高速動(dòng)車組鋁結(jié)構(gòu)側(cè)墻加工工藝研究

鮑洪陽 朱藝海 殷金龍

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長春//高級工程師)

高速動(dòng)車組的車體鋁結(jié)構(gòu)采用鋁合金型材組對焊接而成，鋁結(jié)構(gòu)大部件包含底架、側(cè)墻及車頂?shù)?。其中，?cè)墻位于車廂兩側(cè)，是車體的核心部件之一。根據(jù)整車撓度的技術(shù)要求，需在側(cè)墻組焊時(shí)預(yù)制撓度，焊接合成后再加工窗口、門口等關(guān)鍵裝配部件。帶預(yù)制撓度側(cè)墻(見圖1)的加工工藝是動(dòng)車組鋁結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)，其加工工時(shí)在整個(gè)大部件加工總工時(shí)中的占比超過30%;且用于側(cè)墻加工的引進(jìn)設(shè)備昂貴，僅單臺機(jī)床的價(jià)格就需約2 000萬元人民幣。因此，開發(fā)一套既能準(zhǔn)確補(bǔ)償撓度變化，又能快速有效完成加工過程的側(cè)墻的加工工藝是全面提升鋁結(jié)構(gòu)大部件加工能力的關(guān)鍵。

圖1 帶預(yù)制撓度側(cè)墻示意圖

大幅提高加工效率意味著設(shè)備和場地投入的相對減少，同時(shí)用于設(shè)備操作與維護(hù)的人力資源及物資投入都將減少，從而將從根本上實(shí)現(xiàn)制造成本的降低。

1 高速動(dòng)車組側(cè)墻加工夾具的設(shè)計(jì)

1.1 夾具的定位與夾緊設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)如圖2所示。側(cè)墻加工時(shí)大切削量集中于門口和窗口，其加工量通常是邊梁類零件的3倍；且窗口之間的加工位置較近，如果在零件上方設(shè)壓緊位置，則不利于加工時(shí)機(jī)床主軸的避讓，機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)易發(fā)生干涉，所以采用上表面不設(shè)夾緊的方式進(jìn)行裝夾。其中，夾緊方式通過靠近地板一側(cè)設(shè)定位塊、靠近車頂一側(cè)設(shè)雙銷定位螺桿的方式實(shí)現(xiàn)，并利用夾緊力的向下分力鎖定零件。

圖2 夾具設(shè)計(jì)示意圖

1.2 夾具的模塊化設(shè)計(jì)

夾具的模塊化設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中，將定位模塊、支撐模塊及壓緊模塊獨(dú)立。該設(shè)計(jì)在項(xiàng)目及產(chǎn)能變更時(shí)可體現(xiàn)巨大的成本優(yōu)勢。

圖3 夾具的模塊化設(shè)計(jì)

1) 支撐梁。支撐梁下部與移動(dòng)橫梁通過T型螺栓連接，上設(shè)一排銷連接孔。

2) 定位模塊。通過調(diào)整定位模塊的厚度，可柔性地解決側(cè)墻加工時(shí)需要帶預(yù)制撓度的問題。

3) 支撐模塊。支撐模塊可設(shè)計(jì)成與工件隨型的樣式，使支撐效果更好。通過雙銷定位的方式與支撐梁進(jìn)行連接，可快速實(shí)現(xiàn)互換與配合。

4) 壓緊模塊。采用螺旋壓緊方式，利用向下和向右的分力實(shí)現(xiàn)對工件的固定。

1.3 夾具的撓度設(shè)計(jì)

圖3中，根據(jù)撓度值及支撐梁的間距確定定位模塊2的厚度。定位模塊的厚度可按照以下步驟確定：

1) 在AUTOCAD軟件中繪制一條與車長等長度的水平線段；

2) 在已繪制線段中點(diǎn)處的垂直方向畫一條高度為已知撓度的線段；

3) 根據(jù)三點(diǎn)圓的方式繪制一段圓??；

4) 根據(jù)支撐橫梁分布的位置等分步驟1)中的線段；

5) 繪制等分點(diǎn)到步驟3)中圓弧的豎直線段；

6) 測量步驟5)中所繪制線段的長度，該長度即為定位模塊間的相對厚度差，由此可得到所有不同定位模塊的厚度。

2 側(cè)墻預(yù)制撓度加工工藝設(shè)計(jì)

