軌道車輛鋁合金車體鉚接車底架鉆孔工藝研究

韓如冰，劉凱,熊文亮,張勃，付細群

(中車南京浦鎮車輛有限公司 技術工程部，江蘇 南京 211800)*

拉鉚釘最早應用于軌道車輛領域是在20世紀70年代，隨著焊接技術和材料科學的發展，鉚接的種類和工藝也日漸豐富和成熟.

鉚接主要分為冷鉚和熱鉚兩種方式.冷鉚是指鉚釘在常溫狀態下的鉚接，一般情況下，用鉚釘槍冷鉚時，鉚釘直徑一般需小于13 mm;手工冷鉚時，鉚釘直徑應小于8 mm，冷鉚工藝具有操作簡便、迅速，鉚釘填充緊密的優勢，但也存在釘頭在常溫狀態下會產生變形，出現冷作硬化的現象，嚴重時還會產生裂紋[1-4].熱鉚接是指將鉚釘加熱到一定溫度再進行鉚接的方法，當采用鉚釘機進行鉚接時鉚釘的加熱范圍在650～670℃之間，當采用鉚釘槍鉚接時，鉚釘的加熱溫度一般為1 000～1 100℃，熱鉚接與冷鉚接相比除了需要對鉚釘加熱外其余的操作過程與冷鉚基本相同，拉鉚釘是屬于冷鉚接的一種工藝方法，抽芯鉚釘由空心鉚釘和芯棒組成，拉鉚時用手工或壓縮空氣作為動力，通過專用工具，使被鉚接的工件鉚合[5-7].

軌道車輛中的車體一般分為焊接車和鉚接車車體，而鉚接車體一般采用拉鉚釘工藝進行不同部件之間的連接.由于鉚接的連接方式具有尺寸精度、平面度等更容易保證；無須打磨、對環境污染小；特別適合強振動場所與需要高可靠度、防松動的機械連接部位等優勢使其在軌道車輛、航空航天、重型設備等領域具有廣泛的應用[7-9].

鉚接孔的精度是影響鉚接工藝最核心的因素，鉚接孔精度的好壞將直接影響到鉚接件的強度、使用壽命以及其他缺陷的發生.本文主要針對鋁合金車體鉚接車底架鉆孔工藝中的常見問題進行分析，同時提出了一定的解決方案和優化建議.

1 加工工藝分析

1.1 加工方式

如圖1所示為鉚接車輛的車體結構，底架作為鉚接車的承載基體和核心部件，對車輛的總體性能至關重要.鉚接車底架不同于焊接車底架，對于焊接車底架，一般采用地板與底架邊梁分別加工的方式，而鉚接車底架采用的加工方式為整體加工，即先對地板和底架邊梁進行鉚接，完畢后送入機加工臺位進行鉚接孔的加工.

圖1 車體結構

1.2 工藝分析

根據底架結構可知，地板由5個小模塊拼接后通過焊接而成，再與底架邊梁進行鉚接.但根據工藝需要，地板在焊接過程中需要預置撓度(上撓)，撓度一般為8 mm，加之焊接過程中存在一定量的收縮變形，導致地板的平面度一定程度的降低.底架邊梁與地板通過上百個鉚釘連接，雖然拉鉚釘是利用專業設備進行拉鉚，但由于受位置精度、地板撓度、型材本身等多種因素的影響，使得底架在不同方向上存在內應力，進而導致底架的尺寸精度降低.

