■唐山軌道客車有限責(zé)任公司 （河北 063035） 鄭建科 王 偉

軌道客車構(gòu)架薄板類坡口銑削參數(shù)探討

■唐山軌道客車有限責(zé)任公司 （河北 063035） 鄭建科 王 偉

摘要：本文分析了軌道客車構(gòu)架薄板類焊接坡口銑削加工的影響因素，并列舉了編寫的數(shù)控加工宏程序，得出此類件加工的手工編程方法，不僅簡(jiǎn)單、方便，而且能提升加工的質(zhì)量和效率；結(jié)合設(shè)備提出了銑削參數(shù)的確定方法，為薄板類坡口加工參數(shù)的確定提供了參考。

目前，軌道客車或動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架采用薄板焊接結(jié)構(gòu)（見圖1），主要分為側(cè)梁組成和橫梁組成，即采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)的箱形側(cè)梁組成和與側(cè)梁相貫通的無縫鋼管及各個(gè)附件組成的H形橫梁組成。側(cè)梁組成采用“四塊板”焊接結(jié)構(gòu)，側(cè)梁的下部焊接有托板組成和抗側(cè)滾扭桿座；橫梁主體為無縫鋼管結(jié)構(gòu)，橫梁組成則是在主體無縫鋼管上焊接電機(jī)吊座、齒輪箱吊座、牽引拉桿座和制動(dòng)吊座等附件，除了兩根橫梁是無縫鋼管外，其余均由厚度在8～ 40mm之間不等的薄板焊接而成。根據(jù)產(chǎn)品特性和焊接性能等因素，需要將各類薄板焊接連接處銑削成10°～80°不等的坡口。

通常，銑削是一個(gè)由多齒參與的斷續(xù)銑削過程。相對(duì)于其他銑削加工形式，其具有銑削力小、加工變形小、銑削溫度低、加工能力強(qiáng)及材料去除率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及軌道交通裝備制造等行業(yè)。

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的銑削加工設(shè)備不斷涌現(xiàn)出來，例如不同型號(hào)的數(shù)控立式、臥式加工中心或龍門加工中心等先進(jìn)設(shè)備，都適合銑削加工。目前軌道交通裝備制造行業(yè)，加工各種不同厚度、不同形狀的板類坡口，通常是在數(shù)控立式加工中心上進(jìn)行，這種加工方式往往是產(chǎn)量大，形狀復(fù)雜，而工期又緊，所以在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，要最大程度地降低設(shè)備故障周期和提高刀具使用壽命，進(jìn)而合理地降低生產(chǎn)成本。本文基于對(duì)薄板加工應(yīng)用宏程序進(jìn)行編程，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)構(gòu)架薄板類坡口加工選擇合理的編程方法和銑削參數(shù)，有一定的指導(dǎo)意義。

圖1　軌道客車構(gòu)架

1. 薄板類坡口銑削加工的影響因素

構(gòu)架薄板類板材的材質(zhì)均為Q345中碳鋼鋼板，采用火焰或激光切割成型，通常情況下的成型不需要留量，只在相互焊接的連接處根據(jù)產(chǎn)品特性加工出不同角度的焊接坡口；只有形狀復(fù)雜的個(gè)別件在火焰切割下料時(shí)需要留量3mm左右，先加工周邊后加工坡口，所以大多數(shù)薄板都是沒有留量只加工坡口。由于下料時(shí)周邊出現(xiàn)局部硬化，使得表層的硬度要比普通Q345的硬度高，硬度越高，銑削力就越大，這樣在加工坡口過程中，編程方法及銑削參數(shù)的選擇就有了一定的難度。

目前要提高薄板類坡口銑削加工的效率，同時(shí)還要保證產(chǎn)品質(zhì)量，就得從加工設(shè)備、刀具及編程加工方法上找影響銑削參數(shù)的原因。

2. 數(shù)控銑削編程方法

編程方法主要有手工編程和軟件編程兩種，手工編程比較簡(jiǎn)單，很容易掌握，適應(yīng)性較大，編制程序的質(zhì)量與數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控加工工藝及編程人員多方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)息息相關(guān)。宏程序不僅是一種數(shù)控編程的手段，更重要的是，使用宏程序進(jìn)行編程的本身也是一個(gè)熟知數(shù)控系統(tǒng)功能、優(yōu)化及確定加工工藝的過程。因此，能夠熟練應(yīng)用宏程序進(jìn)行編程的人員，必須具有扎實(shí)的數(shù)控加工工藝知識(shí)；在加工有規(guī)律的產(chǎn)品時(shí)，無論是加工速度還是加工精度，宏程序都比自動(dòng)編程效果好，也比自動(dòng)編程軟件編程精練，修改方便。應(yīng)用宏程序編程對(duì)于加工薄板坡口更為方便、靈活且效率高，既能實(shí)現(xiàn)相同加工的子程序調(diào)用，又能實(shí)現(xiàn)一些子程序無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。

在這里列舉了軌道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架類薄板坡口加工采用宏程序編程的例子，根據(jù)薄板的材質(zhì)、厚度、圖樣要求的角度、刀具以及加工設(shè)備功率等參數(shù)的限制，銑削需要多次下刀加工。圖2a為起始加工，圖2b為最后一次下刀后的加工，中間多次下刀加工通過應(yīng)用宏程序定義的增量來定義下刀的次數(shù)，圖2c為每次進(jìn)給的參數(shù)，即主軸每次下刀移動(dòng)的參數(shù)R7和R8，很方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多次銑削過程（見圖2）。

