地鐵轉向架構架橫梁下蓋板 制造技術優化
2020-7-3 來源：中車唐山機車車輛有限公司 作者：厲永澤
【摘要】: 針對彎形件二次機械加工的難題， 進行加工方案的優化，從余量分配、加工設備的 選擇、零件裝夾等方面進行改進。采用電磁吸盤 工裝來裝夾工件，不僅能夠保證零件的加工精度， 還能提高零件的裝夾速度，提升批量生產效率。
1．加工難點分析
轉向架的構架是列車承載和傳力的基體，也 是轉向架眾多部件連結的主體骨架，是一個受力 復雜的結構部件，它不僅承載車體上部所有裝備 的重量，而且承載并傳遞列車運行中產生的垂向、 縱向和橫向 3 個不同方向和大小的動作用力，因 此構架必須具備足夠的強度和剛度，所以其制造 要求非常嚴格。
圖1 轉向架橫梁下蓋板三維圖
地鐵轉向架構架的橫梁下蓋板（見圖 1）作 為構架橫梁上的關鍵部件，其加工質量的好壞至 關重要。公司首次試制地鐵轉向架困難重重。為克服這些困難，前期安排一部分技術人員到相關 企業進行了學習。為確保下蓋板折彎精度，在試 制過程中工藝人員根據學習經驗，在此件下料時， 對兩個折彎處的 4 個位置進行了大面積地留量， 以防止在折彎過程中產生變形而導致報廢。在攻 克折彎這一難題的同時，又引入了板材機械加工 的新問題，將原來只需一次的加工調整成兩次， 即板材在折彎后還需二次加工去除下料留量。因 此，雖然克服了折彎難題，但同時又引入了二次 加工的難題。折彎的制造如圖 2 所示，其中 A、 B 兩處邊緣距折彎線（雙點劃線為折彎線）太近， 折彎后無法保證產品質量，需留量進行二次加工。
圖 2 轉向架橫梁下蓋板折彎示意圖
針對二次加工難題， 工藝人員進行了深入的 研究和探索，發現可借鑒的二次加工技術既廢工時又無法保證產品質量，且還要充分考慮公司新 引進的先進設備、工裝和工具等硬件。經過多次 試制現場調研，以及對橫梁下蓋板的一次加工和 二次加工圖的加工內容進行分析后，決定優化二 次加工技術，以提高該工件的產品質量和批量生 產效率。
2．優化前的技術準備
（1）設備選型 : 二次加工設備選用杭州友佳 精密機械有限公司生產的龍門加工中心，該設備 的數控操作系統是先進的 FANUC32i 系統，采 用三軸聯動控制加工，各軸配置交流伺服電動機， 具有直線插補、圓弧插補等插補功能 ; 另外， 操作系統顯示屏具有中文顯示功能，CNC 編程信息可自動、手動、點動和手輪控制功能，通過手輪實現 DRF 功圖 1 轉向架橫梁下蓋板三維圖 圖 2 轉向架橫梁下蓋板折彎示意圖能，可通過手動程序回基準點，程序、子程序可互為調用，可有異步子程序 ; 同時還具有間隙補償、絲杠螺距誤 差補償及測量系統誤差補償功能。
工 作 臺 上 有 槽 寬 22m m、 間 距 170mm 的 T 形槽， 主軸最大扭矩為 382N · m ， 最小輸 入單位 0.001mm，X、Y 軸快速位移為 12m/ min。 按 照 ISO 230-2-2006， 定 位 精 度 為 0.025mm，重復精度為 0.015mm。主軸功率為 18.5/15kW，主軸轉速為 4 000r/min，ISO50 主軸錐孔的錐度為 7:24，經過分析完全能滿足 該件折彎后的二次加工需求。
（2）加工工裝 : 選用購買新設備時配置的通 用的電磁吸盤工裝，代替學習經驗時配置的專用 加工工裝。專用工裝成本高，同時采用專用工裝 每加工一處就需要裝夾、找正一次，對于坡口處 還得先用棒銑刀銑端面，后用坡口刀加工坡口， 這樣一個工件共需要 4 次找正、裝夾和 4 次更換 刀具加工，很費工時。若選用通用的電磁吸盤工 裝，通過最優排序加工就可以減少大量的工時浪 費，同時還能大幅度提升產品質量。唯一的問題 就是電磁吸盤工裝吸附面積小，吸力能否滿足加 工使用要求還有待驗證。后來通過試制驗證，認 為電磁吸盤工裝的吸力能滿足加工方案要求，解決了二次加工技術關鍵的裝夾難題，為橫梁下蓋 板的批量制造奠定了堅實的基礎。
