鋁合金動車組司機室外板柔性切割技術研究

黨鍵 鄒洪偉

1.概述

鋁合金動車司機室外板是由高強度鋁合金板料成形的三維曲面外板零件，然后通過裁邊、焊接而構成的統(tǒng)一整體。外板成形方式主要有漲拉成形、模具成形和手工成形等三種。裁邊作業(yè)是目前外板鋪裝的主要工序之一，需要將成形外板在現車制作中研割成合適的尺寸，去掉多余的工藝邊，整個作業(yè)時間占外板鋪裝時間的25%～35%。

為了提高司機室外板鋪裝效率和質量，有必要對外板零件自動化切割進行研究。激光切割具有切縫窄（0.1～0.3mm）、工件熱變形小、工件無機械應力及表面損傷等優(yōu)點，本文對通過柔性漲拉設備成形的司機室外板進行三維激光切割技術研究，以期提高司機室外板切割精度，降低外板鋪裝時間，提升司機室外板裝配的質量。

2.三維激光切割技術

（1）三維激光切割工裝改進 三維激光切割技術之前未應用于鋁合金高速動車組司機室外板，無曲面切割專用工裝，現根據漲拉成形的外板結構制作了柔性工裝對外板曲面進行支撐。如圖1所示，司機室外板多點柔性切割工裝使用33套高度可數控調整的釘柱，在CAM專用軟件的控制下，根據被支撐零件的不同而自動選擇釘柱的使用數量及高度，支撐成形后的司機室外板工件，用于對工件的激光切邊操作，做到一機多用，同時實現數字化。

MpSupport軟件可以輸入多點漲拉成形系統(tǒng)的CAD模型數據、多點模輸出數據，也可以讀取常用的STL格式文件。通過軟件手動或自動控制設備上釘柱的使用數量及高度，從而用于支撐不同形狀的成形后外板工件，用于對工件的激光切邊操作。

（2）定位方式改進 多點柔性工裝（見圖2）可以方便調整出與外板曲面形狀相同的支撐型面，既用于定位又用于保形，其空間定位方法可以采用 N-2-1方法（N≥3），如圖3所示。

圖3中的●表示主定位面的N個定位點，用于限制z向移動和x、y向旋轉三個自由度，調整N個定位點的高度可擬合不同的外板曲面形狀，實現外板零件的定型；表示次定位面的兩個定位點，用于約束零件的長邊，限制y向的移動和z向旋轉兩個自由度；◆表示第三基準面的定位點，限制x向的自由度。

圖1 柔性切割工裝機械結構

圖2 制造完成的柔性工裝照片

成形后的外板零件在工裝上的定位屬于二次定位，如果定位時零件在工裝的位置出現較大的偏移或偏轉都會使零件產生強迫變形，這不僅給薄板零件帶來不必要的內應力，而且會影響到零件形狀的準確性，將定位點放置的距離差值越大，則偏轉誤差越小。圖3中實線表示零件準確定位時的位置，虛線表示零件定位位置出現偏轉時的情況。兩個定位點A和B之間的距離為d，定位邊的長度為L，δ表示定位時在B定位點的最大位置偏差，則曲面的最大偏轉誤差角ε為：ε=tan-1（δ/d）≈δ/d（δ/d≤1）。由式中可見，當δ為定值的時候，d的取值越大，則偏轉誤差角越小，當d=L時，偏轉誤差角為最小值：ε=tan-1（δ/L）≈δ/L，在零件實際定位過程中，N的取值需要綜合考慮鋁合金外板零件的質量、強度、變形量等因素。

圖3 偏轉誤差分析

（3）編程方式確認 對于已經空間定位的三維曲面零件，而且柔性工裝的坐標系與Prima激光切割機坐標系之間的關系確定，激光切割的路徑即為零件的邊緣線，為一個連續(xù)的空間閉合曲線。但在實際切割路徑中需要考慮邊緣支撐釘柱以及定位器的規(guī)避。以保證外板切割尺寸的準確和快速。

