唐山軌道客車有限責任公司 趙衛(wèi)華

一、引言

目前我國高速動車組使用的車體絕大部分是鋁合金的，其好處是可以減輕車體重量，可以有效降低車體運行噪音，可以保證車體的密封性從而提高旅客的舒適度。鋁合金車體制造的工藝難點集中在焊接和加工上，焊接是將各部位連接成形的重要手段，是車體強度的保障，針對不同的部位，不同的板厚必須采用不同的焊接形式，對于焊縫的受力情況給予不同的處理方式，有的需要PT（pene-tration test），有的需要RT（Non destructive test X-Ray）等等。焊接完成后的部件絕大多數(shù)會發(fā)生變形，一些經過調修后可以轉入下道工序，一些部件無法調修，就需要焊前做好反變形，最大限度減小焊接引起的變形量。

鋁合金車體部件的加工最大的特點是針對焊后變形的部件進行加工，這就需要先測量焊接完成后部件的變形量在進行加工，目的是滿足加工后的尺寸及強度要求，一些部件由于其尺寸較大，加工必須在專用的設備上完成，例如側墻、底架、車體等；加工所使用的刀具必須滿足鋁合金材質加工要求。鋁合金加工以型材加工和板材加工加以區(qū)分，型材加工的特點是加工震動大、工裝壓卡干涉多；空心型材在加工過程中容易將里面的筋撕扯壞，所以加工時必須采用特殊方法，即螺旋銑削法，厚度不同其加工的參數(shù)也不同，板材加工較為容易。

二、鋁合金車體部件的焊接特點

鋁合金焊接特點：

鋁合金制品具有質輕、美觀和耐蝕性好等特點，無疑已成為高速列車車體的首選材料，但是由于鋁合金的彈性模量只有鋼的1/3左右，鋁合金構件焊后失穩(wěn)變形問題尤為突出。

1.鋁合金的焊接性

（1）鋁與氧的親和力很強

在空氣中極易與氧結合生成致密而結實的氧化鋁薄膜，厚度約為0.1μm，熔點高達2050℃，遠遠超過鋁及鋁合金的熔點，而且密度很大，約為鋁的1.4倍。在焊接過程中，氧化鋁薄膜會阻礙金屬之間的良好結合，并易造成夾渣。氧化膜還會吸附水分，焊接時會促使焊縫形成氣孔。這些缺陷，都會降低焊接接頭的性能。為了保證焊接質量，焊前必須嚴格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再次氧化，對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效地防護，這是鋁及鋁合金焊接的一個重要特點。具體的保護措施是：

焊前使用機械打磨或化學方法D40清除工件坡口及周圍部分的氧化物；

焊接過程中要采用合格的保護氣體進行保護（例如99.99%Ar）。

（2）鋁的導熱率和比熱大，導熱快

盡管鋁及鋁合金的熔點遠比鋼低，但是鋁及鋁合金的導熱系數(shù)、比熱容都很大，比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導到集體金屬內部，為了獲得高質量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，8mm及以上厚板需采用預熱等工藝措施，才能夠實現(xiàn)熔焊過程。

（3）線膨脹系數(shù)大

鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時體積收縮率達6.5%～6.6%，因此易產生焊接變形。防止變形的有效措施是除了選擇合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也是非常重要的，焊接薄板時尤其如此。另外，某些鋁及鋁合金焊接時，在焊縫金屬中形成結晶裂紋的傾向性和在熱影響區(qū)形成液化裂紋的傾向性均較大，往往由于過大的內應力而在脆性溫度區(qū)間內產生熱裂紋，這是鋁合金，尤其是高強度鋁合金焊接時最常見的嚴重缺陷之一。在實際焊接現(xiàn)場中防止這類裂紋的措施主要是改進接頭設計，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應母材特點的焊接填充材料等。

（4）容易形成氣孔

焊接接頭中的氣孔是鋁及鋁合金焊接時極易產生的缺陷，尤其是純鋁和防銹鋁的焊接。氫是鋁及鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因，這已經為實踐所證明。氫的來源，主要是弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中焊絲及母材表面氧化膜的吸附水分，對焊縫氣孔的產生，常常占有突出的地位。

