城軌車(chē)體薄壁鋁合金型材加工工藝
2013-5-6 來(lái)源：株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 作者：王雪芳 彭博
目前城軌鋁合金車(chē)體采用了許多鋁合金蜂窩型材，各種不同截面的型材通過(guò)加工、焊接形成整個(gè)車(chē)體承載結(jié)構(gòu)，這些型材都是車(chē)體結(jié)構(gòu)的承載梁。
型材加工是車(chē)體制造工藝過(guò)程中的首道工序，加工的型材工件長(zhǎng)大，加工量大，加工時(shí)間長(zhǎng)，需用超大型加工設(shè)備。因此型材加工往往是車(chē)體生產(chǎn)組織過(guò)程中的瓶頸。研究型材加工工藝技術(shù)，解決型材加工的難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)保證型材加工質(zhì)量，避免不必要的損失，提高生產(chǎn)效率具有很重要的意義。
1. 型材加工工藝難點(diǎn)
幾種典型的型材斷面圖如圖1所示，型材長(zhǎng)度與車(chē)體一般等長(zhǎng)，一般為19～22m。單個(gè)筋板壁厚一般為3～2.5mm，因此剛性小，通長(zhǎng)范圍內(nèi)扭曲、彎曲變形大，裝夾困難，加工時(shí)振動(dòng)大，因此極易銑傷，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格甚至報(bào)廢。鋁合金車(chē)體型材加工工藝難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面：一是如何設(shè)計(jì)合理的工裝并合理布置；二是如何解決單個(gè)薄壁筋板的加工。
2. 工裝設(shè)計(jì)及布置
與一般小零件銑加工采用通用的機(jī)用虎鉗或壓板等夾具不同，邊梁和頂蓋邊梁A型車(chē)長(zhǎng)22m，B型車(chē)也有19m，空調(diào)支撐梁一般長(zhǎng)度在4m多，加工時(shí)除需要大型的加工設(shè)備外還必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝來(lái)安裝固定。
工裝設(shè)計(jì)關(guān)鍵是加工工位以及工件、工裝的基準(zhǔn)確定。為了減少裝夾次數(shù)，保證加工精度及效率，工件的裝夾次數(shù)一定要越少越好。一般邊梁和頂蓋邊梁為兩個(gè)工位，這兩個(gè)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(zhuǎn)換方便。
工裝基準(zhǔn)要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是工件的安裝基準(zhǔn)，二是工裝在設(shè)備上的基準(zhǔn)。
圖2為某種車(chē)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(shí)又將處于水平位置的邊梁內(nèi)側(cè)面作為安裝基準(zhǔn)（Z向），上部頂點(diǎn)作為Y向定位，夾緊點(diǎn)選擇強(qiáng)度比較高的筋板結(jié)合部。
反裝工位選擇邊梁外表面作為安裝基準(zhǔn)（Z向），邊梁底面作為Y向定位，夾緊點(diǎn)選擇靠近加工區(qū)的位置，以保證加工時(shí)充分夾緊工件，減少振動(dòng)。受設(shè)備Z向行程的限制，工裝不能太高，因此夾緊臂設(shè)計(jì)成彎曲臂，壓塊設(shè)計(jì)成U形，分別壓在兩塊筋板上。邊梁總長(zhǎng)22m，鋁合金型材比較軟，容易變形，同時(shí)筋板薄，加工振動(dòng)非常大，因此工裝采用單元模塊結(jié)構(gòu)。整個(gè)邊梁采用15個(gè)兩種類(lèi)型模塊組成，成直線(xiàn)布置在工作臺(tái)上，其中門(mén)框兩端各一個(gè)夾緊模塊，門(mén)框中間設(shè)一個(gè)支撐模塊。同時(shí)為了保證工件直線(xiàn)度，每個(gè)工裝模塊設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一的安裝基準(zhǔn)，采用定位鍵方式安裝在設(shè)備工作平臺(tái)上。
3. 薄壁筋板的加工
城軌車(chē)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(qiáng)化并經(jīng)過(guò)人工時(shí)效處理，極限強(qiáng)度達(dá)到255MPa以上。整體強(qiáng)度較高，比重輕，加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)單個(gè)筋板的加工（見(jiàn)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(diǎn)被加工后，獨(dú)立的筋板剛性很低，此時(shí)加工振動(dòng)非常大，常常伴隨出現(xiàn)筋板變形撕裂、刀片碎裂的問(wèn)題，如何解決這個(gè)問(wèn)題要從下列幾個(gè)方面考慮。
