地铁转向架构架横梁下盖板 制造技术优化
2020-7-3 来源：中车唐山机车车辆有限公司 作者：厉永泽
【摘要】: 针对弯形件二次机械加工的难题， 进行加工方案的优化，从余量分配、加工设备的 选择、零件装夹等方面进行改进。采用电磁吸盘 工装来装夹工件，不仅能够保证零件的加工精度， 还能提高零件的装夹速度，提升批量生产效率。
1．加工难点分析
转向架的构架是列车承载和传力的基体，也 是转向架众多部件连结的主体骨架，是一个受力 复杂的结构部件，它不仅承载车体上部所有装备 的重量，而且承载并传递列车运行中产生的垂向、 纵向和横向 3 个不同方向和大小的动作用力，因 此构架必须具备足够的强度和刚度，所以其制造 要求非常严格。
图1 转向架横梁下盖板三维图
地铁转向架构架的横梁下盖板（见图 1）作 为构架横梁上的关键部件，其加工质量的好坏至 关重要。公司首次试制地铁转向架困难重重。为克服这些困难，前期安排一部分技术人员到相关 企业进行了学习。为确保下盖板折弯精度，在试 制过程中工艺人员根据学习经验，在此件下料时， 对两个折弯处的 4 个位置进行了大面积地留量， 以防止在折弯过程中产生变形而导致报废。在攻 克折弯这一难题的同时，又引入了板材机械加工 的新问题，将原来只需一次的加工调整成两次， 即板材在折弯后还需二次加工去除下料留量。因 此，虽然克服了折弯难题，但同时又引入了二次 加工的难题。折弯的制造如图 2 所示，其中 A、 B 两处边缘距折弯线（双点划线为折弯线）太近， 折弯后无法保证产品质量，需留量进行二次加工。
图 2 转向架横梁下盖板折弯示意图
针对二次加工难题， 工艺人员进行了深入的 研究和探索，发现可借鉴的二次加工技术既废工时又无法保证产品质量，且还要充分考虑公司新 引进的先进设备、工装和工具等硬件。经过多次 试制现场调研，以及对横梁下盖板的一次加工和 二次加工图的加工内容进行分析后，决定优化二 次加工技术，以提高该工件的产品质量和批量生 产效率。
2．优化前的技术准备
（1）设备选型 : 二次加工设备选用杭州友佳 精密机械有限公司生产的龙门加工中心，该设备 的数控操作系统是先进的 FANUC32i 系统，采 用三轴联动控制加工，各轴配置交流伺服电动机， 具有直线插补、圆弧插补等插补功能 ; 另外， 操作系统显示屏具有中文显示功能，CNC 编程信息可自动、手动、点动和手轮控制功能，通过手轮实现 DRF 功图 1 转向架横梁下盖板三维图 图 2 转向架横梁下盖板折弯示意图能，可通过手动程序回基准点，程序、子程序可互为调用，可有异步子程序 ; 同时还具有间隙补偿、丝杠螺距误 差补偿及测量系统误差补偿功能。
工 作 台 上 有 槽 宽 22m m、 间 距 170mm 的 T 形槽， 主轴最大扭矩为 382N · m ， 最小输 入单位 0.001mm，X、Y 轴快速位移为 12m/ min。 按 照 ISO 230-2-2006， 定 位 精 度 为 0.025mm，重复精度为 0.015mm。主轴功率为 18.5/15kW，主轴转速为 4 000r/min，ISO50 主轴锥孔的锥度为 7:24，经过分析完全能满足 该件折弯后的二次加工需求。
（2）加工工装 : 选用购买新设备时配置的通 用的电磁吸盘工装，代替学习经验时配置的专用 加工工装。专用工装成本高，同时采用专用工装 每加工一处就需要装夹、找正一次，对于坡口处 还得先用棒铣刀铣端面，后用坡口刀加工坡口， 这样一个工件共需要 4 次找正、装夹和 4 次更换 刀具加工，很费工时。若选用通用的电磁吸盘工 装，通过最优排序加工就可以减少大量的工时浪 费，同时还能大幅度提升产品质量。唯一的问题 就是电磁吸盘工装吸附面积小，吸力能否满足加 工使用要求还有待验证。后来通过试制验证，认 为电磁吸盘工装的吸力能满足加工方案要求，解决了二次加工技术关键的装夹难题，为横梁下盖 板的批量制造奠定了坚实的基础。