鋁及鋁合金的液體熔池很容易吸收氣孔，在高溫下溶入的大量氣體，在由液態(tài)凝固時，溶解度急劇下降，在焊后冷卻凝固過程中氣體來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔。為了防止氣孔的產生，以獲得良好的焊接接頭，對于氫氣的來源要加以嚴格控制，焊前必須嚴格限制所使用的焊接材料（包括焊絲、焊條、熔劑、保護氣體）的含水量，使用前要嚴格進行干燥處理，清理后的母材及焊絲最好在2～3小時內焊接完畢，最多不超過24小時。TIG焊時，選用大的焊接電流配合較高的焊接速度。MIG焊時，選用大的焊接電流慢的焊接速度，以提高熔池的存在時間。

（5）鋁在高溫時的強度和塑性低

鋁在370℃時強度僅為10MPa，焊接時會因為不能支撐住液體金屬而使焊縫成形不良，甚至形成塌陷或燒穿。為了解決這個問題，焊接鋁及鋁合金時常常要采用墊板。。

（6）無色澤變化，給焊接操作帶來困難

鋁及鋁合金焊接時由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時，沒有明顯的顏色變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難。因此，要求焊工掌握好焊接時的加熱溫度，盡量采用平焊，在引（收）弧板上引（收）弧。

2.鋁合金的焊接變形

與其他材料相比較，鋁合金具有較大的熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)，所以在焊接過程中伴隨著快速加熱和快速冷卻會有相應的膨脹和收縮，所以必然發(fā)生不同形式的變形。變形的原因是焊接受到不均勻的加熱，并且由于焊件本身剛度的不同導致了在焊接過程中一些部位產生內應力，是焊接變形的根源。

3.焊接變形的控制

影響焊接變形的因素主要包括：結構設計、接頭類型、焊接方法、焊接順序等。其中，選擇合理的焊接順序是行之有效的控制變形的主要方法。它使焊接變形消失于焊接過程中，或者使得不同時期、不同位置產生的焊接變形相反、消失，從而達到控制焊接變形的目的。在設計焊接順序的時候應該注意以下幾個方面：

（1）先焊固定整個構件的焊縫；

（2）焊接次序原則是先短后長、先里后外、先中心后兩側、先對接焊縫后角接焊縫；

（3）具有最大收縮的焊縫先焊，構件剛性最大的部位最后焊接；

（4）如有可能，為了平衡收縮對于一個結構的兩邊焊接應該同時進行；

（5）焊縫應均勻分布在結構的兩邊，焊接時，焊道要兩邊交替焊接，以平衡應力；

（6）對于一個焊道，一旦開始焊接后，就不要間斷，一直焊完；

（7）對于變形有特殊限制的時候，可以采用分段退焊法，此方法對于補修焊尤為適用。

采用工裝夾具對焊件進行剛性固定之后再實施焊接，這也是防止變形的有效措施，當采用大剛度夾具和密集段焊時，不必過分考慮焊接順序。但是對一些大的形狀復雜的焊件來說，夾具的制造比較麻煩，而且撤除固定夾具之后，焊件還有少許變形。因此這種方法更適用于一些小的，形狀規(guī)則的焊件焊接。如果焊件尺寸大，形狀復雜，又是成批量生產，可以設計一個能夠轉動的專用焊接夾具，既可防止變形，又能提高生產率。

在實際焊接生產中，控制變形的方法還有很多，而且在運用時，往往都是聯(lián)合采用，而非單獨采用。所以在具體選擇方法時，一定要根據(jù)焊件的結構形狀和尺寸來分析其變形情況后再決定。

4.焊接變形的調修

焊接變形造成焊接結構尺寸形狀超差，焊接結構裝配困難，焊接變形過大或者矯正無效都有可能致使產品報廢，造成經濟損失。所以在焊接過后進行適當?shù)恼{修是很重要的?？梢圆捎美涑C形和熱矯形兩種工藝來消除變形。這兩種方法各有優(yōu)劣。冷矯形容易導致鋁合金焊接構件發(fā)生損傷，火焰矯形是利用金屬熱脹冷縮的原理對焊后變形進行反變形的一種方法。

