以軌道交通超長鋁合金型材加工為研究對象，從圖樣設(shè)計(jì)、工藝分析、刀具選擇和程序編制等方面進(jìn)行對比優(yōu)化，針對高速加工中存在的振動(dòng)、噪聲大和編程效率低等問題，提出了可行的技術(shù)方案和工藝措施。經(jīng)現(xiàn)場加工驗(yàn)證，解決了超長鋁合金型材的加工難點(diǎn)問題。

01 序言

目前，通過使用大量輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料，實(shí)現(xiàn)車身大幅度減重，已經(jīng)成為城市軌道交通車體輕量化最主要的手段。由于鋁合金型材具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕、抗沖擊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和焊接性能良好等多方面的優(yōu)點(diǎn)，因此中空結(jié)構(gòu)鋁合金型材在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及軌道交通等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金型材的使用量已達(dá)到地鐵車體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的60%以上。但是，由于其特殊的中空薄壁結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品超長的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致鋁合金型材在高速加工過程中，存在容易切削變形、振動(dòng)開裂、加工噪聲大和刀具磨損快等問題，嚴(yán)重影響中空鋁合金型材的加工效率和經(jīng)濟(jì)效益。下面以公司常年加工的鋁合金車體頂蓋邊梁、頂蓋長梁和底架邊梁為例，提供一些高效實(shí)用的高速加工方案。案例使用的加工設(shè)備為30m五軸橋式加工中心。

02 加工技術(shù)要求分析

在鋁合金車體結(jié)構(gòu)中，最常見、最主要的細(xì)長鋁合金型材包括頂蓋邊梁、頂蓋長梁和底架邊梁型材，幾乎是現(xiàn)有軌道車輛中高鐵、動(dòng)車和地鐵車體的主流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其共同特點(diǎn)是型材截面呈中空不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，一般型材壁厚3～12mm，不同車型斷面結(jié)構(gòu)尺寸各不相同，產(chǎn)品長度一般為15～25m，屬于超細(xì)長工件。

各類邊梁型材的加工具有很大的相似度和集中度特點(diǎn)，其主要加工特征都集中在總長端面、車門安裝口、邊梁懸掛筋板缺口及C形滑槽等位置。邊梁作為車體組焊的關(guān)鍵重要配件，總長尺寸、車門安裝口尺寸和相鄰車門之間的中心距（公差±0.5mm）要求非常高，公差等級達(dá)到精密級f。

03 工藝難點(diǎn)分析

工件的加工難點(diǎn)如下。

1）粗加工效率低。粗加工是采用最高效的加工方式，實(shí)現(xiàn)快速去除加工材料的目的。在邊梁加工中，總長端面、車門安裝口、邊梁懸掛筋板缺口及C形滑槽位置集中了70%以上需要切除的材料，這些位置的粗加工占用了整根邊梁加工時(shí)間的一半以上。

2）加工振動(dòng)、變形和噪聲大。由于鋁合金型材的中空薄壁和細(xì)長的特殊結(jié)構(gòu)，因此其本身剛性不足，內(nèi)壁型腔受切削力擠壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由此帶來的結(jié)果就是噪聲大、產(chǎn)品變形甚至開裂，同步導(dǎo)致產(chǎn)品加工效率低和刀具損耗快等不良后果。

3）精加工過切或加工尺寸不到位。鋁合金型材在擠壓過程中，型材的直線度、扭擰度不可能達(dá)到絕對理想的狀態(tài)。型材擠壓也有相應(yīng)的公差標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)EN 755-9：2001《鋁以及鋁合金——擠壓棒材，管材以及型材第九部分：型材，尺寸公差與形狀公差》，型材截面寬度200～300mm、長6m以上的鋁合金型材，其扭擰度標(biāo)準(zhǔn)是7mm，彎曲度偏差≤1.5mm/m，由此精加工必須充分考慮鋁合金型材實(shí)際狀態(tài)和理論尺寸之間的誤差，舉例來說，粗加工預(yù)留5mm的加工余量，由于受扭擰度和直線度影響，那么此處實(shí)際預(yù)留的精加工余量就不是理想的5mm，因此直接導(dǎo)致的結(jié)果是過切或是精加工尺寸無法保證。