鉚接車底架尺寸精度對機加工的影響主要表現在以下4個方面，如圖2所示：①邊梁上表面的平面度降低，導致其上表面與內側面存在裝配關系的鉚接孔位置精度受到影響，影響較大時，直接導致相關部件如枕梁與車構箱無法正常安裝；②邊梁的直線度降低，對具有裝配關系的鉚接孔產生影響;③底架邊梁相對于地板內倒或外翻，導致內側面與水平面不垂直，影響鉚接孔的位置精度；④增加了機加工的落料和裝夾困難.原因在于機加工臺位的工裝精度很高，直線度或平面度誤差均在0.05 mm左右，由于底架落料空間上的變形，如開擋尺寸、邊梁直線度、上表面平面度以及地板撓度等，最終造成落料后不能很好地與工裝定位塊，支撐面貼合，增加了工裝夾具的壓緊，定位難度.通常情況下，利用工裝夾具對來料的壓緊、定位等并無特殊要求，如焊接車.對于鉚接車則不然，在壓緊或定位的過程中如果出現壓緊不均勻、定位不準確或接觸面有間隙等問題，均會造成鉚接孔的精度受到影響，一般情況下鉚接孔的精度要求為0.5 mm，因此增加了工裝的裝夾難度.

圖2 底架裝夾圖

裝夾完畢后，利用FOOKE機床進行加工，為了降低底架邊梁扭擰、甩頭、直線度、平面度、開擋等因素對加工精度的影響，采用探點補償的方式進行加工.具體方式為：首先調用自動探頭分別對邊梁的表面和內側面進行探點獲取補償值，然后將所獲得的補償值一一對應地輸入到程序中，對理論值進行修正，最后根據鉚接孔的位置和大小調用不同的鉆頭進行鉆孔加工.

1.3 工藝缺陷

(1)利用自動探頭獲取補償值進行加工的方式具有自動化程度高，加工效率高等優點，尤其適合大部件的加工，如焊接車的地板、側墻等.但對于鉚接車底架的加工而言，利用該方法并沒有實現較好的加工質量.通過對底架加工過程的跟蹤和數據分析發現，利用自動探頭對預設置的探點位置進行探測所獲得的補償值，并不總是能對某一區域進行最佳覆蓋.

以邊梁與枕梁的安裝為例，如圖3所示為枕梁與底架的裝配圖，目前選擇的探點位置為枕梁區域長度方向上的中心位置，即利用該點的補償值作為對該安裝區域上表面的理論補償值，但在裝配枕梁的過程中發現，在邊梁上表面選擇的探點位置并不是該區域的最高點，即在與枕梁裝配時該點并不是兩個平面的最先接觸點，因此將該處的補償值輸入到程序中會導致邊梁與枕梁側面的鉚接孔產生錯邊進而影響枕梁的安裝，如圖4所示.與此類似，如果在邊梁內側面所選擇的探點位置并非其裝配區域的最高點，亦會導致在邊梁上表面橫向上出現鉚接孔的錯邊，如腳蹬座等.由于枕梁、車鉤箱等均為鑄鋼件，該種情況的出現將直接導致其無法鉚接和安裝，對生產成本和效率造成了一定的影響.

1.1.3 主要試劑。1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH,Sigma-Aldrich,USA),2,2-聯氨-二(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS,東京化成),其他試劑均為分析純(成都科龍)。

圖3 枕梁與底架裝配圖

圖4 鉚接孔錯邊圖

(2)如圖5所示，在鉆邊梁側面鉚接孔時，由于主軸側倒后會與地板發生干涉，無法正常鉆孔，因此需要借助一定的輔助設備例如角銑頭.與垂直加工不同，橫向鉆孔時孔中的廢料并非總是以碎屑排出，相反很多時候會以帶狀屑螺旋排出，積攢的帶狀屑最終纏繞在鉆頭上，如果不及時排除，最終會導致后續鉆孔中母材表面劃傷.

圖5 角銑頭鉆孔圖

(3)如圖6所示，為了消除機床內部齒輪的反向間隙，目前鉚接線邊梁上表面鉚接孔的加工路徑均采用沿邊梁通常方向(X方向)的Z型加工方法.該方法最大的優點是可以最大限度地保證鉚接孔的位置精度且同一排孔間的形位公差最小，但該方法同時也造成了加工效率的降低.

圖6 加工路線圖

(4)邊梁和地板鉚接后，利用鋸床對其兩端進行鋸切.受鋸床精度影響，鋸切的兩根邊梁相對于地板斷面距離一般會相差2mm左右，在加工過程中需要對鉚接孔的位置尺寸進行核驗，該誤差會增加核驗難度并影響加工精度.