由于焊縫造成的工件輪廓或角度的誤差一般采用火焰調修的方式進行矯正。調修前先分析工件變形的趨勢來確定要加熱的焊縫，調修時利用火焰調修槍加熱焊縫部位，溫度一般都小于200℃，冷卻方式采用自然冷卻、風冷和水冷。

對于焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)的局部突變可以采用冷矯正的方法進行調修，用墊平板錘擊的方式進行，冷矯正必須保證工件發(fā)生塑性變形但是又不會出現(xiàn)裂紋。

對于工件剛度大或者變形過大時，使用火焰調修無法完全矯正的時候可以采用高溫機械矯正的方式進行。即冷矯正與熱矯正同時對引起變形的焊縫或應力區(qū)進行加熱。

當以上三種方式都失敗后，把工件上的焊縫銑開進行二次焊接，通過二次焊接過程中的收縮來實現(xiàn)工件的矯正

鋁合金車體部件手工焊接使用的焊接設備為MIG焊機，焊機的電流電壓調節(jié)以適應不同板厚不同焊接形式的焊接，針對目前高訴動車組車體使用的鋁合金材質型號是6系，那么所選焊絲型號是5183。目前鋁合金車體各部位焊縫的形式主要有角焊縫、對接焊縫、搭接焊縫等，根據(jù)板厚的不同焊接方式和層數(shù)有所不同，根據(jù)焊縫受力情況對焊縫的檢測也有所不同，其中常用的檢測手段包括VT、PT、UT、RT等的檢測。鋁合金在焊接過程中會產生一定的收縮量，收縮量的大小因焊縫的形式和板厚有較大區(qū)別，同時在焊接的過程由于焊接應力的產生會使組焊件產生變形，一般情況焊接變形是有規(guī)律可循的，所以我們根據(jù)不同的焊縫形式需要給出合理的工藝放量和反變形量以達到焊后的設計要求。

三、鋁合金車體部件的加工特點

為了滿足鋁合金車體部件的加工，引進了先進的加工制造技術和數(shù)控設備，在鋁合金車體部件加工方面，主要是FOOK、INNSE、HAGE等進口龍門加工中心，該類設備同時用于新產品的開發(fā)和制造。設備的加工范圍是X軸0----5～61.5米，Y軸0----4.3米，Z軸0----1.2～1.4米，A軸旋轉范圍±95°，C軸旋轉范圍±200°五軸可聯(lián)動的大型數(shù)控加工設備，適合復雜形狀鋁合金型材的加工。

鋁合金車體部件加工大體可分為：板材加工、型材加工、組焊件加工；加工特性不同，裝卡難易不同，在刀具使用、轉速（s）、進給（f）的匹配上應特別注意。

1.鋁合金加工特點

（1）強度、硬度比銅更低，切削加工性更好

（2）加工時容易粘刀，形成刀瘤，加工表面粗糙度變大

（3）組織不夠致密，很難獲得較小的粗糙度

（4）刀具使用壽命一般都較高

（5）裝卡和加工時容易引起變形，工件表面也易碰傷或劃傷

（6）膨脹系數(shù)更大，影響尺寸精度更突出。

2.鋁合金加工重要性及難點

（1）加工無論是底架前端還是底架、車頂、側墻、端墻，都需要在組焊后加工才能進行車體整體組焊階段，整體組焊完后還要對車體進行整體加工，可見加工在整個CRH3制造過程中的重要性。CRH3高速動車組對車體密封性要求很嚴，對車體的穩(wěn)定性要求更嚴，車體穩(wěn)定性在配重準確的情況下主要在車體與轉向架之間的連接，車體的整體加工正是為了滿足這一要求。

（2）鋁合金加工主要難點：刀具路徑的選擇、刀具的選擇、加工震動。

1）刀具路徑選擇：因車體部件的外形尺寸和鋁合金材質的特點，對加工設備及加工使用的刀具都必須提出特殊的要求，例如底架加工、側墻加工、車體加工所使用的設備均為特殊制造，以滿足加工精度。各部件的加工多為多面體加工，三軸以上聯(lián)動加工并不多用，目前機床雖然是五軸的但除了在換刀過程是五軸聯(lián)動，其他加工部位沒有使用五軸聯(lián)動，但由于工件尺寸較大，裝卡難度大，盡可能保證一次裝卡完成加工，這就要求機床能夠實現(xiàn)多面加工。在加工過程中針對不同的型材、板材、裝卡情況進行加工路線選擇。

