鮑洪陽 朱藝海 殷金龍

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長春//高級工程師)

高速動車組的車體鋁結(jié)構(gòu)采用鋁合金型材組對焊接而成，鋁結(jié)構(gòu)大部件包含底架、側(cè)墻及車頂?shù)?。其中，?cè)墻位于車廂兩側(cè)，是車體的核心部件之一。根據(jù)整車撓度的技術(shù)要求，需在側(cè)墻組焊時預(yù)制撓度，焊接合成后再加工窗口、門口等關(guān)鍵裝配部件。帶預(yù)制撓度側(cè)墻(見圖1)的加工工藝是動車組鋁結(jié)構(gòu)制造技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)，其加工工時在整個大部件加工總工時中的占比超過30%;且用于側(cè)墻加工的引進(jìn)設(shè)備昂貴，僅單臺機床的價格就需約2 000萬元人民幣。因此，開發(fā)一套既能準(zhǔn)確補償撓度變化，又能快速有效完成加工過程的側(cè)墻的加工工藝是全面提升鋁結(jié)構(gòu)大部件加工能力的關(guān)鍵。

圖1 帶預(yù)制撓度側(cè)墻示意圖

大幅提高加工效率意味著設(shè)備和場地投入的相對減少，同時用于設(shè)備操作與維護(hù)的人力資源及物資投入都將減少，從而將從根本上實現(xiàn)制造成本的降低。

1 高速動車組側(cè)墻加工夾具的設(shè)計

1.1 夾具的定位與夾緊設(shè)計

夾具設(shè)計如圖2所示。側(cè)墻加工時大切削量集中于門口和窗口，其加工量通常是邊梁類零件的3倍；且窗口之間的加工位置較近，如果在零件上方設(shè)壓緊位置，則不利于加工時機床主軸的避讓，機床運動時易發(fā)生干涉，所以采用上表面不設(shè)夾緊的方式進(jìn)行裝夾。其中，夾緊方式通過靠近地板一側(cè)設(shè)定位塊、靠近車頂一側(cè)設(shè)雙銷定位螺桿的方式實現(xiàn)，并利用夾緊力的向下分力鎖定零件。

圖2 夾具設(shè)計示意圖

1.2 夾具的模塊化設(shè)計

夾具的模塊化設(shè)計如圖3所示。圖3中，將定位模塊、支撐模塊及壓緊模塊獨立。該設(shè)計在項目及產(chǎn)能變更時可體現(xiàn)巨大的成本優(yōu)勢。

圖3 夾具的模塊化設(shè)計

1) 支撐梁。支撐梁下部與移動橫梁通過T型螺栓連接，上設(shè)一排銷連接孔。

2) 定位模塊。通過調(diào)整定位模塊的厚度，可柔性地解決側(cè)墻加工時需要帶預(yù)制撓度的問題。

3) 支撐模塊。支撐模塊可設(shè)計成與工件隨型的樣式，使支撐效果更好。通過雙銷定位的方式與支撐梁進(jìn)行連接，可快速實現(xiàn)互換與配合。

4) 壓緊模塊。采用螺旋壓緊方式，利用向下和向右的分力實現(xiàn)對工件的固定。

1.3 夾具的撓度設(shè)計

圖3中，根據(jù)撓度值及支撐梁的間距確定定位模塊2的厚度。定位模塊的厚度可按照以下步驟確定：

1) 在AUTOCAD軟件中繪制一條與車長等長度的水平線段；

2) 在已繪制線段中點處的垂直方向畫一條高度為已知撓度的線段；

3) 根據(jù)三點圓的方式繪制一段圓??；

4) 根據(jù)支撐橫梁分布的位置等分步驟1)中的線段；

5) 繪制等分點到步驟3)中圓弧的豎直線段；

6) 測量步驟5)中所繪制線段的長度，該長度即為定位模塊間的相對厚度差，由此可得到所有不同定位模塊的厚度。

2 側(cè)墻預(yù)制撓度加工工藝設(shè)計

2.1 撓度測量計算

窗口撓度補償如圖4所示。側(cè)墻的撓度無法在設(shè)計圖紙中體現(xiàn)，因此需要在機械加工工藝程序中利用數(shù)學(xué)模型計算側(cè)墻上任意一點的撓度補償值。鑒于車體制造過程中允許撓度存在偏差，因此程序開發(fā)的關(guān)鍵是將理論補償與實際探測相結(jié)合，以實現(xiàn)窗口的精確加工。每個窗口沿Y向設(shè)置3個測點，分別記為A(Xa，Ya)、B(Xb，Yb)、C(Xc，Yc)，則窗口中心的實際坐標(biāo)為(Xb，Yb-D/2)，窗口旋轉(zhuǎn)角度α為arctan((Ya-Yc)/L)。

