350km高速動(dòng)車組工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)的探討

王永強(qiáng)， 趙曉鵬， 李寶旺

（北車唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北 唐山063035）

0 引言

350 km高速動(dòng)車組屬于結(jié)構(gòu)尺寸大、制造精度要求高的高端產(chǎn)品。為了保證產(chǎn)品制造的準(zhǔn)確度，在350 km高速動(dòng)車組制造中采用了大量的工藝裝備。如果按以前公司原有的工裝研制模式，在工裝的設(shè)計(jì)、制造上必將占用大量的人力和財(cái)力，這樣不僅造成產(chǎn)品的制造成本增加，而且還會(huì)嚴(yán)重影響新產(chǎn)品研制周期。隨著西門子公司先進(jìn)制造技術(shù)的引進(jìn)，公司在工裝設(shè)計(jì)制造方面的觀念也實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)的消化吸收被視為此次制造技術(shù)消化吸收成敗的主要因素之一。

1350 km高速動(dòng)車組的工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變

1.1 工裝設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)

350 km動(dòng)車組引進(jìn)以前，公司的工裝設(shè)計(jì)基本停留在簡(jiǎn)單的二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)上。隨著350 km高速動(dòng)車組制造技術(shù)的消化吸收，公司在工裝設(shè)計(jì)上已基本實(shí)現(xiàn)了工裝三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了工裝設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)均從產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型上直接提取，從而提高了工裝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率；同時(shí)利用三維軟件的參數(shù)化功能，使工裝以原始數(shù)據(jù)模型建立參數(shù)關(guān)系，當(dāng)原始產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型局部數(shù)據(jù)更改時(shí)，只需更新一些工裝設(shè)計(jì)，便完成了工裝設(shè)計(jì)的更改，大大提高了工裝的設(shè)計(jì)效率。例如在司機(jī)室總成工裝（如圖1所示）的設(shè)計(jì)上，工裝的側(cè)面弧度定位板弧度與司機(jī)室外形數(shù)據(jù)完全相同，并建立了相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系。當(dāng)司機(jī)室外形發(fā)生變化時(shí)只需要更新已經(jīng)設(shè)計(jì)好的工裝，工裝上的左右12塊弧度定位板就會(huì)發(fā)生相應(yīng)更改，大大提高了工裝的設(shè)計(jì)效率。

圖1 司機(jī)室總成工裝設(shè)計(jì)

圖2 車頂組焊工裝設(shè)計(jì)

1.2 工裝結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)

我國過去的機(jī)車車輛工裝主要沿襲了前蘇聯(lián)的工裝結(jié)構(gòu)，與西方的先進(jìn)機(jī)車車輛企業(yè)相比，我們的工裝具有體積大、整體重量重、制造周期長(zhǎng)、零件的互換性差等缺點(diǎn)［1］。隨著350 km高速動(dòng)車組技術(shù)的消化吸收，現(xiàn)在在工裝設(shè)計(jì)時(shí)工裝的結(jié)構(gòu)變化也非常明顯。例如公司原有車頂組焊夾具，由2個(gè)25 m長(zhǎng)鑄鐵平臺(tái)組成，體積非常龐大，工裝調(diào)整也非常困難。現(xiàn)在的350 km車頂組焊工裝（如圖2所示）的設(shè)計(jì)上，采用了SIEMENS公司在工裝設(shè)計(jì)上的模塊化的結(jié)構(gòu)。整個(gè)工裝由10組模塊化定位機(jī)構(gòu)、10組模塊化壓緊機(jī)構(gòu)與2個(gè)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)座組成。10組模塊化定位機(jī)構(gòu)與10組壓緊機(jī)構(gòu)的模塊固定在簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)座上。整個(gè)工裝的重量大約12t，比公司原有車頂組焊工裝減輕了約1/3的重量，由于定位和壓緊模塊化部分重量較輕，所以每個(gè)模塊化部分都可以在基礎(chǔ)座上實(shí)現(xiàn)自由調(diào)整。

把整個(gè)工裝分若干模塊后，由于每個(gè)模塊體積都相對(duì)較小，這樣在工裝的制造時(shí)，每個(gè)模塊的加工都可以用常見的小型機(jī)床來完成，從而大大降低了整個(gè)工裝的制造難度和制造成本。由于工裝中每個(gè)模塊安裝面都經(jīng)過機(jī)床加工，所以在加大了工裝互換性的同時(shí)還使整個(gè)工裝精度也大大提高。

1.3 工裝通用化設(shè)計(jì)上的改進(jìn)