2）加工震動和刀具選擇：考慮到加工震動就必須對刀具提出要求，這些刀具除了滿足鋁合金的加工特性外，其材質還需具有足夠的韌性以減少由于加工震動對刀具的損壞，延長刀具的使用壽命。

鋁合金車體部件多為焊后加工所以多數(shù)都是有變形的，需要避免過切，為了滿足焊接和裝配要求就必須采取措施，加工時進行測量，將測到的每一個點與加工程序結合起來然后才能進行加工，在這里使用的測量循環(huán)是CYCLE730和CYCLE740。有些特殊部位測量是必須的，例如前端面板加工，因為面板的厚度為35MM最大去除量不能超過3mm，那就必須找出面板上的最高點，否則必然會加工過量，找出這個最高點就需要測量程序完成。

（3）龍門式高速加工機床

典型的用于高速加工的機床是龍門式高速銑床。龍門結構具有較大的加工范圍，而且有利于提高機床的剛性，改善熱變形特性，能有效減少機床變形和振動的發(fā)生。用于加工的龍門式高速機床大多采用固定工作臺、移動龍門結構，不僅機床占地面積小且相對于工作臺移動的龍門機床，X坐標的驅動負載變化不大，適應高速機床對坐標驅動快速響應和高穩(wěn)定性的要求。在龍門式高速加工機床中，采用了新的高速主軸、驅動及控制技術和功能部件，一般為龍門雙側同步驅動，但總體結構和傳統(tǒng)龍門機床差別不大，機床結構剛性好，從而大大提高了傳動系統(tǒng)的剛度，提高了坐標驅動的加速度，保證機床在加工復雜形狀的零件時，尤其是在處理邊、角、拐點、曲面過渡等情況時具有與加工特征相適應的加速度變化。另外，機床坐標在高速進給時的定位精度也由于傳動系統(tǒng)的簡化得到有效提高，為高精度高效率加工提供了可靠保障。缺點是可移動的整個龍門架具有較大的移動質量，而且整個龍門架的驅動點與龍門架的重心距離較遠，不能適應更高的動態(tài)性能要求，一般用于機床主軸功率要求較高的場合。

如60米?？思庸ぶ行脑诩庸ご笮突虺L零件時，由于龍門架的加工行程可以覆蓋整個機床工作臺，既可以一個龍門架利用整個工作臺進行加工，也可以在加工稍小的零件時，將不同的零件限定在各自的加工區(qū)域內進行加工，或在一個區(qū)域內加工，在另一個區(qū)域內進行工件裝卸、調整等輔助工作，徹底避免了加工輔助時間的發(fā)生，相當于多臺高速機床同時進行加工，加工效率非常高。

（4）刀具的材料和銑削方式的選擇

刀具的材料和銑削方式的選擇也是高速銑削工藝系統(tǒng)的一個重要組成部分。由于在高速切削時，切削力已經不是重要因素，不需大的切削扭矩，因此刀柄就不再是傳統(tǒng)的錐柄，而是短圓柄，即HSK型柄，不需拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響。重要的是需要動平衡，即需加上動平衡環(huán)，在裝好刀具后，由動平衡儀進行平衡。刀具本身采用通體硬質合金刀，或在硬質合金上涂CBN、TiC等，也可采用人造金剛石，即PCD等，使刀具可以承受高達300～500m/min的切削線速度。

此外，進給速度和角度也直接影響刀具的壽命和表面加工質量。刀具的切削量與進給速度成正比例，并與切削速度成反比。如果按比例增加切削速度和進給量，則每齒的進給量要保持不變。對于面銑來說，進給速度必須很高，才能使每次進刀足以深入工件保證切割質量，否則刀片將刮傷工件，產生的熱能使材料硬化并縮短刀具壽命。此外，設計刀具多用途，能夠用一把多用途刀具同時完成幾項作業(yè)，也是提高加工速度的一種方法。例如采用復合刀具（如復合階梯鉆、鉆銑螺紋刀具和其它用于綜合加工的復合刀具）、圓周進給銑削的多功能立銑刀等各種先進刀具可以顯著減少換刀次數(shù)和降低輔助時間，由此顯著地提高生產效率。切削時采用油霧潤滑加工區(qū)，而不再使用傳統(tǒng)的冷卻潤滑液。

