大功率重載機車司機室三維曲面蒙皮成形工藝創新研究

黃 劍,李正江,梁 濤,蔣 鵬

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

更新換代后的大功率重載電力機車,其司機室外形造型更加棱角分明。司機室蒙皮由平面與曲面相切、正反拱曲面相切同面等組成。蒙皮由不同朝向、多曲率組合而成,試制中嘗試了一體澆鑄成形模具沖壓成形和激光成形,經過驗證也無法達到技術要求的外形輪廓精度。為此,本文對不同朝向、多曲率組合而成的蒙皮加工工藝進行研究,分析三維曲面蒙皮的特點和加工難點,創新性地提出采用滾板機和鈑金成形機交替成形的方法,對工藝進行了優化。

1 重載機車三維曲面蒙皮工藝難點分析

重載電力機車司機室三維曲面蒙皮區域,大部分集中在司機室結構的兩側和車頂位置,由多段曲面、平面拼接而成,如圖1～2所示。為保證司機室組焊過程中的蒙皮裝配質量,三維曲面蒙皮加工后輪廓度應小于等于2 mm(與檢驗模間隙小于等于2 mm)。

圖1 靖神機車司機室蒙皮

圖2 新神八機車司機室蒙皮

1)材質和板厚不同。為確保大功率重載電力機車司機室造型上棱角分明的特點。蒙皮產品由以往的160 km客運機車的2 mm/08AL變更為3 mm/Q235B,因為Q235B的屈服極限σs為235 MPa,08AL的屈服極限σs為185 MPa,再加上板厚的差異,所以造成蒙皮更難成形。

2)產品尺寸變化大。以前的蒙皮產品大部分集中在司機室中下部分,長度尺寸不超過1 000 mm×1 000 mm,此次蒙皮長度尺寸最長達到3 009 mm×1 280 mm。

3)加工的外形不同。重載靖神、新神八機車機車司機室蒙皮突出棱角分明的特點,造型彰顯霸氣。頂部上蓋板整體長,左右翼板曲面扭曲大,造成成形困難。

4)重載機車司機室外形蒙皮種類多。由多段曲面之間,平面與曲面相切,正反拱曲面同面等組成,沒有掌握規律,成形困難。 圖3為單一方向的曲率蒙皮產品,圖4為不同朝向、多曲率組成的蒙皮產品。

圖3 單一方向的曲率蒙皮產品

由于以上特點,如果設計制作專用一體成形模具(澆鑄模具),模具形體將會很大,成本也會很高,且制作周期長,難以滿足進程要求。本文根據以往蒙皮加工積累的經驗,創新地提出采用滾板機和鈑金成形機交替成形的方法,確保蒙皮曲面對鋼模間隙小于等于2 mm,方便下工序組裝。

2 整體實施步驟

三維曲面蒙皮結構曲面彎曲方向通常由主要曲面與次要曲面相交組成。主要曲面應該順著曲面方向采用滾板機成形,對于2個曲面共有的上拱曲面,可以采用鈑金成形機球模進行曲面成形,然后逐段進行矯正。對于有扭轉的雙曲面結構蒙皮,大部分采用正反不同方向滾圓弧法加工,總結為采用滾板機與鈑金成形機,交替配合使用的成形方法進行異型曲面成形。對于長大件雙曲面蒙皮產品,根據曲面結構分為梯形、菱形處理。

2.1 多曲率三維曲面蒙皮工藝方案

初次放邊—初次拱曲成形、矯正—2次放邊—2次拱曲成形、矯正—3次放邊—3次拱曲成形、矯正、滾圓弧。

2.1.1 初次放邊

采用①號直徑120 mm球模對蒙皮板材進行勻速拱曲成形,迫使板材纖維發生改變,形成一定曲率的雙曲面。拍彎成形過程中要分多次成形,控制鈑金成形機的上模行程。

2.1.2 初次拱曲成形、矯正

利用三軸滾板機對初次延展后的板材進行滾圓弧,從而使得不平的板材轉變為拱形形狀,再對比產品檢驗模和使用木錘、橡膠錘、銅錘進行手工矯正。

2.1.3 2次放邊

為方便板材局部曲面成形,將①號直徑120 mm球模更換為②號直徑80 mm球模,對初次成形的產品進行再次勻速加工成形,成形時相對初次加工時接觸點更加密集、成形曲率更大,將步驟1中所產生的凹凸曲面加工成圓滑過渡面,進一步提高產品表面曲面成形質量。操作鈑金成形機拱曲成形如圖5所示;1次、2次和3次拱曲成形使用模具如圖6所示。

圖5 操作鈑金成形機拱曲成形

圖6 1次、2次和3次延展使用模具

2.1.4 2次拱曲成形、矯正

使用滾板機對板材進行滾弧,大致保證產品拱曲成形形狀,繼續對比檢驗模和使用工具進行手工矯正,確保產品曲面的輪廓度達到圖紙技術要求。

2.1.5 3次放邊

在鈑金成形機上使用③號直徑60 mm球模對2次成形后的蒙皮進行再次勻速加工成形,成形時相比2次成形時接觸點更密集、外形拱曲更大,對輪廓度達不到圖紙技術要求的局部區域進行修正。

2.1.6 3次拱曲成形、矯正、滾圓弧

使用滾板機對其進行滾弧,保證曲率拱形形狀,交替使用①號直徑120 mm、②號直徑80 mm以及③號直徑60 mm球模具對成形產品進行最后的精整,繼續對比檢驗模進行手工矯正,使得產品的內側表面與檢驗模完全貼合。右側雙曲蒙皮中產品加工過程如圖7所示,新神八機車右側雙曲蒙皮如圖8所示。

圖7 右側雙曲蒙皮中產品加工過程

圖8 新神八機車右側雙曲蒙皮

3 實施效果

在無專用模具的情況下采用薄板成形機與滾板機交替配合使用的成形方法,作業人員憑借多年積累的手工蒙皮經驗,不斷進行改進與調整,完成了合格產品,保證大功率重載機車制造進程,制造25套模具費用節約至少約300萬元,并且模具制造周期至少減少3個月,縮短了制造進程。

4 結束語

很多新型大功率重載電力機車司機室開始采用三維曲面蒙皮,三維曲面蒙皮制作工藝十分復雜,本文根據三維曲面蒙皮的特點和加工難點,創新性地提出采用滾板機和鈑金成形機交替成形的方法,最終制定出司機室雙曲面蒙皮工藝,減少60%的返工時間,產品合格率由70%提升到95%,為后續類似機車司機室雙曲面蒙皮生產提供了工藝參考。