圖2中，R1為板厚；R2為頓邊；R3為角度；R7為瞬時(shí)深度，R7=-（R5×R6）；R8為瞬時(shí)寬度，R8= R7×tan（R3）。

25G型客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)立板坡口加工程序如下（見圖3）。

O001

M6T1D1 M3 S1000

R1=14

R2=1.5

R3=50

R4=（R1-R2）×tan（R3） %坡口深度

R5=3%每次下刀深度

R6=1%變量

R7=-（R5×R6） %瞬時(shí)深度

R8=R7×tan（R3） %瞬時(shí)寬度

AA:

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=R7

G1G41X=1646.5OFFN=-（R4-R8）F400

X=-1646.5Y0

Y104RND=50

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

Y0

X=-1646.5-100

G40

R6= R6+1

R7=R5×R6

R8=R7×tan（R3）

IF R7≤（R1-R2）GOTO AA

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=-R1+R2

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

Y0

X-1646.5-100

G0Z300

M5M9

M2

圖2　銑削刀具示意圖

圖3　25G型客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)立板

3. 加工參數(shù)的選擇

研究不同銑削條件下所產(chǎn)生的銑削力，為合理地選擇銑削參數(shù)中的銑削速度、銑削深度及進(jìn)給量，改善加工表面質(zhì)量，優(yōu)化加工工藝等方面提供參考。選擇銑削參數(shù)首先要分析銑削力，對(duì)銑削力的研究，能進(jìn)一步弄清銑削機(jī)理，計(jì)算功率消耗，結(jié)合刀具、設(shè)備及夾具制定合理的銑削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，具有非常重要的意義。金屬銑削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱為銑削力。銑削力來源于克服被加工材料的彈性變形抗力、塑性變形抗力以及克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。

對(duì)于薄板類坡口加工，除了合理的布局裝夾和編程外，銑削參數(shù)選擇顯得尤為重要。銑削過程中銑刀的選擇受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、夾具、產(chǎn)品材質(zhì)以及設(shè)備等諸多因素共同影響，這些均要考慮，選定了刀具和加工方法，就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定相應(yīng)的最優(yōu)銑削參數(shù)值。

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品材質(zhì)以及設(shè)備功率等諸多因素來選擇銑削線速度vc和每齒進(jìn)給量fz，依次通過計(jì)算以下各個(gè)參數(shù)值，確定銑削加工的各個(gè)參數(shù)。

主軸轉(zhuǎn)速

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）；vc為銑削線速度（m/m i n）；d0為實(shí)際銑削深處的銑削直徑（mm）。

銑削力

式中，F(xiàn)c為銑削力（N）；cp為銑削速度對(duì)銑削力影響系數(shù)；fz為每齒進(jìn)給量（mm/z）；ap為銑削深度（mm）；ae為銑削寬度（mm）；z為有效齒數(shù)；K為刀具前角對(duì)銑削力影響系數(shù)；K1為工件材料對(duì)銑削力影響系數(shù)。

進(jìn)給速度

式中，vf為進(jìn)給速度（mm/min）；ap為銑削深度（mm）；n是主軸轉(zhuǎn)速（r/m i n）；z為有效齒數(shù)。

凈功率

式中，Pc為凈功率（kW）；vc為銑削線速度。

轉(zhuǎn)矩

式中，Mc為轉(zhuǎn)矩（N·m）；n為主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

選擇銑削刀具可以參考不同刀具的參數(shù)范圍并結(jié)合加工特性來選擇銑削的線速度、進(jìn)給量和吃刀量，通過查表來帶入公式計(jì)算各個(gè)參數(shù)值，為選擇銑削加工參數(shù)值提供參考依據(jù)。

表1　銑削線速度對(duì)銑削力影響系數(shù)cp

表2　刀具前角對(duì)銑削力影響系數(shù)K

表3　工件材料對(duì)銑削力影響系數(shù)K1

4. 設(shè)備特性

數(shù)控設(shè)備的合理利用主要受加工參數(shù)的影響，加工參數(shù)的選擇不僅可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還可以延長(zhǎng)機(jī)床的使用壽命，提高設(shè)備的加工效率。反之，若加工參數(shù)選擇不合理就可能出現(xiàn)斷續(xù)銑削，進(jìn)而造成強(qiáng)迫振動(dòng)或再生效應(yīng)產(chǎn)生的顫振等現(xiàn)象，對(duì)加工的產(chǎn)品質(zhì)量、刀具使用壽命、機(jī)床固有精度及使用周期產(chǎn)生較大影響。銑削加工過程中，因銑削面積隨著刀具的移動(dòng)而變化，會(huì)引起銑削力及力矩也發(fā)生變化，尤其是當(dāng)同時(shí)參加銑削的刀齒數(shù)量越少時(shí)，銑削力和銑削力矩的變化就越大，甚至?xí)鸸に囅到y(tǒng)的受力變形、振動(dòng)和沖擊。這些都會(huì)導(dǎo)致加工精度、表面質(zhì)量、機(jī)床壽命和刀具壽命下降。所以，設(shè)備的銑削特性既要考慮提高生產(chǎn)效率，又要考慮保護(hù)設(shè)備和刀具，降低設(shè)備的維修周期和提升刀具使用壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出設(shè)備的瞬時(shí)加工功率和轉(zhuǎn)矩，通常不能同時(shí)超過最高值的30%，而對(duì)于特殊高精密設(shè)備，這些計(jì)算值最好低于最高值的20%。

5. 結(jié)語

通過應(yīng)用宏程序編制25G型客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)立板坡口的加工程序，為手工數(shù)控編程方法提出了新的發(fā)展方向。

結(jié)合設(shè)備、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等因素提出了合理選擇銑削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，為數(shù)控銑削加工參數(shù)的選擇提供了參考方法。

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收稿日期：（20141026）