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城軌車體薄壁鋁合金型材加工工藝
2013-5-6  來源:株洲電力機車有限公司  作者:王雪芳 彭博
     目前城軌鋁合(hé)金車體采用(yòng)了許多鋁合金蜂窩型材,各種不同截(jié)麵(miàn)的型材通過加工、焊接(jiē)形成整個(gè)車體承載結構,這些型材都是車體結構的承(chéng)載梁。

  型材加工是車體製造工藝過程中的首道工序,加工(gōng)的型材工(gōng)件長大,加工量大,加(jiā)工時間長,需用超大型加工設備。因此型材加(jiā)工往往是車體生產組織過(guò)程中的瓶頸。研究型材加工工藝技術,解決型材加工的難(nán)點問題,對保證型材(cái)加工質量,避免(miǎn)不(bú)必(bì)要的損(sǔn)失,提高生產效率具有很重要的意(yì)義(yì)。

  1. 型材加工工藝難點

  幾種典型的型材斷麵圖如圖1所示,型材(cái)長度與車體一般等長,一般為19~22m。單(dān)個(gè)筋板壁(bì)厚一般為3~2.5mm,因此剛性小,通長範圍內扭曲、彎曲變形大,裝夾困難,加工時振動大,因此極易銑傷,造成產(chǎn)品質量不合格甚(shèn)至報廢。鋁合金車體型材加工工藝(yì)難點主要有兩個方麵:一是如何設計合理的工裝並合理布置;二是如(rú)何解決單個薄壁筋板的加工。

城軌車體薄壁鋁合金型材(cái)加工工(gōng)藝
 

  2. 工裝設計及布(bù)置

  與一般小零件銑加工采用通(tōng)用的機用虎鉗或壓板等夾具不同,邊梁和(hé)頂蓋邊梁A型車長22m,B型(xíng)車也有19m,空調(diào)支撐梁一(yī)般長(zhǎng)度在4m多,加工時除需(xū)要大型的加工設備外還必(bì)須設計專用工裝來安裝固定。

  工裝設計(jì)關鍵是加工工位以及工件、工裝的基(jī)準確定。為了減少裝夾次數,保證加工精度(dù)及效率,工件的裝夾次數一定要(yào)越少越好。一般邊梁和頂蓋邊梁為兩(liǎng)個(gè)工位,這兩個工位的選取不能僅考(kǎo)慮加工的方便,還必須考慮工位(wèi)之間(jiān)的轉(zhuǎn)換方便。

  工裝基準要解決兩個問(wèn)題,一是工件的安裝基準,二(èr)是工裝在設備上的基準。

  圖2為某種車型(xíng)的邊(biān)梁加工工(gōng)裝,邊梁加(jiā)工采用水平加工位置,分正、反兩次裝夾完成。正裝工位選(xuǎn)擇麵積比較大,同時又將處於水平位置的邊梁內側麵作為安裝基準(Z向),上部頂點作為Y向定(dìng)位,夾緊(jǐn)點選擇強度比(bǐ)較高的筋板結合部。

城軌車體(tǐ)薄壁鋁合(hé)金型材(cái)加工工藝
 

  反裝工位(wèi)選擇邊梁外表麵作為安裝基準(Z向),邊梁底麵作為Y向定位,夾緊點選擇靠近加工區的位置(zhì),以保證加工時充分夾緊工件,減少振動。受設備Z向行程的限製,工(gōng)裝不能太高,因此夾緊臂設計成(chéng)彎曲臂,壓塊設計成U形,分別壓在兩塊筋板上。邊梁總長22m,鋁合金(jīn)型材比較軟(ruǎn),容易變形,同時筋板(bǎn)薄,加工(gōng)振(zhèn)動非常大,因(yīn)此工裝采用單元模塊結(jié)構。整個邊梁采用15個兩種(zhǒng)類型模塊組成,成直(zhí)線布置在工作台上(shàng),其中(zhōng)門框兩端各一個夾緊模塊,門框中間設一個支撐模塊。同時(shí)為(wéi)了(le)保證工件直線度,每(měi)個工裝模塊設計一個統一的安裝基準,采用定位鍵方式(shì)安(ān)裝在設備工作平台上。

3. 薄壁筋板的加工

  城軌車體鋁合金型材一般采用鋁(lǚ)矽鎂合金6005A擠壓成形,采用固溶(róng)強化並經(jīng)過人工(gōng)時效處理,極限強度達(dá)到255MPa以上。整體強度較高,比重輕,加工過程中經常出現單個筋板的加(jiā)工(見圖3),這種(zhǒng)加工因(yīn)筋板壁厚(hòu)小,一般為2~3mm,而且筋板位於蜂窩型材的中間,在筋板連接點被加工後,獨立的筋板剛性很(hěn)低,此時加工振(zhèn)動非常大(dà),常常伴(bàn)隨出現筋板變形撕裂、刀片碎裂的問題,如何(hé)解決這個問題要從下(xià)列幾個方麵考慮。

城軌車體薄壁鋁合金型(xíng)材加工工藝
 

  (1)刀具選擇  鋁型(xíng)材熔點低,加工時鋁屑在切削熱的(de)作用下(xià)易粘接在(zài)刀具或工(gōng)件表麵,因此鋁型(xíng)材加工采用高速銑削,一般機床(chuáng)轉(zhuǎn)速在8 000~10 000r/min,適當的進給量,小的徑向和軸(zhóu)向銑削深度。銑削時,大量的銑削熱被切屑帶走,因此,工件和刀具的表麵溫度較低。但在高速加工(gōng)範圍內,隨銑削速度的提高會加劇刀具的磨損。