圖4 窗口撓度補償示意圖

2.2 窗口深度測量計算

窗口區(qū)域由3塊型材組焊，中間兩道焊縫為主要變形區(qū)域。窗口深度測點共8個，基中，位于窗口兩側(cè)的測點各3個，位于窗口中間，如圖5所示為2個。

圖5 窗口深度補償示意圖

采用測量補償工藝檢測窗口變形誤差,分別將窗口的長度、寬度及中心定位尺寸參數(shù)化；根據(jù)已建立的空間坐標(biāo)系，利用機床本身的三坐標(biāo)測量功能，設(shè)置Z向8個測點、Y向3個測點。窗口加工時Z向測量值可作為深度補償值，利用Y向測量值結(jié)合由撓度模型算得的撓度理論值，獲得窗口的實際撓度和實際旋轉(zhuǎn)角度，將所有數(shù)據(jù)存入機床自定義的變量中，以供加工程序使用。

3 主要加工刀具

優(yōu)化側(cè)墻加工刀具，將刀具由φ32 mm增加到φ72 mm，將切入、切出方式由鉆銑改為坡銑，僅需一次進(jìn)刀，即可將側(cè)墻上的窗口加工到位，從而形成大刀開孔、小刀下料的窗口加工工藝。圖6為可轉(zhuǎn)位式立銑刀。

圖6 可轉(zhuǎn)位式立銑刀

1) 將底刃的柳葉式刀片改變?yōu)閳A片，由原來的2次轉(zhuǎn)位增加到6次轉(zhuǎn)位，提高刀片壽命。

2) 側(cè)刃刀片的排列結(jié)構(gòu)由階梯式改為直線式，解決了階梯連接處在加工時對型材擠壓所產(chǎn)生的表面加工波紋，提高表面加工質(zhì)量；直線式刀片排列方式更直接增大銑刀體的排屑槽，使加工所產(chǎn)生的鋁屑更容易排出，及時帶走切削熱。

3) 特殊的中空式銑刀體?？梢詢Υ嫫裸姇r軸向所產(chǎn)生的鋁屑，避免軸向進(jìn)給時銑刀底部產(chǎn)生積屑瘤，從而克服了大直徑銑刀無法實現(xiàn)鉆銑的弱點。利用坡銑的特點，可實現(xiàn)銑刀在徑向上的螺旋進(jìn)給，實現(xiàn)φ110 mm以上的方孔、圓孔的任意銑削，加工范圍更廣。

4 側(cè)墻加工工藝

側(cè)墻加工主要包括滑槽、門口、窗口、新風(fēng)口、定位孔、絲套孔等的加工，主要加工工藝及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 側(cè)墻加工主要步驟及工藝參數(shù)

5 窗口加工數(shù)控程序設(shè)計

設(shè)計窗口加工的主程序控制位置以及子程序控制機床運動的模塊化程序。主要流程如下：

1) 調(diào)用加工窗口銑刀，定義初始數(shù)據(jù)(如安全高度等)。

2) 建立零件坐標(biāo)系(以零件的x方向中心為x0，最左邊或最右邊的窗口橫向中心為y0，零件上表面為z0)。

3) 定義窗口形狀尺寸參數(shù)：長度a，寬度w，圓角r。

4) 將窗口編號n=1,2,3，…，n，輸入第1個待加工窗口的編號n=1，以及該窗口中心在x方向的位置。

5) 進(jìn)入窗口加工的子程序流程：①平移零件坐標(biāo)系至第n個窗口中心。②旋轉(zhuǎn)平移后的坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角度為α。③采用直線插補和圓弧插補的方式加工該窗口，采用順銑的方式加工；機床運動采用三坐標(biāo)聯(lián)動的方式，每個點的坐標(biāo)值都用a、w、MP(n，m)(m=1,2,3,…，6)來表示。