4）工件裝夾和拆卸輔助時(shí)間長。20m長度左右的型材，一般都需要大約10個(gè)點(diǎn)位的工裝固定。人工手動(dòng)夾緊效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，當(dāng)面臨產(chǎn)品種類切換時(shí)，工裝更換和調(diào)整周期長。

5）編程效率低、程序調(diào)試周期長。據(jù)了解，目前國內(nèi)各大軌道交通制造主機(jī)廠加工車輛底架、鋁合金邊梁型材和大型鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件時(shí)，主要還是以手動(dòng)編程為主。手動(dòng)編程能更好地滿足現(xiàn)場工藝變更、尺寸調(diào)整等要求，但其效率和準(zhǔn)確性不如自動(dòng)編程高，程序調(diào)試時(shí)間長。

04 工藝解決方案

4.1 粗加工方案

采用鋸切的方式去除粗加工余量。邊梁總長端面、車門安裝口位置，都可以采用鋸切加工的方式，把整塊材料分割切除；邊梁懸掛筋板之類的缺口，可采用T型刀（或三面刃銑刀）分割切除，而不是把切割的材料分層加工成切屑。主要做法是在需要切除材料的兩端加工一個(gè)缺口，使需要切除的材料兩端與產(chǎn)品分離，再采用鋸片或T型刀把中間部分整體切割下來。此方法的加工效率是常規(guī)粗加工的數(shù)倍，但是在操作過程中，需要特別注意廢料與產(chǎn)品分離時(shí)不能碰撞到刀具，使廢料向下平穩(wěn)落地。

采用旋轉(zhuǎn)主軸或角銑頭加工邊梁總長。一般來說，邊梁長度方向單邊只有10mm左右的余量，在某些設(shè)備不支持大型號(hào)鋸片時(shí)，可采用旋轉(zhuǎn)主軸或利用角銑頭，通過銑平面的方式加工總長。

鋸切加工應(yīng)用舉例：在廣州某條線的底架邊梁加工中，鋁合金型材上表面需要加工一個(gè)長904mm的缺口，加工過程如圖1所示。

圖1 加工過程示意

從圖1可以看出，如果采用立銑刀進(jìn)行粗加工，絕對會(huì)出現(xiàn)加工振動(dòng)大、噪聲大以及加工效率低的問題，顯然不是去除材料最高效的工藝方案。

鋸切加工方案和難點(diǎn)分析認(rèn)為，該缺口不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的等腰梯形結(jié)構(gòu)，在缺口的開口位置，左右兩端都是垂直向上的直邊結(jié)構(gòu)，整個(gè)缺口由5個(gè)方向的面包圍而成，一兩段切割刀路無法完成整個(gè)缺口的加工；距離缺口131mm位置，設(shè)計(jì)有12mm厚筋板結(jié)構(gòu)，需要合理選擇三面刃銑刀的直徑，銑刀既要保證缺口被切透，又要防止刀具傷到缺口側(cè)面12mm厚的筋板；該缺口位于產(chǎn)品型材上表面，切下來的廢料不能隨自重掉落脫離工件，廢料與鋁合金型材斷開時(shí)，存在碰撞刀具的風(fēng)險(xiǎn)，存在很大的安全隱患。

裝夾方案如圖2所示。具體加工過程：第一步，通過螺旋銑孔加工方法，在需要加工缺口的型材頂部左右兩端各加工一個(gè)φ100mm的半圓通孔，目的是防止三面刃銑刀在執(zhí)行第二步切割斜面時(shí)刀柄與工件碰撞。因?yàn)槿嫒秀姷堕L度不夠（過長的刀具會(huì)導(dǎo)致其剛性不足），所以通過開孔來避讓刀具與工件的碰撞[1]。第二步，采用φ125mm三面刃銑刀，在旋轉(zhuǎn)主軸的情況下，對缺口兩端的斜面進(jìn)行切割，分別從型材兩側(cè)面各切割一次，使缺口左右斜面和型材分離。第三步，同理，分別從兩側(cè)面把缺口底部切斷，使斜面切割縫與底部切割縫重合，至此已經(jīng)完成了3個(gè)方向的切割分離。第四步，換用φ500mm鋸片刀，目的是為了防止機(jī)床與型材頂部的碰撞干涉。把主軸機(jī)頭旋轉(zhuǎn)放倒至90°狀態(tài)，分別對尺寸904mm缺口的左右端面從上往下切割，缺口處的廢料會(huì)脫離工件，此時(shí)刀具在工件正上方，從而避免了廢料碰撞刀具的問題。

