèi)外表面粘貼保護(hù)膜等方式進(jìn)行防護(hù)。

3.3 密封性能

由于鉚接結(jié)構(gòu)在鉚接點(diǎn)之間存在一定間隙，一般通過鉚接接觸面打膠、鉚接完成后四周填膠封邊等方式密封，可充分保證鉚接結(jié)構(gòu)的防水密封性能等，如下圖所示。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鉚接結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充液態(tài)膠層厚度在控制在2～4mm，打膠厚度太薄容易造成密封不到位的問題。但是，膠層的存在降低了鉆孔效率，加速了鉆頭損耗，且擠壓出來的膠容易與鋁屑粘連在一起，附著在鋁復(fù)合材料板上，不易清理。

鉚接完成后，仍需要對外側(cè)鉚接區(qū)域，進(jìn)行補(bǔ)膩?zhàn)?、油漆等，可保證外觀，又能進(jìn)一步提高鉚接位置的防水性能，保證車體的使用年限。

經(jīng)試板吹氣、車體淋雨試驗(yàn)等密封性驗(yàn)證后，復(fù)合材料板的鉚接工藝密封性能滿足設(shè)計(jì)制造要求。

3.4 制造工藝結(jié)論

鉚接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)定位孔，底孔現(xiàn)場配鉆。鉆底孔時(shí)，可先打定位孔，再擴(kuò)孔，可保證鉚接質(zhì)量，提高鉆孔效率，如孔徑在6mm左右鉚釘可直接鉆孔，不需要打底孔。鉚接結(jié)構(gòu)對車體工裝、工具等要求較高，由于鉚接時(shí)一般先鉆孔，而手工鉆孔精度又難以保證。經(jīng)驗(yàn)證，如果兩個(gè)鉚接部件鉚接孔誤差超過0.5mm，就會(huì)出現(xiàn)無法拉鉚或拉鉚后鉚釘松動(dòng)等問題。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可四周進(jìn)行打數(shù)個(gè)定位孔，保證鉚接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以防鉚接過程中錯(cuò)邊、無法拉鉚等問題。

試裝、定位后，膠可以打在框架以及鋁復(fù)合材料板與車體框架的接觸面，以保證鋁復(fù)合材料板與車體框架充分接觸、密封。由于膠層有一定的活化期，需要在活化期內(nèi)完成所有的鉆孔、鉚接作業(yè)。鉚接完成后，鉚接結(jié)構(gòu)四周需補(bǔ)膠，進(jìn)一步保證密封性能。

如批量較小可采用手工鉚接工藝，可有效降低制造成本。但由于鉚釘孔數(shù)量大，手工作業(yè)容易疲勞等，如生產(chǎn)批量較大，則可上一條機(jī)械手生產(chǎn)線，輔助裝卡、鉆孔或鉚接等，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量等。

4 結(jié)論

鋁復(fù)合材料板的應(yīng)用可有效降低城軌車輛車體自重，為鋁合金車體輕量化材料提供了新的選擇。

焊接-鉚接-粘接工藝結(jié)合制造的車體，對框架的裝配精度、焊接變形控制等提出了更高的要求。

鋁合金車體噴砂、底漆、面漆等涂裝作業(yè)應(yīng)在鋁復(fù)合材料板安裝前完成。過高的溫度，容易導(dǎo)致鋁復(fù)合材料板自身、密封膠等的老化，甚至失效，縮短車體壽命等。

鋁復(fù)合材料板與框架之間的密封膠可有效保證鉚接的防水性能?？紤]到車體壽命等因素，可優(yōu)先選擇進(jìn)口膠。

鉚接工藝能滿足鋁復(fù)合材料板的鋁合金車體制造要求。小批量生產(chǎn)，可采用人工操作，如大批量項(xiàng)目，自動(dòng)化鉆孔、鉚接生產(chǎn)線可有效降低作業(yè)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]陳后友，陳軍蘭.地鐵車輛鋁合金車體的鉚接工藝[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2007.

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