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城軌車體薄壁鋁合金型材加工工藝

2013-5-6 來源：株洲電力機車有限公司作者：王雪芳彭博

目前城軌鋁合金車體采用了許多鋁合金蜂窩型材，各種不同截面的型材通過加工、焊接形成整個車體承載結構，這些型材都是車體結構的承載梁。

　　型材加工是車體制造工藝過程中的首道工序，加工的型材工件長大，加工量大，加工時間長，需用超大型加工設備。因此型材加工往往是車體生產組織過程中的瓶頸。研究型材加工工藝技術，解決型材加工的難點問題，對保證型材加工質量，避免不必要的損失，提高生產效率具有很重要的意義。

　　1. 型材加工工藝難點

　　幾種典型的型材斷面圖如圖1所示，型材長度與車體一般等長，一般為19～22m。單個筋板壁厚一般為3～2.5mm，因此剛性小，通長范圍內扭曲、彎曲變形大，裝夾困難，加工時振動大，因此極易銑傷，造成產品質量不合格甚至報廢。鋁合金車體型材加工工藝難點主要有兩個方面：一是如何設計合理的工裝并合理布置；二是如何解決單個薄壁筋板的加工。

　　2. 工裝設計及布置

　　與一般小零件銑加工采用通用的機用虎鉗或壓板等夾具不同，邊梁和頂蓋邊梁A型車長22m，B型車也有19m，空調支撐梁一般長度在4m多，加工時除需要大型的加工設備外還必須設計專用工裝來安裝固定。

　　工裝設計關鍵是加工工位以及工件、工裝的基準確定。為了減少裝夾次數，保證加工精度及效率，工件的裝夾次數一定要越少越好。一般邊梁和頂蓋邊梁為兩個工位，這兩個工位的選取不能僅考慮加工的方便，還必須考慮工位之間的轉換方便。

　　工裝基準要解決兩個問題，一是工件的安裝基準，二是工裝在設備上的基準。

　　圖2為某種車型的邊梁加工工裝，邊梁加工采用水平加工位置，分正、反兩次裝夾完成。正裝工位選擇面積比較大，同時又將處于水平位置的邊梁內側面作為安裝基準（Z向），上部頂點作為Y向定位，夾緊點選擇強度比較高的筋板結合部。

　　反裝工位選擇邊梁外表面作為安裝基準（Z向），邊梁底面作為Y向定位，夾緊點選擇靠近加工區(qū)的位置，以保證加工時充分夾緊工件，減少振動。受設備Z向行程的限制，工裝不能太高，因此夾緊臂設計成彎曲臂，壓塊設計成U形，分別壓在兩塊筋板上。邊梁總長22m，鋁合金型材比較軟，容易變形，同時筋板薄，加工振動非常大，因此工裝采用單元模塊結構。整個邊梁采用15個兩種類型模塊組成，成直線布置在工作臺上，其中門框兩端各一個夾緊模塊，門框中間設一個支撐模塊。同時為了保證工件直線度，每個工裝模塊設計一個統一的安裝基準，采用定位鍵方式安裝在設備工作平臺上。

3. 薄壁筋板的加工

　　城軌車體鋁合金型材一般采用鋁硅鎂合金6005A擠壓成形，采用固溶強化并經過人工時效處理，極限強度達到255MPa以上。整體強度較高，比重輕，加工過程中經常出現單個筋板的加工（見圖3），這種加工因筋板壁厚小，一般為2～3mm，而且筋板位于蜂窩型材的中間，在筋板連接點被加工后，獨立的筋板剛性很低，此時加工振動非常大，常常伴隨出現筋板變形撕裂、刀片碎裂的問題，如何解決這個問題要從下列幾個方面考慮。

　　（1）刀具選擇鋁型材熔點低，加工時鋁屑在切削熱的作用下易粘接在刀具或工件表面，因此鋁型材加工采用高速銑削，一般機床轉速在8 000～10 000r/min，適當的進給量，小的徑向和軸向銑削深度。銑削時，大量的銑削熱被切屑帶走，因此，工件和刀具的表面溫度較低。但在高速加工范圍內，隨銑削速度的提高會加劇刀具的磨損。

　　鋁合金零件的高速加工對刀具有很高的要求，刀具在具有高性價比的同時還必須滿足高質量加工的需求，一般采用整體硬質合金刀具。為了滿足鋁型材粗加工和精加工的不同要求，刀具選型需要考慮以下幾個方面：平穩(wěn)的切削作用，良好的切屑形成，極高的材料去除率等。

　　我們通常使用山特維克可樂滿CoroMill刀具來加工鋁合金薄壁型材。首先這種刀片具有深的切削槽，降低了切削力，優(yōu)化了切屑形成和排除，使切屑飛出并遠離切削區(qū)和工件表面。這種槽形的刀與切屑接觸面更小，有更低的摩擦力和更平穩(wěn)的切削作用，能采用更大的切削深度。其次這種刀片表面經過優(yōu)化的噴砂和磨削處理，能承受鋁合金加工時的切削應力，有效防止鋁合金粘接在刀片上。

　　另外采用了鋸齒形接口組成iLock刀片座，定位準確，可以防止刀片出現任何的細微移動。鋸齒形接口的精度確保了切削刃在刀具中處于正確的位置，并使由刀片尺寸誤差引起的刀具的徑向跳動量減少1/2。

　　在刀柄形式的選擇上，由于我們的產品以中空型材居多，加工過程中容易產生振動，而且振動非常強烈，所以在加工中采用了側固式、Capto接口等形式的刀柄，避免了刀具脫落的危險。

　　（2）切削參數對壁厚為2.5mm，高度達50mm的單個筋板加工更為關鍵的是要合理選取加工參數，減少振動，保證軟筋板順利完整地加工完，同時兼顧效率。

　　當銑刀的切削刃切入工件時，猛然地撞擊會引起刀具的振動，最初誘發(fā)的刀具振動將改變后續(xù)的切屑厚度，隨后當切削力變化又反過來引起加工系統的振動加劇。切削力的方向和變動幅度在很大程度上決定了振動趨勢，如果不加以抑制，切削力的變化幅度就會增大，從而使切削后的表面粗糙度值增大，甚至導致切削刃和刀具損壞，此外還會對機床主軸產生不利影響。為此，必須在切削開始時就抑制切削力劇烈的變動從而抑制振動趨勢。除采用防振刀具外，合適的切削參數是抑制顫振的有效方法。逆銑時刀具切入工件時，切削厚度是從薄到厚的漸變過程，因此可以有效避免刀具對工件的猛烈撞擊，可以有效避免刀具及工件筋板的顫振。

　　實際應用表明，合理的加工參數要根據加工部位、裝夾情況、刀具情況等綜合考慮。加工鋁合金（EN AW-6005A-T6）中空型材通常銑削參數如附表所示。