  鋁合金零件的高速加工對刀具有很高的要求,刀(dāo)具在具有高性價比的同時還必須滿足高質量加(jiā)工的需求,一般采用整體硬質合金刀具。為了滿足鋁型材粗加工和精加工的不同(tóng)要求,刀具選型需(xū)要考慮以(yǐ)下幾個方麵:平穩的切(qiē)削作用,良好的切屑形(xíng)成,極高的材料(liào)去除率等。

  我們通常使用山特維克可樂滿(mǎn)CoroMill刀具(jù)來加工鋁合金薄壁型材。首先這(zhè)種刀片具(jù)有深(shēn)的切削槽,降低了切削力,優化了(le)切屑形成和排除,使切屑飛出並遠離切削區和工件表麵。這種槽形的刀與切屑接(jiē)觸麵更小,有更低的摩擦力和更平穩的切削作用,能采(cǎi)用更大的切削深度。其次這種刀片表麵經過優(yōu)化的噴砂和磨(mó)削處理,能承受鋁合金加工時的切削應力,有效防止鋁合金(jīn)粘接在刀片上。

  另外采用了鋸齒形接口(kǒu)組成iLock刀片座(zuò),定位準確(què),可(kě)以防止刀片出現任何的細微移動。鋸齒形接口的精度(dù)確保了切削刃在(zài)刀具中處於正(zhèng)確的位置,並使由刀片尺寸誤差引起的(de)刀具的徑向跳動量減少1/2。

  在刀柄形式的選(xuǎn)擇上(shàng),由(yóu)於我們的產品(pǐn)以中空型材居多,加工過程中容易產生振動,而且振動非常強烈,所以在加工中采用了側固式、Capto接口等形式的刀柄,避免(miǎn)了刀具脫落(luò)的危險。

  (2)切(qiē)削參數  對壁厚為2.5mm,高度達50mm的單個筋板加工更為關鍵(jiàn)的是要合理選取加工參數,減少(shǎo)振動,保證軟筋板順利完整地加工(gōng)完,同時(shí)兼顧效率。

  當銑刀的切削刃切入工件時,猛然地撞擊(jī)會引起刀具的振動,最初(chū)誘發的刀具振動將改變後續的切屑厚度,隨後當(dāng)切削(xuē)力(lì)變化又反過來引起加工係統的振動加(jiā)劇。切(qiē)削力的方向和變動幅度在很大程(chéng)度上決定了振動趨勢,如果不加以抑製,切削力的變化幅度就(jiù)會增大,從而使切削後的表麵粗糙度值增大,甚至導致切削刃和刀具損壞,此外(wài)還會對機床主軸產(chǎn)生不利影響。為此,必須在切削開始(shǐ)時就抑製(zhì)切(qiē)削力劇(jù)烈的(de)變(biàn)動(dòng)從而抑製振動趨勢。除采用(yòng)防振刀具外,合適的切削參數是抑製顫振的有效方法。逆銑時(shí)刀具切(qiē)入工件時(shí),切削厚度是從薄到厚的漸(jiàn)變過程,因此可(kě)以有效避免刀具對工件(jiàn)的猛烈撞擊,可以有效(xiào)避免刀具及工件筋板的顫振。

  實際應用(yòng)表明,合理的加工參數要(yào)根據加工部位(wèi)、裝夾情況、刀具情況等綜合考慮。加(jiā)工鋁合金(jīn)(EN AW-6005A-T6)中空型材(cái)通常銑削參(cān)數如(rú)附表所示。
 
城軌車體薄壁鋁合金型材加工工藝
 


  (3)切削液的選擇(zé)  城軌(guǐ)車體製造中型材是先加工後焊接,加工後(hòu)工件上不能有殘留的液體,因(yīn)此加(jiā)工采用的(de)是油霧氣冷卻方(fāng)式。

  高速加工產生大量的熱量,如果產生(shēng)的(de)熱量不能及時地(dì)被切削液帶走,將(jiāng)會(huì)發(fā)生粘刀現象,甚至出現積屑瘤,同時(shí)熱量也可使工件發生變形。

  鋁合金型材切削液的選擇(zé),必須保證良好的潤滑性、冷卻性、揮發性和防鏽性,因此可用於鋁合金加工的切削液與普(pǔ)通的乳化切削液有所不同,選擇一款(kuǎn)合(hé)適的切削液是(shì)十(shí)分必要的。對於鋁合(hé)金型材加工應選擇低粘度易(yì)揮發的切削液,如巴索(suǒ)的切削液MK500和美孚維美EDM-3。

  4. 結語

  (1) 鋁(lǚ)合金車(chē)體型材加工時(shí)振動大,因此要選擇剛性較好的機床,尤(yóu)其機床主軸(zhóu)的剛性要好。

  (2) 鋁合金型材加工采用高速加工,因(yīn)此需要(yào)選擇具有高速主軸、高速進給係統、高速控製係統的設備。

  (3) 零件高(gāo)速加工時噪聲非常高,且鋁屑量大、溫度高、速度快,因此操作機床時,一定要做好防護,注意安全,最好配有相應的防(fáng)護(hù)設施。
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