鋁合金地鐵車體邊梁機加工裂紋仿真分析與研究

李樹棟，曲凱倫，劉凱，金文濤

中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031

“十三五”發展以來，國家大力倡導發展軌道交通，構建綜合、綠色、安全、智能的立體化世界一流現代化城市交通系統。截至2020 年7 月底，全國鐵路營業里程達到14.14 萬km，其中高鐵3.6 萬km；2020 年，全國鐵路已投產新線1 310 km，其中高鐵733 km。為了降低車輛自重，減小運動阻力，提升車輛運營經濟性，對車輛輕量化設計有著較高要求[1]。車體設計目前主要分為不銹鋼蒙皮骨架結構和鋁合金型材結構2 種方案，其中鋁合金型材在降重、節能和經濟性上都擁有較大優勢[2]。目前鋁合金型材供應商基本上實現了國產[3]。車體在加工過程中先后經歷胚料預熱、擠壓、焊接或機加工等環節[4-5]，在這之中最大的風險就是型材出現裂紋，輕則造成型材報廢，重則造成重大安全事故，因此需要對裂紋的產生原因進行分析。隨著計算機技術的發展，利用仿真手段去進行原因判斷成為一種新方向，并取得了一定的成果[6-8]。

1 案例描述

某地鐵項目車體采用鋁合金型材結構，在生產的過程中需要提前對底架邊梁進行機加工，然后再進行焊接。加工工況圖如圖1 所示。

加工后在邊梁根部出現裂紋，對發生裂紋的型材進行切割和處理，型材加工裂紋圖如圖2 所示。對裂紋進行電鏡掃描，可見明顯的疲勞斷裂裂紋拓展形貌(圖3)。由于裂紋出現在加工過程中，采用仿真的方法排查裂紋出現原因更為合理和有效。

圖1 加工工況

圖2 型材加工裂紋

圖3 疲勞斷裂裂紋拓展形貌

2 模型簡化

由于型材結構比較復雜，選取關鍵部位進行建模，在相應邊界施加等效約束。如圖4 和圖5 所示。

圖4 型材三維圖

圖5 加工位置簡化圖

分別對型材和刀具進行網格劃分。其中型材采用C3D8R 單元，共劃分29 650 個單元。刀具采取剛體單元。根據加工現場和預計的優化方案分別定義立銑(圖6)和臥銑(圖7)2 種工作場景。對每種工作場景以加工深度作為變量定義不同的工況。其中立銑加工深度和臥銑加工深度設置示意圖如圖8 和圖9 所示。具體參數定義如下：對立銑定義3 種不同的加工深度分別為5、10、15 mm，對臥銑定義2 種加工深度分別為5、10 mm。這樣總計5 種加工工況，詳見表1。

圖6 立銑

圖7 臥銑

圖8 立銑深度示意

圖9 臥銑深度示意

表1 工況統計表

型材的約束條件如圖5 所示，銑刀的旋轉速度為10 000 r/min，前進速度選取2 000 mm/min。

3 定義材料本構

刀具材料為硬質合金鋼，定義為剛體。型材鋁合金為6005A，采用Johnson-cook 本構，以模擬材料在高應變速率下的應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應，其本構方程為

式中：σep為等效應力，A為準靜態條件下的屈服強度； εp為等效塑性應變； ε˙0為材料的參考應變率； ε˙p為等效塑性應變率；B為材料應變強度參數；n為硬化指數；c為應變率強化參數；T0為常溫系數，通常取25 ℃；Tmelt為材料熔點；m為熱軟化參數。

工件材料的Johnson-Cook 本構模型參數設置見表2。

表2 工件材料的Johnson-Cook 本構模型參數

材料的失效準則選用Johnson-Cook 剪切失效準則，失效參數ω的定義為

工件Johnson-Cook 剪切失效參數見表3。

表3 工件材料的Johnson-Cook 剪切失效模型參數

4 結果分析

取表1 中5 種工況分別進行仿真計算，得到的應力云圖如圖10 和圖11 所示。

圖10 立銑深度應力云圖

圖11 臥銑深度應力云圖

由圖10 和圖11 可以直觀地看出，除了切削區域外，最大的應力出現在立筋根部。當采取立銑深度為5 mm 時，此處發生開裂現象，其他方法并未開裂。

為了避讓圖10(a)中的開裂區域，選擇圖12中的一排節點定義路徑，提取應力，節點應力值曲線如圖13 所示。

圖12 應力取點及節點編號

圖13 5 種工況下各節點的應力值

由圖13 可以看出，最大應力值集中在第6～8 個節點上。對照圖12，此處為立筋的根部，亦驗證了裂紋的出現位置。由于圖13 并不能體現在加工過程中的應力變化，所以提取其中的第7 個節點，輸出在加工過程中的應力變化曲線，如圖14 所示。

圖14 5 種工況下第7 節點的應力變化曲線

對圖14 進行分析，可以得到以下內容：

1)應力值出現高頻震蕩。這個震蕩會對零部件的疲勞強度造成非常大的影響。

2)對各個工況進行應力值排序，從高到低大致為li_5 mm、li_15 mm、li_10 mm、heng_10 mm、heng_5 mm。可以看出立銑的應力大幅大于橫銑(即臥銑)的應力。

3)對立銑的應力分析，可以看到深度與應力值并不存在絕對的線性相關。應力最大值時候的深度最淺(5 mm)，但應力最小值時候并非深度最深(15 mm)，而是10 mm 的深度時應力值最小。

5 結論

1)由于在銑削過程銑頭的高頻轉動，零部件在加工的時候會存在應力高頻振蕩現象。在T 型結構的立筋加工中，應力最大值出現在立筋的根部(近平板處)，會在此處產生疲勞裂紋。

2)立銑和臥銑2 種加工方式中，立銑對立筋造成的應力值要大于臥銑。所以應盡量避免此種工藝，如有必要，需要對立筋采取額外夾持。

3)立銑的加工深度對立筋根部的應力有較大影響。由于深度影響了立筋的剛度，又由于切削量的不同影響了切削力的大小，所以切削深度和立筋根部的應力值不是簡單的線性關系，實際加工過程中如果確有必要采取此種加工工藝，需要合理定義切削深度。

綜合以上分析可知，采用有限元的方法進行機加工仿真分析進而判斷失效原因，在解決實際工程問題中擁有重要意義。