鋁合金車體工件加工變形控制方法及應(yīng)用研究 總結(jié)：

摘要: 鋁合金零部件的加工精度直接關(guān)系到車體部件裝配質(zhì)量。為降低鋁合金車體工件在加工過程中的變形，從型材變形、焊接變形、撓度變形和加工條件引起的變形等方面對車體零部件的變形種類和原因進(jìn)行了闡述。在此基礎(chǔ)上，提出了控制加工變形的工藝措施，即誤差補(bǔ)償、改善裝夾方式、試切法和合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對變形控制方法進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果表明本文所提出的控制方法可以有效地減小加工變形，為解決鋁合金零件加工變形問題提供參考。

綱要：

1. 引言隨著軌道交通行業(yè)向著輕量化和高速化的方向發(fā)展，高速列車車體的制造要求也越來越高 [1]。鋁合金結(jié)構(gòu)具備重量較輕、比強(qiáng)度高，可加工性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于列車車體制造 [2]。同時(shí)，由于鋁合金材料導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)大，在機(jī)械加工中更容易出現(xiàn)加工變形問題。中間車車體主要由車頂、側(cè)墻、底架和端墻等大部件構(gòu)成 [4]，部件結(jié)構(gòu)為大型中空擠壓鋁合金型材。Figure 2. Composition of aluminum alloy car body [4]圖2. 鋁合金車體組成 [4]車體結(jié)構(gòu)件具有縱向尺寸大、壁薄多腔、截面復(fù)雜、表面曲率變化大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致了其在工藝上具有加工內(nèi)容多、相鄰加工內(nèi)容距離遠(yuǎn)、裝夾難度大且易產(chǎn)生裝夾變形等工藝特點(diǎn)。3.2. 焊接變形在高速列車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，底架地板、側(cè)墻、車頂?shù)却蟛考怯啥鄩K長直型材搭接拼焊而成，然后由加工中心對局部特征進(jìn)行機(jī)械加工。如圖3所示，地板型材拼焊后出現(xiàn)上撓的撓曲變形，需要在后續(xù)加工工序中進(jìn)行誤差補(bǔ)償。Figure 6. Schematic diagram of multiple milling of side wall window圖6. 側(cè)墻窗口多次銑削示意圖4.4. 合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)對于由于切削力、切削熱引起的變形，可以通過正確選擇和設(shè)計(jì)刀具參數(shù)以及合理安排加工順序來完成 [8]。精銑時(shí)，要求刃口鋒利，減輕后刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，后角應(yīng)選擇大一些。2) 針對不同的變形缺陷及原因提出了可提高和保證零件加工精度的控制措施，主要為誤差補(bǔ)償、改善裝夾方式、試切法和合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)等。

內(nèi)容：

1. 引言

隨著軌道交通行業(yè)向著輕量化和高速化的方向發(fā)展，高速列車車體的制造要求也越來越高 [1]

鋁合金結(jié)構(gòu)具備重量較輕、比強(qiáng)度高，可加工性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于列車車體制造 [2]

在車體結(jié)構(gòu)加工過程中，車體型材、焊接、加工工藝等方面的缺陷會直接影響到加工精度和效率 [3]

同時(shí)，由于鋁合金材料導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)大，在機(jī)械加工中更容易出現(xiàn)加工變形問題

為此，本文分析了鋁合金工件加工變形產(chǎn)生原因及影響因素，并針對鋁合金車體在機(jī)械加工過程中如何控制加工變形和提高加工精度進(jìn)行分析研究，

圖1為主要研究內(nèi)容及研究思路



Figure 1. Main research content and research ideas

圖1. 主要研究內(nèi)容及研究思路2. 車體結(jié)構(gòu)件加工工藝特點(diǎn)分析

圖2為高速列車鋁合金車體的主體結(jié)構(gòu)組成示意

圖

中間車車體主要由車頂、側(cè)墻、底架和端墻等大部件構(gòu)成 [4]，部件結(jié)構(gòu)為大型中空擠壓鋁合金型材

鋁合金型材截面形狀多樣、壁厚相差較大、長度一般在20 m以上，通過多塊型材拼焊形成整體承載結(jié)構(gòu)

特殊的結(jié)構(gòu)對型材的成型質(zhì)量提出了較高的要求

由于部件的尺寸精度直接影響裝配質(zhì)量，也對由型材構(gòu)成的零部件的加工精度有更高的要求



Figure 2. Composition of aluminum alloy car body [4]

圖2. 鋁合金車體組成 [4]車體結(jié)構(gòu)件具有縱向尺寸大、壁薄多腔、截面復(fù)雜、表面曲率變化大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致了其在工藝上具有加工內(nèi)容多、相鄰加工內(nèi)容距離遠(yuǎn)、裝夾難度大且易產(chǎn)生裝夾變形等工藝特點(diǎn)