最终选取的吸盘为方形，磁盘通过 T 形螺栓、 压板与工作台固定连接，外形尺寸精度满足 H8 级，可以对工件进行粗定位，吸紧力能保证机 夹坡口铣刀加工时夹紧稳定 ; 充磁、消磁快速方 便，每台磁盘循环时间控制在 3s 之内， 剩磁率 符合国家相关标准 ; 控制简单，充磁、消磁通过 按钮在机床外完成 ; 该电磁吸盘能保证全天候在 切屑、灰尘和加工切削液的环境中可靠安全地工 作 ; 单个磁极吸紧力≥ 7 600N，可以承受 2kW 的加工功率，磁穿透深度为 12~18mm（视材料 而定），地铁转向架构架的横梁下盖板的板材厚 度为 16mm，能保证磁力穿透，满足加工要求。
3．优化后的二次加工技术方案
对地铁转向架构架横梁下盖板的二次加工方 案进行优化，将专用的装夹、找正工装更换为通用的电磁吸盘工装，不但能节约工装制造成本， 而且装夹、找正操作简单、方便，效率更高，同 时通过优化一次和二次加工内容，以及优化二次 加工内容的次序，就能大幅度提高加工效率和提 升产品质量。优化后的一次和二次加工制造图如 图 3 和图 4 所示。
图 3 转向架横梁下盖板一次加工示意图
图 4 转向架横梁下盖板二次加工示意图
工艺人员通过下料图、一次加工图、折弯图、 二次加工图以及结合对折弯精度的考虑，最后给 出了加工余量的去除精确值，即精确计算 4 个位 置的加工余量去除值，按照横梁下盖板的一次加 工图和二次加工图进行对比计算，得出二次加工 的余量去除值（见图 4）。此件根据图样为中心 对称图形，4 个去除余量的地方在如图 4 所示的 阴影部分位置处，577.5mm 尺寸单侧在去除余 量的同时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弯 13°进行计算的去除余量 为 7.95×cos13°≈ 7.75（mm），这样就可以为 二次加工提供找正数据参考，同时还可以验证折 弯质量，降低此件批量生产的废品率。
最佳的二次加工次序为 : 先将折弯后的转向 架横梁下盖板按照其 “U 形” 开口方向朝下的方 式放置到尤佳龙门加工中心工作台安装的电磁吸 盘上，用机床操作手轮带动百分表找正工件，开 启电磁吸盘，按照制造图基准建立 X、Y、Z 零点， 同时验证工艺人员精确计算的数值，确定 4 个位 置处大余量去除量，用手移动工件检查工件是否 吸紧，开启机床加工 4 处留量及 2 处倒角（见图 4）; 然后将加工工件翻转， “U 形” 开口方向朝上， 通过两次打表重复前面的装夹和找正工序来加工 2 处坡口，最终实现了 3 次装夹找正、2 次换刀 的工艺次序，同时还可以借助专用的定位块进行 找正，可以大幅度提升生产效率，节省工时，更 重要的是确保了产品质量。
4. 试制效果
采用此方案进行地铁转向架构架横梁下盖板 的试制加工，加工出了合格的产品，验证了此方 案的可行性和合理性，不仅实现了转向架横梁下 盖板二次加工的高质高效生产，还为今后板类件折弯后需要多次装夹找正而使得空间尺寸无法保 证的产品加工提供了技术参考。二次加工试制过 程如图 5 和图 6 所示。
图 5 4 处余量及倒角加工示意图
图 6 坡口加工示意图
另外， 在加工过程中， 由于工装本身的误差、 定位装夹的误差等的累积，会造成工件在机床上 的位置不正、产生偏差等问题，要结合生产实际 具体问题具体分析。
5. 结语
在地铁转向架构架横梁下盖板的制造过程 中，为克服折弯困难和提升产品质量，针对在板 材下料时对两端靠近两条折弯线的 4 个边沿位置 进行大面积留量而引入的折弯后二次加工难题， 从产品结构、机床特性和加工工装以及工艺过程 等方面进行了详细分析，优化了折弯后二次加工 过程，并通过成功的试制验证了二次加工工艺方 案的可行性和合理性，保证了产品质量，提升了 批量生产效率。
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