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城轨车体薄壁铝合金型材加工工艺

2013-5-6 来源：株洲电力机车有限公司作者：王雪芳彭博

目前城轨铝合金车体采用了许多铝合金蜂窝型材，各种不同截面的型材通过加工、焊接形成整个车体承载结构，这些型材都是车体结构的承载梁。

　　型材加工是车体制造工艺过程中的首道工序，加工的型材工件长大，加工量大，加工时间长，需用超大型加工设备。因此型材加工往往是车体生产组织过程中的瓶颈。研究型材加工工艺技术，解决型材加工的难点问题，对保证型材加工质量，避免不必要的损失，提高生产效率具有很重要的意义。

　　1. 型材加工工艺难点

　　几种典型的型材断面图如图1所示，型材长度与车体一般等长，一般为19～22m。单个筋板壁厚一般为3～2.5mm，因此刚性小，通长范围内扭曲、弯曲变形大，装夹困难，加工时振动大，因此极易铣伤，造成产品质量不合格甚至报废。铝合金车体型材加工工艺难点主要有两个方面：一是如何设计合理的工装并合理布置；二是如何解决单个薄壁筋板的加工。

　　2. 工装设计及布置

　　与一般小零件铣加工采用通用的机用虎钳或压板等夹具不同，边梁和顶盖边梁A型车长22m，B型车也有19m，空调支撑梁一般长度在4m多，加工时除需要大型的加工设备外还必须设计专用工装来安装固定。

　　工装设计关键是加工工位以及工件、工装的基准确定。为了减少装夹次数，保证加工精度及效率，工件的装夹次数一定要越少越好。一般边梁和顶盖边梁为两个工位，这两个工位的选取不能仅考虑加工的方便，还必须考虑工位之间的转换方便。

　　工装基准要解决两个问题，一是工件的安装基准，二是工装在设备上的基准。

　　图2为某种车型的边梁加工工装，边梁加工采用水平加工位置，分正、反两次装夹完成。正装工位选择面积比较大，同时又将处于水平位置的边梁内侧面作为安装基准（Z向），上部顶点作为Y向定位，夹紧点选择强度比较高的筋板结合部。

　　反装工位选择边梁外表面作为安装基准（Z向），边梁底面作为Y向定位，夹紧点选择靠近加工区的位置，以保证加工时充分夹紧工件，减少振动。受设备Z向行程的限制，工装不能太高，因此夹紧臂设计成弯曲臂，压块设计成U形，分别压在两块筋板上。边梁总长22m，铝合金型材比较软，容易变形，同时筋板薄，加工振动非常大，因此工装采用单元模块结构。整个边梁采用15个两种类型模块组成，成直线布置在工作台上，其中门框两端各一个夹紧模块，门框中间设一个支撑模块。同时为了保证工件直线度，每个工装模块设计一个统一的安装基准，采用定位键方式安装在设备工作平台上。

3. 薄壁筋板的加工

　　城轨车体铝合金型材一般采用铝硅镁合金6005A挤压成形，采用固溶强化并经过人工时效处理，极限强度达到255MPa以上。整体强度较高，比重轻，加工过程中经常出现单个筋板的加工（见图3），这种加工因筋板壁厚小，一般为2～3mm，而且筋板位于蜂窝型材的中间，在筋板连接点被加工后，独立的筋板刚性很低，此时加工振动非常大，常常伴随出现筋板变形撕裂、刀片碎裂的问题，如何解决这个问题要从下列几个方面考虑。

　　（1）刀具选择铝型材熔点低，加工时铝屑在切削热的作用下易粘接在刀具或工件表面，因此铝型材加工采用高速铣削，一般机床转速在8 000～10 000r/min，适当的进给量，小的径向和轴向铣削深度。铣削时，大量的铣削热被切屑带走，因此，工件和刀具的表面温度较低。但在高速加工范围内，随铣削速度的提高会加剧刀具的磨损。

　　铝合金零件的高速加工对刀具有很高的要求，刀具在具有高性价比的同时还必须满足高质量加工的需求，一般采用整体硬质合金刀具。为了满足铝型材粗加工和精加工的不同要求，刀具选型需要考虑以下几个方面：平稳的切削作用，良好的切屑形成，极高的材料去除率等。

　　我们通常使用山特维克可乐满CoroMill刀具来加工铝合金薄壁型材。首先这种刀片具有深的切削槽，降低了切削力，优化了切屑形成和排除，使切屑飞出并远离切削区和工件表面。这种槽形的刀与切屑接触面更小，有更低的摩擦力和更平稳的切削作用，能采用更大的切削深度。其次这种刀片表面经过优化的喷砂和磨削处理，能承受铝合金加工时的切削应力，有效防止铝合金粘接在刀片上。

　　另外采用了锯齿形接口组成iLock刀片座，定位准确，可以防止刀片出现任何的细微移动。锯齿形接口的精度确保了切削刃在刀具中处于正确的位置，并使由刀片尺寸误差引起的刀具的径向跳动量减少1/2。

　　在刀柄形式的选择上，由于我们的产品以中空型材居多，加工过程中容易产生振动，而且振动非常强烈，所以在加工中采用了侧固式、Capto接口等形式的刀柄，避免了刀具脱落的危险。

　　（2）切削参数对壁厚为2.5mm，高度达50mm的单个筋板加工更为关键的是要合理选取加工参数，减少振动，保证软筋板顺利完整地加工完，同时兼顾效率。

　　当铣刀的切削刃切入工件时，猛然地撞击会引起刀具的振动，最初诱发的刀具振动将改变后续的切屑厚度，随后当切削力变化又反过来引起加工系统的振动加剧。切削力的方向和变动幅度在很大程度上决定了振动趋势，如果不加以抑制，切削力的变化幅度就会增大，从而使切削后的表面粗糙度值增大，甚至导致切削刃和刀具损坏，此外还会对机床主轴产生不利影响。为此，必须在切削开始时就抑制切削力剧烈的变动从而抑制振动趋势。除采用防振刀具外，合适的切削参数是抑制颤振的有效方法。逆铣时刀具切入工件时，切削厚度是从薄到厚的渐变过程，因此可以有效避免刀具对工件的猛烈撞击，可以有效避免刀具及工件筋板的颤振。

　　实际应用表明，合理的加工参数要根据加工部位、装夹情况、刀具情况等综合考虑。加工铝合金（EN AW-6005A-T6）中空型材通常铣削参数如附表所示。