2.1 撓度測量計(jì)算

窗口撓度補(bǔ)償如圖4所示。側(cè)墻的撓度無法在設(shè)計(jì)圖紙中體現(xiàn)，因此需要在機(jī)械加工工藝程序中利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算側(cè)墻上任意一點(diǎn)的撓度補(bǔ)償值。鑒于車體制造過程中允許撓度存在偏差，因此程序開發(fā)的關(guān)鍵是將理論補(bǔ)償與實(shí)際探測相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)窗口的精確加工。每個(gè)窗口沿Y向設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，分別記為A(Xa，Ya)、B(Xb，Yb)、C(Xc，Yc)，則窗口中心的實(shí)際坐標(biāo)為(Xb，Yb-D/2)，窗口旋轉(zhuǎn)角度α為arctan((Ya-Yc)/L)。

圖4 窗口撓度補(bǔ)償示意圖

2.2 窗口深度測量計(jì)算

窗口區(qū)域由3塊型材組焊，中間兩道焊縫為主要變形區(qū)域。窗口深度測點(diǎn)共8個(gè)，基中，位于窗口兩側(cè)的測點(diǎn)各3個(gè)，位于窗口中間，如圖5所示為2個(gè)。

圖5 窗口深度補(bǔ)償示意圖

采用測量補(bǔ)償工藝檢測窗口變形誤差,分別將窗口的長度、寬度及中心定位尺寸參數(shù)化；根據(jù)已建立的空間坐標(biāo)系，利用機(jī)床本身的三坐標(biāo)測量功能，設(shè)置Z向8個(gè)測點(diǎn)、Y向3個(gè)測點(diǎn)。窗口加工時(shí)Z向測量值可作為深度補(bǔ)償值，利用Y向測量值結(jié)合由撓度模型算得的撓度理論值，獲得窗口的實(shí)際撓度和實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，將所有數(shù)據(jù)存入機(jī)床自定義的變量中，以供加工程序使用。

3 主要加工刀具

優(yōu)化側(cè)墻加工刀具，將刀具由φ32 mm增加到φ72 mm，將切入、切出方式由鉆銑改為坡銑，僅需一次進(jìn)刀，即可將側(cè)墻上的窗口加工到位，從而形成大刀開孔、小刀下料的窗口加工工藝。圖6為可轉(zhuǎn)位式立銑刀。

圖6 可轉(zhuǎn)位式立銑刀

1) 將底刃的柳葉式刀片改變?yōu)閳A片，由原來的2次轉(zhuǎn)位增加到6次轉(zhuǎn)位，提高刀片壽命。

2) 側(cè)刃刀片的排列結(jié)構(gòu)由階梯式改為直線式，解決了階梯連接處在加工時(shí)對型材擠壓所產(chǎn)生的表面加工波紋，提高表面加工質(zhì)量；直線式刀片排列方式更直接增大銑刀體的排屑槽，使加工所產(chǎn)生的鋁屑更容易排出，及時(shí)帶走切削熱。

3) 特殊的中空式銑刀體?？梢詢?chǔ)存坡銑時(shí)軸向所產(chǎn)生的鋁屑，避免軸向進(jìn)給時(shí)銑刀底部產(chǎn)生積屑瘤，從而克服了大直徑銑刀無法實(shí)現(xiàn)鉆銑的弱點(diǎn)。利用坡銑的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)銑刀在徑向上的螺旋進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)φ110 mm以上的方孔、圓孔的任意銑削，加工范圍更廣。

4 側(cè)墻加工工藝

側(cè)墻加工主要包括滑槽、門口、窗口、新風(fēng)口、定位孔、絲套孔等的加工，主要加工工藝及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 側(cè)墻加工主要步驟及工藝參數(shù)

5 窗口加工數(shù)控程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)窗口加工的主程序控制位置以及子程序控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的模塊化程序。主要流程如下：

1) 調(diào)用加工窗口銑刀，定義初始數(shù)據(jù)(如安全高度等)。

2) 建立零件坐標(biāo)系(以零件的x方向中心為x0，最左邊或最右邊的窗口橫向中心為y0，零件上表面為z0)。

3) 定義窗口形狀尺寸參數(shù)：長度a，寬度w，圓角r。

4) 將窗口編號n=1,2,3，…，n，輸入第1個(gè)待加工窗口的編號n=1，以及該窗口中心在x方向的位置。

5) 進(jìn)入窗口加工的子程序流程：①平移零件坐標(biāo)系至第n個(gè)窗口中心。②旋轉(zhuǎn)平移后的坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角度為α。③采用直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的方式加工該窗口，采用順銑的方式加工；機(jī)床運(yùn)動(dòng)采用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的方式，每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值都用a、w、MP(n，m)(m=1,2,3,…，6)來表示。