最終選取的吸盤為方形，磁盤通過 T 形螺栓、 壓板與工作臺固定連接，外形尺寸精度滿足 H8 級，可以對工件進行粗定位，吸緊力能保證機 夾坡口銑刀加工時夾緊穩定 ; 充磁、消磁快速方 便，每臺磁盤循環時間控制在 3s 之內， 剩磁率 符合國家相關標準 ; 控制簡單，充磁、消磁通過 按鈕在機床外完成 ; 該電磁吸盤能保證全天候在 切屑、灰塵和加工切削液的環境中可靠安全地工 作 ; 單個磁極吸緊力≥ 7 600N，可以承受 2kW 的加工功率，磁穿透深度為 12~18mm（視材料 而定），地鐵轉向架構架的橫梁下蓋板的板材厚 度為 16mm，能保證磁力穿透，滿足加工要求。
3．優化后的二次加工技術方案
對地鐵轉向架構架橫梁下蓋板的二次加工方 案進行優化，將專用的裝夾、找正工裝更換為通用的電磁吸盤工裝，不但能節約工裝制造成本， 而且裝夾、找正操作簡單、方便，效率更高，同 時通過優化一次和二次加工內容，以及優化二次 加工內容的次序，就能大幅度提高加工效率和提 升產品質量。優化后的一次和二次加工制造圖如 圖 3 和圖 4 所示。
圖 3 轉向架橫梁下蓋板一次加工示意圖
圖 4 轉向架橫梁下蓋板二次加工示意圖
工藝人員通過下料圖、一次加工圖、折彎圖、 二次加工圖以及結合對折彎精度的考慮，最后給 出了加工余量的去除精確值，即精確計算 4 個位 置的加工余量去除值，按照橫梁下蓋板的一次加 工圖和二次加工圖進行對比計算，得出二次加工 的余量去除值（見圖 4）。此件根據圖樣為中心 對稱圖形，4 個去除余量的地方在如圖 4 所示的 陰影部分位置處，577.5mm 尺寸單側在去除余 量的同時需要加工坡口和倒角，不加工坡口位置 按照一次加工前下料留量去除 45.3mm，需要加 工坡口的地方按照折彎 13°進行計算的去除余量 為 7.95×cos13°≈ 7.75（mm），這樣就可以為 二次加工提供找正數據參考，同時還可以驗證折 彎質量，降低此件批量生產的廢品率。
最佳的二次加工次序為 : 先將折彎后的轉向 架橫梁下蓋板按照其 “U 形” 開口方向朝下的方 式放置到尤佳龍門加工中心工作臺安裝的電磁吸 盤上，用機床操作手輪帶動百分表找正工件，開 啟電磁吸盤，按照制造圖基準建立 X、Y、Z 零點， 同時驗證工藝人員精確計算的數值，確定 4 個位 置處大余量去除量，用手移動工件檢查工件是否 吸緊，開啟機床加工 4 處留量及 2 處倒角（見圖 4）; 然后將加工工件翻轉， “U 形” 開口方向朝上， 通過兩次打表重復前面的裝夾和找正工序來加工 2 處坡口，最終實現了 3 次裝夾找正、2 次換刀 的工藝次序，同時還可以借助專用的定位塊進行 找正，可以大幅度提升生產效率，節省工時，更 重要的是確保了產品質量。
4. 試制效果
采用此方案進行地鐵轉向架構架橫梁下蓋板 的試制加工，加工出了合格的產品，驗證了此方 案的可行性和合理性，不僅實現了轉向架橫梁下 蓋板二次加工的高質高效生產，還為今后板類件折彎后需要多次裝夾找正而使得空間尺寸無法保 證的產品加工提供了技術參考。二次加工試制過 程如圖 5 和圖 6 所示。
圖 5 4 處余量及倒角加工示意圖
圖 6 坡口加工示意圖
另外， 在加工過程中， 由于工裝本身的誤差、 定位裝夾的誤差等的累積，會造成工件在機床上 的位置不正、產生偏差等問題，要結合生產實際 具體問題具體分析。
5. 結語
在地鐵轉向架構架橫梁下蓋板的制造過程 中，為克服折彎困難和提升產品質量，針對在板 材下料時對兩端靠近兩條折彎線的 4 個邊沿位置 進行大面積留量而引入的折彎后二次加工難題， 從產品結構、機床特性和加工工裝以及工藝過程 等方面進行了詳細分析，優化了折彎后二次加工 過程，并通過成功的試制驗證了二次加工工藝方 案的可行性和合理性，保證了產品質量，提升了 批量生產效率。
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