動力集中動車組全鋁合金司機室制造工藝

焦銳，陳積翠，唐亞紅

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

城市軌道交通車輛鋁合金車體司機室通常采用鋁合金骨架、玻璃鋼頭罩結構，司機室結構簡單，可以實現不同的工業設計造型，適用于低速運營城市軌道交通車輛對車體輕量化、造型美觀的需求。國內動力分散型高速動車組司機室結構車頂彎梁和車頂板是散裝的，能夠適應三維彎曲大部件的最后組裝[1]，部分車型采用的骨架主要為板梁插接結構[2]，司機室獨特的三維空間結構成為高速動車組焊技術難點，控制焊接變形成為司機室焊接技術的關鍵[3，4]。也有研究提出了司機室模塊化的焊接工藝，采用精密焊接工裝，實現了空間三維曲面焊接結構的焊接變形精確控制[5]。近年來，國內研制了一種動力集中型高速動車組，采用模塊式骨架結構，各骨架采用彎梁對接或角接連接，蒙皮板尺寸較動車蒙皮板尺寸大，在骨架焊接、蒙皮成形、檢測方法上有其獨有特點。

2 產品結構特點

新型司機室采用全鋁合金材料，以拉彎成形的空間曲梁焊接后為骨架，以4mm厚EN AW-5083-H111鋁合金曲面壁板為蒙皮板，蒙皮板之間采用對接焊縫焊接，蒙皮板與骨架采用角接或T形接頭焊接。大部分部件為彎曲零件，具有復雜的三維曲面、流線型外形，其主要結構特點是零部件多、曲面多、焊縫多，以及高強度設計對司機室制造工藝技術要求非常高。

3 工藝流程設計

為保證整體結構的外輪廓尺寸，需優先保證司機室骨架的外輪廓。因為骨架外側多為變截面曲面，骨架彎梁之間又需全部MIG焊焊接，所以焊接變形難以準確預測及控制，為此統籌設計了骨架先焊接、再對骨架外輪廓進行整體加工的工藝。為實現骨架的整體加工，以及加工后再焊接具有較好的精度，將骨架分為上部、左側、右側3部分。蒙皮板需與骨架外表面進行曲面配合，為兼顧蒙皮板與骨架配合質量、盡量減少蒙皮板拼縫數量，對蒙皮板的分割以及接縫位置進行了詳細規劃。

司機室骨架為三維空間大構件，司機室骨架組焊完成后，為保證車體底架、側墻、頂蓋與司機室骨架配合質量，司機室蒙皮的安裝與焊接規劃安排在司機室骨架吊裝完成后進行。司機室結構如圖1所示，制造工藝流程如圖2所示。

圖1 司機室結構示意

圖2 司機室制造工藝流程

4 蒙皮板成形工藝

一般小批量大尺寸的鋼板曲面成形采用鋼模、木模及油壓機成形。針對本項目鋁合金蒙皮板成形，對比研究了傳統成形與激光噴丸成形工藝。

4.1 傳統成形工藝

傳統薄板成形工藝過程為：將鋁合金板按照成形后向上凸的方向（模具上模為凹模，下模為凸模）置于設備上下模具之間，設備沖頭帶動上模對配件反復作用，操作人員對配件橫向、縱向反復移動，以達到配件的整體曲面成形。一般步驟包括一次起拱、一次拱形、手工調修、二次起拱、手工調整、三次起拱及手工調整等7步。

在使用薄板成形機成形后，蒙皮中間部位能夠與鋼模較好地貼合。因為蒙皮周邊與鋼模間隙相對較大，所以需在組焊時邊定位焊邊用手錘調整。對于雙曲面蒙皮，需通過分塊將不同方向曲面分開，才能通過薄板成形機有效成形。

4.2 激光噴丸成形工藝

激光噴丸成形是集成形與強化為一體的技術，具有可局部精確處理、變形量小及表面質量好等特點，金屬板料小曲率成形時幾乎無回彈，能有效防止起皺，且屬于冷加工成形，不會對金屬板料形成熱傷害。

激光噴丸成形是利用激光誘導產生的沖擊波壓力，在金屬板料表面產生深度分布的高幅殘余應力場，從而使板料產生變形的方法。激光噴丸成形原理如圖3所示。激光誘導的沖擊波是垂直于板料表面傳播的一維彈性壓縮波。激光噴丸誘導的沖擊波峰值壓力增加，從而導致殘余應力場的大小和深度發生變化[6]。當由激光沖擊波誘導的、在金屬板料內傳播的應力波峰值超過板料動態屈服強度極限時，噴丸作用區域板料的表層發生微觀的塑性變形，緊鄰表層的下層部分發生了彈性變形。塑性變形使表層的金屬得到了延伸、受噴的表面面積加大，因此產生了彎曲變形的趨勢。更重要的是，由于表層產生的不可恢復塑性變形，因此阻擋了板料中已發生彈性變形部分的恢復。

