400KL高铁车头客舱3D造型及其工装设计

王永红，石雷，郭力，杜琰花

（西安嘉业航空科技有限公司，陈西西安，710000）

摘要：本文主要阐述400公里高铁车头客舱各零件、部件3D造型设计方法，零件、部件成形工装（模具、夹具、型架）设计原理并简要介绍工装制造工艺。

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关键词 ：3D造型,工装设计

400KL High-speed Rail front cabin 3D molding

and tooling design

Wang Yonghong, Shi Lei, Guo Li, Du Yanhua

(Xi´an Ka Aviation Technology Co. Ltd., Xi´an Shaaxi, 710000)

Abstract: This paper mainly discusses 400 kilometers High-speed Rail front cabin parts, parts of the 3D designmethod, forming tooling parts, components (mould, fixture, jig) assembly manufacturing process design principleand introduces the work.

Key words: 3D molding, tooling design

1 前言

机车车辆的技术跨越是实现中国铁路技术装备现代化的关键和主要环节。近年来，面对中长期铁路网规划的推动以及良好的外部技术与经济环境，特别是客运高速列车车速一再提高的需求。以此为背景，我厂凭借前期300公里列车设计制造的经验、长期进行3D设计制造技术的研究和实践，并借助航空零部件制造技术和激光装配技术，着手研究设计及其制造400公里动车车头客舱及成形装配所需的工艺技术装备（模具、夹具、型架），本文就是对这一研究成果的简要技术总结。

2 客舱3D造型设计

2.1 3D造型依据

车头客舱3D造型设计，是通过研究车头功能、结构、材料、工艺和经济等多种条件的制约下，设计出功能与美感相结合、人-机-环境相协调及技术与艺术相统一的实体，各项技术指标及创新技术达到世界先进水平…

2.2 客舱壳体3D造型

客舱壳体由蒙皮（整体壁板）和框架（型材骨架）两部分组成。由于蒙皮表面积较大，蒙皮必须分块成形。分块的原则即确定分块的界面，是根据壁板型材的毛坯尺寸、成形设备的加工范围、产品型面的曲率半径等要求进行分块的，其中壁板39块，骨架型材210件构成客舱壳体。如图1：

2.3 整体壁板（外蒙皮）造型设计

参照300公里车头壁板（蒙皮）成形截面，及毛坯材料供应状况，壁板造型如图2所示，该壁板的特点是：型面带“T”形筋保证了壁板受力后的强度和刚性，但这种筋给成型带来极大的难度。

2.4 前视窗及其框条3D造型设计

视窗设计必须满足司机以坐姿坐在座椅上和站立操作时通过前窗的瞭望，应符合相关标准文件规定。即司机以坐姿坐定在座椅上，瞭望前方时，至少在水平视线左、右各35°范围内，前窗结构应对视觉不产生干扰。司机坐在座椅上，在最佳视角范围内，透过侧窗几何中心进行瞭望时，司机头部转动的角度不得超过60°。雨刷对前窗的刮扫面积，应能确保对前方的瞭望条件，造型设计如图3所示。

2.5 操纵台3D造型

按照主要组成材质及功能的不同，将司机台及司机室柜机械分为：司机操纵台机械框架、右侧司机柜机械框架、左侧司机柜机械框架、脚踏机械框架、司机室面板五部分。

司机操纵台机械框架是用来安装驾驶列车所需要的各种设备件，包信息显示屏、通讯电话、牵引制动手柄、速度手柄等，如图4所示。

司机操纵台机械框架由铝型材通过铆钉或螺钉连接成整体结构，与电气设备件组合装完毕后，安装在四个水平布置和两个垂直布置的减震器上，再经由铸铝底座与车体的前墙焊接结构栓接。

2.6 座椅的造型设计

设计座椅参考点如图5所示，以踵点（HP点）为人体布置基准，分别将第5和95百分位的人体摆放在司机室内上，使人体的躯干和上下肢处于最佳的活动范围和角度关系。依据布置好的人体位置和人体尺寸，确定出第5和95百分位人所在位置的座椅参考点，即SRP-Low，SRP-High，该点为坐姿作业设计参考点。坐姿作业设计参考点为后继的司机眼点确定提供基准。

3 工艺装备（模具、夹具、装配型架）3D设计及制造

3.1 三维拉弯模设计

拉弯模设计是根据框架型材的截面形状、使用要求及拉弯机性能要求来设计，如图6a)所示。根据车头舱体总体需求，共设计104套拉弯模及相应的拉弯夹头。

3.2 壁板（蒙皮）拉伸模具设计

由于壁板是三维造型双向拉伸变形，而且具有“T”型筋（见图2），成形难度很大。为此经多次对产品进行试验试制、设计调整，终于解决了双向拉伸的难题。其拉伸模内部框架结构如图6b）所示。

3.3 前视窗沿条成形、检验夹具设计

前视窗沿条由于是双向弯曲面，其成形难度较大，为此在设计时将成形校正与检验制成一体结构，如图7所示。

2.4 装配型架的3D造型设计

由于车头客舱骨架较大（12m×3.19m)，骨架安装型架设计难度增加，为保证210根拉弯型材相对安装精度以及骨架受热变形对骨架精度的影响，为此我公司借助飞机的激光安装技术，设计了车头客舱的安装型架，如图8所示，经过试验试制，完全保证了安装精度。

2.5 工艺装备制造

该车头项目中制造了上百套工装,如拉伸成型模、拉弯模、检验模、焊接夹具、装配型架及一些小型安装夹具，其中各部位的焊接工装10套，主要检测工装3套。焊接工装大体流程如下：

下料→底框焊接→小组件机械加工→整体组焊→焖火→吹砂→底漆→整体数控加工→测量机检测压紧件装配→表面修饰→整体交检

在工装制造和装配中，我们主要依靠五轴数控机床加工制造，装配过程中采用了飞机安装中所采用的激光安装仪、经纬仪和水平仪等高精设备，严格控制了空间交点坐标及定位精度，后经五坐标测量机检测、调整和修正，制造出合格的安装型架及各类成形模具及夹具。

4 社会经济效益

高铁，是中国战略性新兴产业之一，而更高速列车则是中国创新能力的又一标志性作品。

新一代的高速动车组研制成功是中国高速铁路发展进程中的里程碑事件，不仅建立了具有中国特色的、完全拥有自主知识产权的高速列车技术标准和规范，而且已形成满足我国高速铁路技术和产业可持续发展的研发、设计和制造体系。

车头客舱在研制初始阶段，通过对比分析，研发人员设计了20种列车头型，综合分析技术性、文化性和工程可实施性，初选了10种头型基本方案。通过三维流场数值仿真分析和多目标优化，确定了5种备选头型，共进行了17项75次仿真计算。对备选方案制作1：8模型，分别进行了19个角度、8种风速的风洞气动力学实验和3种风速、4种编组的风洞噪声试验，对优选出的方案进行了样车试制，完成了22项试验验证，确定了新一代高速列车的头型方案。试验表明，新头型在气动阻力、气动噪声、列车尾车升力、侧向力，综合气动性能等方面达到世界领先水平。

400公里高速列车车头客舱的设计，3D技术的运用，不但大大加速研制的进度、降低研制成本，而且为后期客舱的各种风力试验、破坏试验、客舱内部布局的改进及外形数据的修改等提供可靠的技术支持，3D技术的运用，获得宝贵的技术经验，也为我厂其他项目，如雷达天线的制造等提供宝贵的借鉴。