圖2 裝夾方案示意

4.2 振動(dòng)、變形和噪聲改善措施

產(chǎn)生振動(dòng)、變形和噪聲的原因歸根到底在于在加工過程中工件剛性不足，可以從以下幾個(gè)方面控制和改善振動(dòng)等問題。①合理布置各個(gè)工裝夾緊點(diǎn)之間的距離，結(jié)合實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)工裝夾緊點(diǎn)之間的跨度最大不能超過2m，對于一些強(qiáng)度差的薄壁型材（型材壁厚4mm及以下），應(yīng)設(shè)置更小距離的工裝夾緊點(diǎn)。②工件切削余量大的區(qū)域盡可能靠近工裝夾緊點(diǎn)位置。③采用小切削量、快進(jìn)給速度的加工方式。④在使用側(cè)刃加工大余量材料時(shí)，刀具中心的進(jìn)刀方向盡量偏離加工余量的中心，保證刀具側(cè)刃的切削效率[2]。

4.3 精加工方案

在加工坐標(biāo)系下，采用雷尼紹測頭對加工位置進(jìn)行X軸、Y軸和Z軸（可根據(jù)精加工情況選擇X軸、Y軸和Z軸任意一個(gè)或幾個(gè)）方向測量，探頭測量的結(jié)果就是型材實(shí)際狀態(tài)和理論位置的差值，這個(gè)差值會(huì)存儲(chǔ)在機(jī)床參數(shù)#地址（西門子系統(tǒng)為R參數(shù)）下面，在加工程序中代入該參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精銑加工。此法是最準(zhǔn)確的一種精加工方案，但機(jī)床必須安裝有雷尼紹無線電測頭。

在沒有雷尼紹無線電測頭的情況下，采用人工測量補(bǔ)值法，這也是一種操作性很好的精加工方案。其主要實(shí)施過程為：粗加工預(yù)留一定的精加工量，粗銑完成后，人工測量粗銑后的實(shí)際余量，并輸入到機(jī)床參數(shù)中，通過程序計(jì)算得出粗銑預(yù)留量和實(shí)際測量預(yù)留的差值，并在加工過程中自動(dòng)糾正差值。例如，粗加工編程：G01 Y5 F2000（表示Y軸正方向預(yù)留5mm加工余量）；精加工編程：G01 Y[5-#1]F2000（#1表示實(shí)際測量的加工余量）。

4.4 快速裝夾、拆卸方案

工裝設(shè)計(jì)要充分考慮通用性，一套工裝應(yīng)盡可能滿足所有同類型產(chǎn)品的加工。工裝設(shè)計(jì)可以采取模塊化結(jié)構(gòu)，一部分為基礎(chǔ)工裝，主要對產(chǎn)品進(jìn)行夾緊固定；另一部分為仿形定位結(jié)構(gòu)，作為產(chǎn)品裝夾的定位基準(zhǔn)。優(yōu)先采用氣動(dòng)、液壓等自動(dòng)或半自動(dòng)化裝夾，合理的裝夾方案，優(yōu)先滿足一次裝夾完成所有加工工序，避免工件第二次翻面加工，充分利用機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)功能、角銑頭、T型刀和成型刀等，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有工序。采取合理的工裝布局，同一種邊梁型材，由于不同的車型和產(chǎn)品有一左一右的對稱結(jié)構(gòu)，因此會(huì)加工成多種不同的產(chǎn)品，在工裝布局中，一種工裝布局盡量兼顧所有同種型材加工的產(chǎn)品。