具體編程方法如下：

步驟1：多點模具CAD軟件將含有切割位置信息和定位信息的外板數模導出至三維數據。

步驟2：將上述三維數據按照Z軸方向投影成二維CAD數據，并用直線段連接替換投影樣條曲線，設計定位孔凸耳，如圖4所示。

步驟3：為了激光切割時避開定位器，將CAD中的一個封閉輪廓更改為兩個封閉輪廓，如圖5所示。

步驟4：將更改后的兩個封閉輪廓倒入BYBASE二維編程軟件中，驗證輪廓的封閉性。

圖4 二維CAD數據

步驟5：將通過驗證的輪廓倒入三維SiCam編程軟件中進行編程并導出，如圖6所示。

3.三維激光切割誤差分析及預防

激光切割誤差主要受到切割方式、激光參數以及運動路徑規(guī)劃等方面的影響。

（1）切割方式誤差 Prima激光切割機為5軸激光切割機，但由于設備軟件陳舊，其5軸編程功能應用十分困難和繁瑣。在司機室外板柔性切割試驗中，使用二維切割。由于外板零件具有空間三維形狀，而且板厚為4mm，因此該切割方式引起切割誤差。假設切割為凸切（見圖7），激光垂直于Z軸并向下。

如圖7所示，假設曲面中性層上P點的主曲率為k1、k2，其中最小曲率為k1，則通過該點P并且沿最小曲率方向k1做垂直面，在該垂直平面內將零件曲面在該點的形狀用圓代替。

圖5

圖6

在激光切割編程中假設以零件中性層為投影基準線，由于板材有一定弧度，并且激光垂直Z軸，在零件上表面出現邊緣偏移量L（由弦長近似代替弧長）。假設板厚為t，零件1/2度為m，由P點曲率k1，求得近似圓半徑r=1/k1，則有：tanα=2L/t，sinα=mk1，假設最小曲率為1/1500，板厚為4mm，板材1/2寬度為750mm，則求得零件上表面偏移量為1.15mm，記為Eroute。

（2）參數引起的誤差 激光參數的設置包括切割速度、離焦量、光斑大小、輔助氣體壓力、激光輸出功率、激光入射角等，它直接影響到切縫寬度和粗糙度，以及切割過程中的熱變形。對于相同材質、相同厚度的鋁合金板料，通過試驗可以優(yōu)化得到一套相同的激光切割參數，從而將其對切割精度的影響認為是一個固定值，進行補償后可以忽略對切割精度的影響。

（3）運動路徑規(guī)劃引起的誤差 運動路徑規(guī)劃包括初始穿刺點選擇和合理的運動軌跡選擇兩個方面。激光切割初始穿刺點主要影響切割斷口的粗糙度，在對表面切割斷口沒有粗糙度要求時，可以讓軟件自動產生穿刺點，但當設計對所要加工的零件切割斷面有較高粗糙度要求時，通常需要在編激光切割程序時對激光束的啟始位置做手動調整，把穿刺點移到需要的合理位置。司機室外板切割試驗中穿刺點設置在零件有用區(qū)域之外，因此避免了該誤差的產生。

圖7 凸切邊緣示意

合理布置切割運動軌跡，可以減小應力釋放帶來的變形和熱變形翹曲對零件切割成形精度的影響。在激光切割中，按照先內后外、先小后大、先圓后方、先繁后簡，先內后外的原則，使切割產生的熱量有規(guī)律地從里向外傳遞散發(fā)。另外，對于較長的異型件可以采用“過橋”切割法，在切割過程中人為預留幾段10～30mm的“橋”，這樣在切割時由于工件和母體一直相連，使工件變形程度降低，工件冷卻后再切割掉“過橋”。因此切光切割運動軌跡對零件最終切割精度的影響也可以忽略不計。

（4）綜合誤差分析 對于司機室外板零件的激光切割誤差，綜合考慮零件成形誤差、殘余應力引起的回彈變形誤差、零件定位誤差以及激光切割誤差，應用均方根公式求取綜合誤差，最終求得，Etotal=2.42mm。

4.改進后外板鋪裝試驗

試驗前蒙皮作業(yè)主要可分割為外板粗切割、現車研配劃線、外板精切割、清除氧化層和外板鋪裝（見圖8）等內容。激光切割后，試驗件蒙皮作業(yè)可分割為現車研配劃線、外板單邊研割、清除氧化層和外板鋪裝，對比如附表所示。

5.結語

應用柔性切割技術生產的高速動車組司機室外板零件，其輪廓尺寸與理論值具有很好的一致性，最大誤差＜0.5%；切割后零件由于成形誤差、殘余應力釋放引起的回彈誤差、零件定位誤差以及切割方式引起的綜合誤差＜2.5mm；實際零件與司機室木模貼合間隙＜2mm；經過鋪裝試驗，漲拉件柔性切割后由兩次、全邊研割優(yōu)化為單邊研割，漲拉件蒙皮時間降低約34%，漲拉件蒙皮作業(yè)人員減少1～2人。項目結果達到預期的要求。

圖8 三維激光切割試驗件鋪裝

柔性切割前后漲拉件蒙皮時間對比