2 工藝優化

2.1 補償值獲取區域的優化

依據上文可知，利用自動探頭對某一區域中間位置進行探點并獲得該點的補償值，將此補償值作為該區域的整體補償仍然會帶來一系列的裝配問題，原因在于其探點位置并不一定是探點值覆蓋區域平面的最高點.通過對該問題進行分析和研究，提出了“以線代點”的探測方式.

具體過程為：①在底架裝夾完畢后，先利用記號筆對有裝配關系的排孔區域進行畫線如枕梁、車鉤箱、吊車座、腳蹬座等區域，畫線區域即為后續的探測區域；②將百分表固定在機床主軸上并調整好位置(注：在探測邊梁正面或者內側面時，均使百分表探頭與探測面垂直以降低對精度的影響)，位置調整好后利用手輪控制器控制機床下降，直到百分表探頭的指針在接觸邊梁表面后又向下壓縮2 mm為止，即指針轉動兩圈(注：百分表旋轉一圈為1 mm)，此時指針指向0刻度.向下壓兩圈的目的是使得百分表在尋找探測區域最高點過程中相對于起始位置有更精確的讀數，如圖7所示.利用百分表從探測區域的起始位置開始以恒定的速度打表，此時操作人員需要時刻關注百分表指針的變化并記錄，根據百分表指針的正向偏轉量找到該探測區域的最高點位置并進行標記；③利用適當的量具對所有探測區域的最高點位置標記進行X方向距離的測量，并將所有測量值輸入到自動探點的程序中，隨后操作機床抓取自動探頭依據程序對所有標記的高點位置進行補償值的探測.

圖7 百分表探測圖

依據該方法所獲得的補償值即可作為探測區域的整體補償值，后續鉚接孔的加工程序調用該圖補償值后方可最大程度地保證其他部件與底架的裝配精度，進而大大降低了由于探測位置選擇不合適造成的無法裝配等問題.

2.2 主軸反轉去屑

針對利用角銑頭對邊梁側面鉆孔時帶狀廢料無法及時與鉆頭分離而導致孔周邊母材區域劃傷的問題，如果采用人工去除則會導致加工效率嚴重降低，因此嘗試利用鉆頭的正反轉將帶狀廢料去除，即在鉆孔回程后觀測鉆頭上是否存在帶狀廢料，如果存在則在當前的程序段中加入鉆頭的反轉指令，經驗證當轉速達到7 500 r/min左右時則可將廢料甩出，如果不存在則進行正常加工.該方法可完全避免帶狀廢料對母材的劃傷.

2.3 加工路徑優化

對于該問題提出了相應的優化方法：①用同一個鉆頭沿著起始點走“回”字形路徑，將同一尺寸的孔一次加工完畢；②如果孔的分布不是以“回“字形呈現，則優先走X方向再走Y方向，盡量減少在Y方向上的行程，如圖8所示.經驗證比對，利用該方法所加工出的孔精度與前者相比無明顯差異，但加工時間卻大大地縮短.

圖8 回字型加工路線圖

2.4 邊梁斷面微銑削

為最大程度地保證產品的加工質量，即使程序經過調試和驗證后批量進行生產時，仍需操作人員在加工過程中對某些關鍵孔的位置精度和尺寸進行測量核驗.但由于底架來料后兩個邊梁斷面相對于地板斷面的距離存在1～2 mm的差異，該差異不僅會對工件坐標原點的計算產生影響，同時會增加操作人員核驗孔精度的難度.

針對該問題，提出了在鉆孔之前先對邊梁斷面進行銑削的方案.具體如下：在確定工件坐標系原點之前，首先對兩個邊梁斷面的X位置進行測量，以相對于地板斷面距離較短的邊梁斷面為基準，利用面銑刀或據盤對另一側邊梁進行銑削，完畢后可保證兩根邊梁的斷面在X方向平齊.通過驗證，該方法并不會對后續的生產和整車質量造成影響且可較好的解決現場人員測量困難的問題.