3. 變形種類及原因分析車體型材自身的變形缺陷、多塊型材拼接焊接產(chǎn)生的變形、產(chǎn)品技術(shù)要求的撓度變形和加工條件引起的變形都會對鋁合金部件的加工精度產(chǎn)生影響，本文從這四個方面對影響加工變形的因素進(jìn)行探究

3.1. 型材變形缺陷型材的形狀尺寸缺陷直接影響到后續(xù)的機(jī)械加工精度

形狀尺寸缺陷主要包括尺寸不滿足要求、平面度、直線度和輪廓度等指標(biāo)不滿足要求

在列車型材的加工作業(yè)內(nèi)容中，不同的零部件對形狀尺寸的要求不同

在底架邊梁和車頂邊梁的加工作業(yè)中，需要關(guān)注型材直線度是否達(dá)標(biāo)；在地板、車頂板和側(cè)墻的加工作業(yè)中，主要考慮型材的平面度和輪廓度

3.2. 焊接變形在高速列車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，底架地板、側(cè)墻、車頂?shù)却蟛考怯啥鄩K長直型材搭接拼焊而成，然后由加工中心對局部特征進(jìn)行機(jī)械加工

在焊接過程中，熱輸入量大、焊縫長度長且數(shù)量較多，加之鋁合金線膨脹系數(shù)高，因此會產(chǎn)生一定的焊接變形，會直接影響大部件局部特征的位置精度和尺寸精度

如

圖3所示，地板型材拼焊后出現(xiàn)上撓的撓曲變形，需要在后續(xù)加工工序中進(jìn)行誤差補(bǔ)償



Figure 3. Schematic diagram of welding deformation error

圖3. 焊接變形誤差示意

圖3.3. 預(yù)置撓度變形由于車體后續(xù)要進(jìn)行內(nèi)外飾的安裝以及在正式運(yùn)營中乘員對底架中部的載荷作用，會導(dǎo)致車體產(chǎn)生下?lián)系淖冃?，因此對車體采用預(yù)置撓度的方式解決此問題

側(cè)墻和地板需要進(jìn)行預(yù)置撓度，對于后續(xù)的機(jī)械加工精度有很大的影響，與焊接變形處理方法相同，需要在加工前進(jìn)行誤差補(bǔ)償

如

圖4所示，為配合底架預(yù)置撓度，側(cè)墻組成在組焊時(shí)也會預(yù)置一個撓度，最終加工成型的窗口輪廓與側(cè)墻輪廓相匹配



Figure 4. Preset deflection deformation of side wall

圖4. 側(cè)墻預(yù)置撓度變形3.4. 加工條件引起的變形導(dǎo)致鋁合金在加工的過程中出現(xiàn)變形的因素有很多，主要包括有機(jī)床、夾具、刀具、切削參數(shù)以及切削工藝 [5] [6] [7]

機(jī)床的影響主要有定位的精度；工裝夾具的位置、尺寸和夾緊力也會給鋁合金材料的加工帶來影響，如果尺寸及夾緊力不合理的話，將會導(dǎo)致加工變形現(xiàn)象的發(fā)生

刀具參數(shù)、加工順序和加工量直接影響工件的加工變形程度

4. 變形控制措施4.1. 誤差補(bǔ)償關(guān)于鋁合金型材因焊接變形和預(yù)設(shè)撓度導(dǎo)致的加工精度較低的問題，一般有兩種控制措施，分別為多次對刀和探頭測量進(jìn)行誤差補(bǔ)償

對于有探頭測量的設(shè)備，根據(jù)加工內(nèi)容使用探頭進(jìn)行工件表面輪廓度的測量，將測得的數(shù)據(jù)反饋至機(jī)床的主機(jī)，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而保證加工精度

對于無法使用探頭測量的設(shè)備，一般采用多次對刀的方法減小因工件變形帶來的影響

本文將誤差補(bǔ)償法應(yīng)用至動車組車體零件加工中，對其在提高加工精度方面進(jìn)行了研究

1) 多次對刀誤差補(bǔ)償：在緩沖梁加工中，需要在緩沖梁的三個面進(jìn)行加工，采用多次對刀法進(jìn)行三次定位夾緊，在每一次定位夾緊工步中均進(jìn)行了對刀操作，以此提高加工精度

在底架邊梁長直型材的加工中，為保證加工精度，根據(jù)長度方向上滑槽開口等特征的分布情況，進(jìn)行分段作業(yè)并在每個區(qū)域均進(jìn)行多次對刀

通過應(yīng)用多次對刀進(jìn)行誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)邊梁滑槽尺寸偏移量由4 mm減小至0.5 mm，避免了過切和加工深度不足的問題