圖3 組焊工裝模塊組成

我公司以前所設(shè)計(jì)的工裝大多與制造工件一一對(duì)應(yīng)，這樣不僅增大了產(chǎn)品的研制成本，而且還會(huì)使工裝的制造周期大大加長(zhǎng)，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品制造周期。隨著350 km高速動(dòng)車組制造技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收，現(xiàn)在在工裝設(shè)計(jì)時(shí)工裝的通用化觀念也逐漸加強(qiáng)。例如350 km高速動(dòng)車組側(cè)墻組焊夾具就是一個(gè)典型的通用化工裝。此工裝可以完成3種不同形狀側(cè)墻正反2個(gè)工位的焊接工作，相當(dāng)于以前的6種不同類型的組焊工裝。該工裝由16個(gè)定位卡緊模塊組成（如圖3所示），其模塊化的部分可以方便地完成側(cè)墻的定位、卡緊等工作。在定位卡緊模塊中核心部件為可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)的圓輥（如圖4所示），該圓輥周圈縫隙處可以安裝6組形狀各異的定位機(jī)構(gòu)。使用過程中可電氣自動(dòng)控制圓輥的旋轉(zhuǎn)，以保證每組模塊化中的圓輥轉(zhuǎn)角的一致性。當(dāng)圓輥每旋轉(zhuǎn)60°時(shí)，16組定位卡緊模塊中的圓輥安裝的定位機(jī)構(gòu)就組成了一種整套工裝的定位機(jī)構(gòu)。從而使整個(gè)工裝具有了通用性。

圖4 定位卡緊模塊上核心部件

2 公司未來工裝設(shè)計(jì)制造的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 實(shí)現(xiàn)工裝的“并行工程”研制模式

目前我公司在工裝的研制上一直保留傳統(tǒng)的“串行工程”模式，即各部門按順序完成各自的專業(yè)工作，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造需要很長(zhǎng)的準(zhǔn)備周期，其中工裝的設(shè)計(jì)和制造用時(shí)最長(zhǎng)［2］。

國外的EADS公司，在350 km高速動(dòng)車組司機(jī)室操作臺(tái)項(xiàng)目的工裝設(shè)計(jì)上引用“并行工程”模式，大大縮短了操縱臺(tái)的制造周期。所謂“并行工程”模式，就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工裝設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。使用“并行工程”模式設(shè)計(jì)工裝時(shí)，把工裝分為獨(dú)立于產(chǎn)品數(shù)據(jù)或只需要基本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和依賴于最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的專用結(jié)構(gòu)件兩部分。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)的獨(dú)立于產(chǎn)品數(shù)據(jù)或只需要基本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可以和產(chǎn)品一起并行設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@一部分和最終產(chǎn)品沒有聯(lián)系，或者只需知道產(chǎn)品總體尺寸即可完成設(shè)計(jì)；而尺寸較小、制造周期短的、依賴于最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)的專用結(jié)構(gòu)件，需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終完成才能夠確定。從而在工裝的研制中采用“并行工程”模式將大大縮減了產(chǎn)品的制造周期。

2.2 工裝的完全數(shù)字化

所謂工裝的完全數(shù)字化包括數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化檢測(cè)。工裝的數(shù)字化設(shè)計(jì)是指在三維數(shù)字化的環(huán)境下，進(jìn)行工裝結(jié)構(gòu)體的零件設(shè)計(jì)和數(shù)字化裝配；工裝數(shù)字化制造是指應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)的工裝模型，采用數(shù)字化的加工設(shè)備，對(duì)工裝的關(guān)鍵特征面等進(jìn)行加工；工裝數(shù)字化檢測(cè)是指采用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的工裝進(jìn)行檢測(cè)［3］。

雖然目前我公司在工裝設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了最基本的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，但是距離真正實(shí)現(xiàn)工裝的完全數(shù)字化還有很長(zhǎng)一段距離。工裝完全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)將對(duì)控制產(chǎn)品的制造精度提供有利保證。

3 結(jié)語

本文主要介紹了350 km高速動(dòng)車組制造技術(shù)中的在工裝設(shè)計(jì)制造上模式的轉(zhuǎn)變和典型應(yīng)用實(shí)例。隨著工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)一步消化吸收和創(chuàng)新，公司在新產(chǎn)品研制方面將大大減少制造周期和制造成本，從而將大大提高公司產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 張曙光.高速列車設(shè)計(jì)方法研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［2］ 張曙光.CRH5型動(dòng)車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［3］ 王彥喜，閔俊，劉剛.激光跟蹤儀在飛機(jī)型架裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2010（19）：92-94，97.