圖3 激光噴丸成形原理

4.3 傳統成形與激光噴丸成形對比

相對于傳統成形工藝，激光噴丸成形工藝存在以下4個優勢。

1）工藝裝備簡單，無需成形模具，只需簡單的夾具，準備周期短。

2）無工藝余料，不僅節省了原材料，還減少了成形后的修邊和銑削工序。

3）加工的柔性大，既可成形單曲率外形，又可成形雙曲率外形。

4）激光沖擊的激光脈沖參數和作用區域可精確控制，參數也具有可重復性。不同蒙皮板成形工藝表面質量對比如圖4所示。

圖4 不同蒙皮板成形工藝表面質量對比

5 骨架焊接及加工工藝

通過研制既滿足司機室側墻骨架焊接又滿足側墻骨架整體加工的通用工裝（見圖5），實現了側墻骨架焊接與加工的工件裝夾定位一致、數控中心加工可達，既保證了側墻骨架的整體尺寸，又實現了側墻外輪廓的精度要求，并降低了生產制造成本。

圖5 司機室側墻焊接與加工通用工裝

在實際加工過程中，利用UGCAM軟件進行離線編程，合理選擇加工路徑、刀具，設計五軸聯動加工程序；增加焊接工藝筋板，增加骨架剛度，減少斷續加工區域產生振動的概率；抽取模型中關鍵位置尺寸，用于加工過程中的輔助測量，最終實現了三維空間曲面的連續加工，精確保證焊后司機室側墻流線型曲面。

司機室頂部骨架相對側墻骨架焊接量小，四周為剛度較強的彎梁，中部為網格狀隔板，如圖6所示。設計制造的司機室頂部骨架組焊工裝，具備仿形調整能力，通過激光跟蹤儀檢定各定位點相對尺寸。為控制其焊接變形，優先焊接頂部彎梁與縱梁的豎向焊縫，再焊接頂部縱梁與司機室前端橫梁的豎向焊縫，之后進行頂部彎梁與縱梁的仰焊，最后進行縱梁與司機室前端橫梁的仰焊，縱梁與司機室端板僅完成打底焊。

圖6 司機室總組成工裝

6 司機室總組成工藝

在司機室左側墻骨架、右側墻骨架、司機室頂部骨架、司機室蒙皮成形以及零件完成加工后，進行司機室骨架組焊、司機室蒙皮組焊。

（1）司機室骨架組焊 設計了司機室柔性組焊胎具，工裝以司機室下部為高度方向基準、司機室與側墻頂蓋結合面為縱向基準，寬度方向保證左右對稱，并在側墻內側面大梁的小平面設置多處定位點。裝配時，首先對左右側墻定位，先裝前端防撞梁橫梁，再定位司機室頂部，在焊前設置必要的工藝放量，焊接過程及時跟蹤測量司機室骨架長、寬、高、對中及對角線等關鍵尺寸。

（2）司機室蒙皮組焊 司機室蒙皮由多塊三維曲面鋁合金薄板結構組成，蒙皮拼接焊縫為全熔透焊縫，蒙皮板的焊接需重點保證焊縫質量，并減少蒙皮板的局部變形。蒙皮板對接焊縫均設置在骨架U形梁中部位置，裝配前在蒙皮板背面增加墊板，裝配時全熔透焊縫根部留間隙，通過U形梁與蒙皮板的段焊固定蒙皮板，減少蒙皮板錯邊，并避免蒙皮在焊接過程出現鼓包或下塌，內側蒙皮板與骨架角焊縫定位焊要求三維曲面蒙皮板與司機室骨架曲面骨架貼嚴。采用合理的焊接順序，從頂部中間開始蒙皮，優先保證頭燈、前窗玻璃及司機室側窗等接口，最后對其余位置進行修配。在組焊過程中，需始終遵循對稱裝配、分段焊接的方法。

7 尺寸檢測技術

由于大型結構件曲面尺寸質量檢測難以采用傳統技術手段完成，因此本項目在裝配時，除采用傳統手段設置關鍵尺寸測量點，且利用卷尺、高度尺等進行線性尺寸測量外，還采用了三維樣板檢測裝配質量（見圖7），運用3D激光掃描儀進行前窗玻璃安裝接口、司機室側窗安裝接口三維空間掃描。3D激光掃描儀測量很好地反饋了司機室關鍵接口尺寸質量，對完成關鍵尺寸調整起到了重要作用。

圖7 三維輪廓尺寸檢測

8 結束語

本文介紹了一套成熟的全鋁合金司機室組焊工藝技術，對動力集中型高速動車組全鋁合金司機室零部件加工、組焊工藝流程的設計方法進行了簡述，對比了鋁合金薄板傳統成形工藝、激光噴丸成形工藝特點，總結了司機室側墻加工焊接、司機室骨架焊接、司機室蒙皮焊接在保證焊接質量與產品尺寸方面的工藝要點。本研究為小批量大尺寸鋁合金薄板成形、大型構件三維尺寸檢測的工藝制定提供了參考，為新型軌道交通車輛車體全鋁合金司機室的制造提供了指導。