2) 探頭測量誤差補(bǔ)償：將帶探頭測量設(shè)備應(yīng)用至車體大部件的加工中，以此對焊接變形和預(yù)制撓度變形進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高加工精度

在組焊地板加工中，由于焊接變形導(dǎo)致兩側(cè)地板翹起，最大變形量為3 mm，為滿足地板孔、槽等特征的加工內(nèi)容，采用探頭進(jìn)行變形測量后進(jìn)行誤差補(bǔ)償，極大提高了地板的加工精度

在對有預(yù)制撓度變形的側(cè)墻大部件加工作業(yè)中，使用帶探頭測量設(shè)備進(jìn)行加工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償撓度變形量17 mm，使得加工成型的窗口輪廓與側(cè)墻輪廓相匹配，有效避免了因預(yù)制撓度變形導(dǎo)致加工尺寸偏移問題

4.2. 改善裝夾方式對于由于夾緊力引起的加工變形，可以通過改變裝夾方式進(jìn)行改善

對薄壁薄板工件進(jìn)行加工時(shí)，選用真空吸盤進(jìn)行裝夾，以獲得分布均勻的夾緊力，再以較小的切削用量來加工，可以很好地防止工件變形

如

圖5所示，在車體緩沖梁加工中，為增加工件的工藝剛性，在工件內(nèi)部添加支撐，以減少裝夾和切削過程中工件的變形

表1

	未加剛性支撐/mm	施加剛性支撐/mm	設(shè)計(jì)值/mm
加工尺寸	194	199	200

為緩沖梁裝夾方式改善前后加工變形對比

可以看出，未加剛性支撐時(shí)，由于工件壁厚較小，剛度較小，導(dǎo)致在切削及銑削過程中產(chǎn)生較大加工變形，尺寸減小了6 mm，而通過內(nèi)部加剛性支撐改善裝夾方式，使得工件剛度提高，加工變形較小，尺寸僅減小了1 mm，有效提高了工件的加工精度和質(zhì)量



Figure 5. Internal support of buffer beam

圖5. 緩沖梁內(nèi)部支撐

Table 1. Comparison of processing deformation before and after the improvement of the buffer beam clamping method表1

	未加剛性支撐/mm	施加剛性支撐/mm	設(shè)計(jì)值/mm
加工尺寸	194	199	200

. 緩沖梁裝夾方式改善前后加工變形對比4.3. 試切法試切法是針對需加工的零部件采用多次逐步切削，直至滿足加工要求的一種方法

部分車體零部件的某些部位加工精度要求高，不易加工，而且由于存在變形缺陷更增加了加工難度

針對這類情況，僅僅依靠工裝和正常加工方法無法保證加工精度，采用試切法可以較好地解決這類問題

如

圖6所示，在加工窗口等類似部位時(shí)，不采用一次下刀加工至要求位置，而是分多次進(jìn)刀切削，即漸進(jìn)式的逼近要求的加工位置，直到完成最終的加工

Figure 6. Schematic diagram of multiple milling of side wall window

圖6. 側(cè)墻窗口多次銑削示意

圖4.4. 合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)對于由于切削力、切削熱引起的變形，可以通過正確選擇和設(shè)計(jì)刀具參數(shù)以及合理安排加工順序來完成 [8]

合理選擇刀具幾何參數(shù)，前角適當(dāng)選擇大一些，可以減少切削變形，使排屑順利，進(jìn)而降低切削力和切削溫度

粗銑時(shí)，由于進(jìn)給量大，切削負(fù)荷重，發(fā)熱量大，要求刀具散熱條件好，因此，后角應(yīng)選擇小一些

精銑時(shí)，要求刃口鋒利，減輕后刀面與加工表面的摩擦，減小彈性變形，因此，后角應(yīng)選擇大一些

同時(shí)，也可以通過合理安排加工工序來實(shí)現(xiàn)，采用粗加工–半精加工–精加工的加工工序，采用對稱加工和分層多次加工等方法可以減小加工變形

5. 結(jié)論

1) 本文對軌道交通車輛鋁合金車體零部件加工變形的種類進(jìn)行了總結(jié)并對變形原因進(jìn)行了分析，主要為車體型材自身的變形缺陷、多塊型材拼接焊接產(chǎn)生的變形、產(chǎn)品技術(shù)要求的撓度變形和加工條件引起的變形等

2) 針對不同的變形缺陷及原因提出了可提高和保證零件加工精度的控制措施，主要為誤差補(bǔ)償、改善裝夾方式、試切法和合理設(shè)計(jì)切削參數(shù)等

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對多種加工變形控制措施及方法進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果表明本文所提出的控制方法可以有效地減小加工變形，保證零部件的加工精度

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