加工對刀片的要求十分嚴格，刀片既要有鋒利的切削刃，以降低精加工表面的粗糙度，又要有極高的耐磨性，以保證工件的形狀精度。這種性情況下，必須采用多種鍍膜的組合。有的刀片為了確保使用過程上萬無一失，鍍膜層數(shù)可多達100層。

為了提高加工過程的穩(wěn)定性，優(yōu)化切削策略時，必須保證切削的連續(xù)性，同時盡可能減少走刀運動和空行程，以便縮短切削時間。銑削工件時，一般都采用順銑加工，因為順銑可以獲得較高的加工表面質量，而且刀具高速向前銑削，鋁屑向后銑出的通道排出，不容易擠屑，也就不容易產生切削熱，能提高刀具的耐用度。盡量降低刀刃在切削過程中切削量波動的峰值。

在各種型面的數(shù)控銑削中，合理地選擇切削加工方向、進刀切入方式是很重要的，因為二者直接影響零件的加工精度和加工效率。

（5）輪廓加工中的進刀方式

法線進刀和切線進刀。輪廓加工進刀方式一般有兩種：法線進刀和切線進刀，如圖1中（a）、（b）所示。法線進刀由于容易產生刀痕，因此一般只用于粗加工或者表面質量要求不高的工件。法線進刀的路線較切線進刀短，因而切削時間也就相應較短。

在一些表面質量要求較高的輪廓加工中，通常采用加一進刀引線再圓弧切入的方式，如圖2所示，使圓弧與加工的第一條輪廓線相切，能有效地避免因法線進刀而產生刀痕，而且在切削毛坯余量較大時離開工件輪廓一段距離后下刀再切入，很好地起到了保護立銑刀的作用。

圖1 法線進刀與切線進也方式

圖2 圓弧切入的方式

（6）挖槽和型腔加工中的進刀方式

對于封閉的型腔零件加工，下刀方式主要有垂直下刀、螺旋下刀和斜線下刀三種，下面著重說一下垂直下刀方式。垂直下刀：指使用鍵槽銑刀直接垂直下刀并進行切削。雖然鍵槽銑刀其端部刀刃通過銑刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于鍵槽銑刀只有兩刃切削，加工時的平穩(wěn)性也就較差，因而表面粗糙度較低；同時在同等切削條件下，鍵槽銑刀較立銑刀的每刃切削量大，因而刀刃的磨損也就較大，在大面積切削中的效率較低。所以采用鍵槽銑刀直接垂直下刀并進行切削，只用于小面積切削和被加工零件表面粗糙度要求不高的情況下。

（7）科學選用工裝夾具

如果能夠使用最適合的工夾，就可能達到良好的高速切削性能。對于工夾的要求是：最少的托板，高壓、高扭距，重復精度高、操作容易、標準化、安全、長度短、加壓均勻，以便達到刀具轉換和零件處理時間最少。另外的要求是工夾越小越好，縮短加工時的切削與非切削時間。

（8）如何實現(xiàn)高效率加工

鋁合金車體絕大部分零件依賴數(shù)控加工完成，數(shù)控加工也一直是制造過程中的瓶頸，高速數(shù)控加工技術和高速高效數(shù)控加工機床是消除瓶頸的有效和必需的手段，對提高零件質量、縮短制造周期發(fā)揮著至關重要的作用。配置高速高效新型數(shù)控機床是提高零件數(shù)控加工效率的重要途徑，但并不是全部，更不能認為有了設備就掌握了技術，就能達到提高加工效率的目的。影響提高加工效率的因素還有很多，包括工藝路線的安排和編程、工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化、刀具型式、材料和參數(shù)的選擇、生產管理、相關配套條件等等。必須根據(jù)所加工零件的不同進行精心的機床配置、工藝設計和條件準備，才能真正有效地實現(xiàn)的高效率加工。