4.5 提高編程效率和準(zhǔn)確性

隨著工業(yè)軟件的進(jìn)步和發(fā)展，涌現(xiàn)出了一大批CNC編程軟件。軟件編程具有速度快、精度高和可靠性高等特點(diǎn)，很多方面是手動(dòng)編程無法比擬的?，F(xiàn)在CAD/CAM行業(yè)中普遍使用的軟件工具有MASTERCAM、CIMATRON、PRO-E、UG和CATIA等，在軌道交通行業(yè)的鋁合金型材加工中，主要以二維刀路為主，基于此，MASTERCAM作為二維編程中的佼佼者，是最合適的一款編程工具。軟件編程的缺點(diǎn)是產(chǎn)品變更或尺寸變化時(shí)，現(xiàn)場程序調(diào)試不方便；在某些情況下，CNC編程的加工效率不如手工編程；在邊梁精加工時(shí)，軟件編程不能很好地控制型材變形引起的偏差。

手動(dòng)編程前期工藝準(zhǔn)備時(shí)間較長，但手動(dòng)編程具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，通過邊梁的圖樣分析可以看出，各種邊梁的結(jié)構(gòu)和加工特征基本相同，可以大量采用宏程序、調(diào)用固定循環(huán)命令以及調(diào)用自定義子程序等方式，提高手工編程的效率和準(zhǔn)確性。例如，頂蓋邊梁上C形滑槽的加工，每個(gè)滑槽只需要在程序中定義C形滑槽的長度和中心位置坐標(biāo)即可[3]。創(chuàng)建模塊化編程結(jié)構(gòu)和自定義子程序庫，編制同類型邊梁的程序結(jié)構(gòu)，下次遇到類似結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品，可以在現(xiàn)有的程序上進(jìn)行更改，類似結(jié)構(gòu)位置的加工程序可以直接在子程序庫調(diào)用。對于一些復(fù)雜的輪廓、曲面和編程坐標(biāo)計(jì)算量大的特征，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件編程的作用；對于一些簡單、類似的結(jié)構(gòu)，采用手動(dòng)編程更實(shí)用。

05 結(jié)束語

本文針對超長鋁合金型材加工中存在的難點(diǎn)，提出可行的解決措施。從工藝方案、刀具選擇和程序編制等方面進(jìn)行優(yōu)化，通過加工驗(yàn)證，取得了很好的效果。對于超長鋁合金型材加工，要善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，借鑒和推廣高效的工藝方案，不斷進(jìn)行工藝優(yōu)化和技術(shù)攻關(guān)，多去學(xué)習(xí)了解加工方面的前沿知識(shí)和工藝，例如新設(shè)備、新型刀具和自動(dòng)化裝夾方案等，學(xué)會(huì)在實(shí)際工作中融會(huì)貫通，不固守現(xiàn)有的工藝方法和思路。工藝沒有最好，只有更好，在實(shí)際應(yīng)用中要持續(xù)改進(jìn)，不斷創(chuàng)新。

專家點(diǎn)評

超長鋁合金型材由于其特殊的中空薄壁結(jié)構(gòu)，因此在高速切削加工中存在變形、振動(dòng)、加工噪聲大和刀具磨損快等問題。作者綜合考慮以上因素，制定可行的解決方案，通過提高工藝剛性，改善加工中的振動(dòng)、變形和噪聲問題；通過設(shè)計(jì)工裝夾具，實(shí)現(xiàn)型材的快速裝夾與拆卸；粗加工采用鋸切方法快速去除大部分余量；數(shù)控加工采用宏程序、自定義子程序等方法，提高了編程效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]張政民，王忠平，宋福田.軌道車輛薄壁鋁型材的典型加工工藝[J].新技術(shù)新工藝，2013（9）：80-83.

[2]徐宗濤，肖沖.高速動(dòng)車組薄壁類鋁型材零件機(jī)械加工工藝研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（11）：140-141.

[3]孫明.淺析鋁合金板類型材的高速加工工藝[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（16）：53.

本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2024年第7期26~29頁，作者：湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司劉郁鳳，原標(biāo)題：《軌道交通超長鋁合金型材加工難點(diǎn)及解決措施》。