2.5 底架的裝夾工藝優化

除上述提到的缺陷和優化方法外，在加工鉚接線底架的過程中同時發現裝夾方法亦會對加工精度造成較大影響.以往的裝夾過程中，并未對壓緊塊、定位塊等夾具的裝夾順序進行區分，僅考慮對底架自由度的限定，隨后發現對于同樣精度的一批底架，不同操作人員的裝夾，不同的裝夾順序均會導致加工質量的較大差異.

為了降低和消除工裝因素對加工精度的影響，通過總結和分析提出了如下的裝夾方法,如圖9所示：①底架落料后，首先利用側頂緊塊對底架進行預頂緊，使得另一側邊梁的外表面與定位塊接觸.注意，在該過程中僅需成均勻分布的幾組側頂緊塊，無須全部.目的是使另一側邊梁外表面與定位塊貼合；②預緊后，利用壓緊塊對外側邊梁上表面進行壓緊，壓緊力的大小以側面與定位面貼合為準；③將已經頂緊的幾組側定位松解(注：不能完全松開，需帶有一定的預緊力)，并將剩下的側頂緊塊與前者相同進行預緊.不完全頂緊的原因在于對邊梁上表面壓緊時，邊梁相對于地板會向兩側發生一定量的外翻，需要為其提供一定的變形空間，否則會導致底架下表面與工裝支撐面存在間隙，不完全松開在于避免喪失定位功能;④待邊梁上表面壓緊后(注：壓緊力大小取決于地板下表面是否與工裝支撐面貼合)，再將所有的側定位塊進行壓緊，壓緊力大小取決于該邊梁側面是否與側頂緊面貼合.同時，注意夾具在底架通長方向上的分布，根據鉚接車車體結構的特性，底架的兩端需要安裝車鉤箱和枕梁等不銹鋼件，孔的裝配精度要求高.因此可在兩端分布較多，在中間部位均勻分布即可.通過實際驗證可知，利用該壓緊方法可最大程序的降低工裝因素對加工質量的影響.

圖9 工裝壓緊流程圖

3 工藝對比分析

枕梁為鉚接車底架核心部件，對精度要求很高.以枕梁區域的鉚接孔為研究對象，通過對4個鉚接車底架該區域鉚接孔精度的跟蹤并結合加工記錄可知，工藝優化前后存在較大的區別，如表1所示.優化前4個鉚接車底架的加工時間均在5.5 h左右，每加工一個底架平均需要時間為5.475 h，優化后每一個鉚接車底架的加工時間均在4.8 h左右，平均加工時間為4.825 h，優化前后相差約40 min；優化前的位置精度跨度較大且整體精度較差，平均精度為0.3～0.75 mm，優化后精度跨度較小且整體精度較好，平均精度提高了0.125～0.375 mm，精度得到較大改善.

表1 效果對比圖

4 結論

本文通過對鉚接車底架加工過程中存在的問題進行研究和分析，提出了相應的改進方法和建議，主要有如下4個方面：

(1)對傳統的補償值獲取方法進行了優化，使得優化后的補償值選取方法可在最大程度上對加工區域進行補償，以提高鉆孔精度；

(2)針對鉆孔過程中鋁削會纏繞在鉆頭上進而劃傷工件表面的問題，采用主軸反轉方法對其快速去除；

(3)通過對傳統加工路徑的方法進行分析研究，提出了新的加工路徑，在一定程度上提高了加工效率；

(4)對于鉚接車底架來料尺寸存在偏差的特性導致現場操作人員不能快速地進行尺寸測量和驗證問題，提出了對邊梁斷面進行微切削的方法，以使得加工精度得到快速準確的驗證，同時提出了優化來料裝夾工藝的方法.

結果表明：采用優化后的鉆孔工藝方法可使得加工效率和加工精度均有效地提高，加工質量得到一定的改善.