6) 輸入下一個(gè)待加工窗口的編號和該窗口中心在x方向的位置尺寸，調(diào)用子程序流程，依次編寫每一個(gè)窗口的編號和窗口中心在x方向的位置尺寸，即可完成加工程序的編寫。若個(gè)別窗口的形狀發(fā)生變化，可單獨(dú)對有變化的窗口重新定義a、w、r等。

窗口加工數(shù)據(jù)程序中的主程序同樣適用于測量程序，測量程序的子程序只需將所要測量的點(diǎn)分別用a、w表示，將測量和計(jì)算的結(jié)果分別用存儲(chǔ)在自變量地址MP(n,1)—MP(n,11)中。

6 側(cè)墻加工程序仿真驗(yàn)證

利用VERICUT數(shù)控加工仿真軟件，通過建立NC程序驗(yàn)證模塊、機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真模塊、切削刀具模塊、毛坯模塊、夾具模塊、加工坐標(biāo)系等建立加工仿真6要素，仿真?zhèn)葔Φ臄?shù)控加工過程。該程序可進(jìn)行NC程序優(yōu)化、縮短加工時(shí)間、查找過切和欠切，防止機(jī)床碰撞和超行程等錯(cuò)誤。建立的側(cè)墻加工三維仿真環(huán)境模型如圖7所示。加工程序零點(diǎn)為車體中心。

圖7 側(cè)墻加工三維仿真模型

圖8為門口與新風(fēng)口加工模型。門口長邊沿A軸豎直加工，切深方向采用Y、Z聯(lián)動(dòng)，門上方將A軸轉(zhuǎn)角與門口上沿平行，采用“3+2”定軸方式加工；新風(fēng)口沿刀具徑向加工，采用4～5刀將全部材料去除，先加工內(nèi)側(cè)深孔，再加工外側(cè)淺孔。整個(gè)型材切深方向只用兩次，可避免行腔內(nèi)立筋因切削受力而產(chǎn)生彎曲變形。

圖8 門口與新風(fēng)口刀路驗(yàn)證

圖9為窗口測量路徑仿真模型。沿圖9中Z向測量窗口深度，沿Y向測量窗口定位，同時(shí)計(jì)算窗口旋轉(zhuǎn)角度。

圖9 窗口測量路徑仿真模型

坡銑加工仿真模型如圖10所示。先加工窗口內(nèi)側(cè)淺孔，使用φ72 mm銑刀坡銑進(jìn)刀，坡銑長度350 mm，深度44.5 mm，進(jìn)給量為500 mm/min。采用順銑方式一次將窗口內(nèi)側(cè)尺寸全部加工到位，在XY平面上窗口旋轉(zhuǎn)角度 坐標(biāo)系中沿α角進(jìn)行補(bǔ)償，窗口深度沿Z向逐點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，三軸聯(lián)動(dòng)加工，側(cè)銑進(jìn)給量為2 500 mm/min。

圖10 坡銑加工仿真模型

窗口下料加工路徑仿真模型如圖11所示。使用φ32 mm銑刀鉆銑進(jìn)刀，沿φ72 mm刀路已加工的刀槽加工窗口外側(cè)，采用下料加工一次將窗口外側(cè)加工到位。

圖11 窗口下料加工路徑仿真模型

7 結(jié)語

夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使機(jī)床在工件表面上方自由運(yùn)動(dòng)無需避讓，機(jī)床空運(yùn)行時(shí)間減少40%；模塊化設(shè)計(jì)使多個(gè)動(dòng)車組平臺項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了混合共線生產(chǎn)，模塊共用率達(dá)到90%以上；理論撓度補(bǔ)償模型的建立實(shí)現(xiàn)了對窗口加工實(shí)際位置的預(yù)判，以及實(shí)現(xiàn)了側(cè)墻窗口的精準(zhǔn)加工；模塊化、參數(shù)化數(shù)控加工程序使編程更加簡易，當(dāng)窗口位置、大小發(fā)生工程變更時(shí)，只需更新個(gè)別參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)程序準(zhǔn)確快速升級；優(yōu)化窗口加工刀具使厚壁型材加工時(shí)進(jìn)刀量更大、效率更高、加工表面質(zhì)量更好；數(shù)控仿真驗(yàn)證了數(shù)控程序的正確性，能合理評估加工工藝、減少加工試切的成本、縮短產(chǎn)品的生成周期，并能提早發(fā)現(xiàn)機(jī)床的干涉情況，保證工件以及設(shè)備的安全。