6) 輸入下一個待加工窗口的編號和該窗口中心在x方向的位置尺寸，調(diào)用子程序流程，依次編寫每一個窗口的編號和窗口中心在x方向的位置尺寸，即可完成加工程序的編寫。若個別窗口的形狀發(fā)生變化，可單獨對有變化的窗口重新定義a、w、r等。

窗口加工數(shù)據(jù)程序中的主程序同樣適用于測量程序，測量程序的子程序只需將所要測量的點分別用a、w表示，將測量和計算的結(jié)果分別用存儲在自變量地址MP(n,1)—MP(n,11)中。

6 側(cè)墻加工程序仿真驗證

利用VERICUT數(shù)控加工仿真軟件，通過建立NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、切削刀具模塊、毛坯模塊、夾具模塊、加工坐標(biāo)系等建立加工仿真6要素，仿真?zhèn)葔Φ臄?shù)控加工過程。該程序可進(jìn)行NC程序優(yōu)化、縮短加工時間、查找過切和欠切，防止機床碰撞和超行程等錯誤。建立的側(cè)墻加工三維仿真環(huán)境模型如圖7所示。加工程序零點為車體中心。

圖7 側(cè)墻加工三維仿真模型

圖8為門口與新風(fēng)口加工模型。門口長邊沿A軸豎直加工，切深方向采用Y、Z聯(lián)動，門上方將A軸轉(zhuǎn)角與門口上沿平行，采用“3+2”定軸方式加工；新風(fēng)口沿刀具徑向加工，采用4～5刀將全部材料去除，先加工內(nèi)側(cè)深孔，再加工外側(cè)淺孔。整個型材切深方向只用兩次，可避免行腔內(nèi)立筋因切削受力而產(chǎn)生彎曲變形。

圖8 門口與新風(fēng)口刀路驗證

圖9為窗口測量路徑仿真模型。沿圖9中Z向測量窗口深度，沿Y向測量窗口定位，同時計算窗口旋轉(zhuǎn)角度。

圖9 窗口測量路徑仿真模型

坡銑加工仿真模型如圖10所示。先加工窗口內(nèi)側(cè)淺孔，使用φ72 mm銑刀坡銑進(jìn)刀，坡銑長度350 mm，深度44.5 mm，進(jìn)給量為500 mm/min。采用順銑方式一次將窗口內(nèi)側(cè)尺寸全部加工到位，在XY平面上窗口旋轉(zhuǎn)角度 坐標(biāo)系中沿α角進(jìn)行補償，窗口深度沿Z向逐點進(jìn)行補償，三軸聯(lián)動加工，側(cè)銑進(jìn)給量為2 500 mm/min。

圖10 坡銑加工仿真模型

窗口下料加工路徑仿真模型如圖11所示。使用φ32 mm銑刀鉆銑進(jìn)刀，沿φ72 mm刀路已加工的刀槽加工窗口外側(cè)，采用下料加工一次將窗口外側(cè)加工到位。

圖11 窗口下料加工路徑仿真模型

7 結(jié)語

夾具的優(yōu)化設(shè)計方案使機床在工件表面上方自由運動無需避讓，機床空運行時間減少40%；模塊化設(shè)計使多個動車組平臺項目實現(xiàn)了混合共線生產(chǎn)，模塊共用率達(dá)到90%以上；理論撓度補償模型的建立實現(xiàn)了對窗口加工實際位置的預(yù)判，以及實現(xiàn)了側(cè)墻窗口的精準(zhǔn)加工；模塊化、參數(shù)化數(shù)控加工程序使編程更加簡易，當(dāng)窗口位置、大小發(fā)生工程變更時，只需更新個別參數(shù)即可實現(xiàn)程序準(zhǔn)確快速升級；優(yōu)化窗口加工刀具使厚壁型材加工時進(jìn)刀量更大、效率更高、加工表面質(zhì)量更好；數(shù)控仿真驗證了數(shù)控程序的正確性，能合理評估加工工藝、減少加工試切的成本、縮短產(chǎn)品的生成周期，并能提早發(fā)現(xiàn)機床的干涉情況，保證工件以及設(shè)備的安全。