（1）刀具選擇 鋁型材熔點(diǎn)低，加工時(shí)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(jī)床轉(zhuǎn)速在8 000～10 000r/min，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，小的徑向和軸向銑削深度。銑削時(shí)，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(nèi)，隨銑削速度的提高會(huì)加劇刀具的磨損。
鋁合金零件的高速加工對(duì)刀具有很高的要求，刀具在具有高性?xún)r(jià)比的同時(shí)還必須滿(mǎn)足高質(zhì)量加工的需求，一般采用整體硬質(zhì)合金刀具。為了滿(mǎn)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(gè)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(lè)滿(mǎn)CoroMill刀具來(lái)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(yuǎn)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(jīng)過(guò)優(yōu)化的噴砂和磨削處理，能承受鋁合金加工時(shí)的切削應(yīng)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(zhǔn)確，可以防止刀片出現(xiàn)任何的細(xì)微移動(dòng)。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(dòng)量減少1/2。
在刀柄形式的選擇上，由于我們的產(chǎn)品以中空型材居多，加工過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)，而且振動(dòng)非常強(qiáng)烈，所以在加工中采用了側(cè)固式、Capto接口等形式的刀柄，避免了刀具脫落的危險(xiǎn)。
（2）切削參數(shù) 對(duì)壁厚為2.5mm，高度達(dá)50mm的單個(gè)筋板加工更為關(guān)鍵的是要合理選取加工參數(shù)，減少振動(dòng)，保證軟筋板順利完整地加工完，同時(shí)兼顧效率。
當(dāng)銑刀的切削刃切入工件時(shí)，猛然地撞擊會(huì)引起刀具的振動(dòng)，最初誘發(fā)的刀具振動(dòng)將改變后續(xù)的切屑厚度，隨后當(dāng)切削力變化又反過(guò)來(lái)引起加工系統(tǒng)的振動(dòng)加劇。切削力的方向和變動(dòng)幅度在很大程度上決定了振動(dòng)趨勢(shì)，如果不加以抑制，切削力的變化幅度就會(huì)增大，從而使切削后的表面粗糙度值增大，甚至導(dǎo)致切削刃和刀具損壞，此外還會(huì)對(duì)機(jī)床主軸產(chǎn)生不利影響。為此，必須在切削開(kāi)始時(shí)就抑制切削力劇烈的變動(dòng)從而抑制振動(dòng)趨勢(shì)。除采用防振刀具外，合適的切削參數(shù)是抑制顫振的有效方法。逆銑時(shí)刀具切入工件時(shí)，切削厚度是從薄到厚的漸變過(guò)程，因此可以有效避免刀具對(duì)工件的猛烈撞擊，可以有效避免刀具及工件筋板的顫振。
實(shí)際應(yīng)用表明，合理的加工參數(shù)要根據(jù)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(shù)如附表所示。
（3）切削液的選擇 城軌車(chē)體制造中型材是先加工后焊接，加工后工件上不能有殘留的液體，因此加工采用的是油霧氣冷卻方式。
高速加工產(chǎn)生大量的熱量，如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)地被切削液帶走，將會(huì)發(fā)生粘刀現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)積屑瘤，同時(shí)熱量也可使工件發(fā)生變形。
鋁合金型材切削液的選擇，必須保證良好的潤(rùn)滑性、冷卻性、揮發(fā)性和防銹性，因此可用于鋁合金加工的切削液與普通的乳化切削液有所不同，選擇一款合適的切削液是十分必要的。對(duì)于鋁合金型材加工應(yīng)選擇低粘度易揮發(fā)的切削液，如巴索的切削液MK500和美孚維美EDM-3。
4. 結(jié)語(yǔ)
（1) 鋁合金車(chē)體型材加工時(shí)振動(dòng)大，因此要選擇剛性較好的機(jī)床，尤其機(jī)床主軸的剛性要好。
（2) 鋁合金型材加工采用高速加工，因此需要選擇具有高速主軸、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速控制系統(tǒng)的設(shè)備。
（3) 零件高速加工時(shí)噪聲非常高，且鋁屑量大、溫度高、速度快，因此操作機(jī)床時(shí)，一定要做好防護(hù)，注意安全，最好配有相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施。
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