城軌車體薄（báo）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（fāng） 彭博
目前城軌鋁合金車體采用（yòng）了許多鋁合金蜂窩型材，各種不同截麵的型材通過加工（gōng）、焊接（jiē）形成整個車體承載結構，這些型材都（dōu）是車體結構的承載梁。
型材（cái）加工（gōng）是車體製（zhì）造工藝過程中的（de）首（shǒu）道（dào）工序，加（jiā）工的型（xíng）材工件長大，加（jiā）工量大，加工時間長，需用超（chāo）大型加工設備。因此型材加工往往是車體生產組織過程中的（de）瓶（píng）頸。研究型（xíng）材加工工藝技術，解決型材加工的難（nán）點問題（tí），對保證型材加工質量，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
幾種典型的型材斷（duàn）麵圖如圖1所示，型材長度與車體一般等（děng）長，一般為19～22m。單個筋板壁厚一般為3～2.5mm，因此剛性（xìng）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，造成產品質量不合格甚至報廢。鋁合金車體型材加工工藝難點主要有兩個方（fāng）麵：一是如何設計合理的工（gōng）裝並合理布置；二是如何解（jiě）決單個薄壁筋板的加工。
2. 工裝設計及布置
與一般小零件銑加工采用通用的機用虎鉗或壓板等夾具不同，邊梁（liáng）和（hé）頂蓋邊梁A型車長22m，B型車也（yě）有19m，空（kōng）調（diào）支（zhī）撐梁一（yī）般長度在4m多（duō），加工時除（chú）需要大型的加（jiā）工設備外還必須設計專用工裝來（lái）安裝固定。
工裝設計關鍵（jiàn）是加工工位以（yǐ）及工（gōng）件、工裝的基準（zhǔn）確定。為了減少（shǎo）裝夾次數，保（bǎo）證（zhèng）加（jiā）工精（jīng）度及效率，工件的裝夾次數一定要越少越好。一般邊梁和頂蓋邊梁為兩個工（gōng）位，這兩個工位的選（xuǎn）取不（bú）能僅考慮加工（gōng）的方便，還必（bì）須考慮工位之間（jiān）的轉換方便。
工裝基準要解決兩個問題，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（zhǒng）車型的邊梁加工工裝，邊梁加工采用水平加工位置，分正、反兩次裝夾完成。正裝工位選擇麵（miàn）積比較（jiào）大（dà），同時（shí）又將處於水平位置的邊梁內側麵作為安裝基準（zhǔn）（Z向），上部頂點作為Y向定（dìng）位（wèi），夾緊點選擇強度（dù）比較高的筋板結合部。
反裝工位選擇邊梁外表麵作為安裝基準（Z向），邊（biān）梁底麵作為Y向定位，夾緊點選擇靠近加工（gōng）區的位置，以保證加工時充分夾緊工（gōng）件，減（jiǎn）少振動。受（shòu）設備Z向行程的限製，工裝不能太高，因（yīn）此夾緊臂設計成彎曲臂，壓塊設計成U形，分別（bié）壓在兩塊筋板上。邊梁總長22m，鋁合金型材比較軟，容易變形，同時筋板薄，加工振動非常大，因此工裝采用單元模塊結構。整個邊（biān）梁采用15個兩種類型模塊組成，成直線布置在工作台上，其（qí）中門框兩端各一個夾緊模塊，門框中間設一（yī）個支撐（chēng）模塊。同時為（wéi）了保證工件直線度，每個工裝模塊（kuài）設計一個統一的安裝基準，采用定位鍵方式安（ān）裝在設備工作平台上。
3. 薄壁筋板的加工（gōng）
城軌車體鋁合金型材一（yī）般采用鋁矽鎂合金6005A擠壓成形，采用（yòng）固溶強化並（bìng）經過人工（gōng）時效處理，極限強（qiáng）度達到255MPa以上。整體（tǐ）強度較高，比重輕，加工過（guò）程中經常出現單個（gè）筋板的加工（見（jiàn）圖（tú）3），這種加工（gōng）因筋板壁（bì）厚小，一般（bān）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（jīn）板剛性很低，此時（shí）加工振動非常大，常常伴（bàn）隨出現筋板變（biàn）形撕裂、刀片碎裂的問題，如何解決這個問題要（yào）從下列（liè）幾個方麵（miàn）考慮。
（1）刀具選擇 鋁型材熔（róng）點低，加工時鋁屑在切削熱的作用下易粘接在刀具或工件表麵，因（yīn）此鋁型材加工采用高速銑削（xuē），一般機床轉速（sù）在8 000～10 000r/min，適當的進給量（liàng），小的徑向和軸向（xiàng）銑削深度。銑削時，大量的銑削熱（rè）被切屑帶走，因（yīn）此，工件和（hé）刀（dāo）具的表麵溫度較低。但在高（gāo）速加（jiā）工範圍內（nèi），隨（suí）銑削速度（dù）的提高會加劇刀具的（de）磨損。
鋁合金零（líng）件的高速加工對刀具（jù）有很高的要（yào）求，刀具在（zài）具（jù）有高性價比（bǐ）的同（tóng）時還必須（xū）滿足高質量加工（gōng）的需求，一般采（cǎi）用整體硬質合金刀具。為（wéi）了滿足鋁型材粗加工和精（jīng）加工的不同要求，刀具選型需要考慮以下幾個方麵：平（píng）穩的切削作用，良好的切（qiē）屑形成，極高的材料去除率（lǜ）等。
我們通常使用山特維克可樂滿CoroMill刀（dāo）具來加工鋁合金薄壁型材。首（shǒu）先這種刀片具有深（shēn）的切削槽，降（jiàng）低了切削力，優化了切屑形成（chéng）和排除，使切屑飛出並遠離（lí）切（qiē）削區和工件表麵。這（zhè）種槽形的刀與切屑（xiè）接觸麵更小，有更低的摩擦力和更平穩的切削作用，能采用更大（dà）的切削深度。其次這種刀（dāo）片表麵經過優化的噴砂和磨削處理（lǐ），能承受鋁合金加工時的切削應力，有（yǒu）效防止（zhǐ）鋁合（hé）金粘接在刀片上。
另外采用了（le）鋸（jù）齒（chǐ）形接（jiē）口組（zǔ）成iLock刀片座，定位準（zhǔn）確，可（kě）以防止刀片出現任何的細微移動。鋸齒形接口的精度確保了切削刃在刀具中處於正確的位置，並使由刀片尺（chǐ）寸誤差引起的刀具的徑向跳動量減少1/2。
在刀柄形式（shì）的選擇上，由於（yú）我們的產品以中空型材居多，加（jiā）工過程中容易產生振動，而且（qiě）振動非常強烈，所以在加工中采（cǎi）用了側固式、Capto接（jiē）口（kǒu）等形式的刀柄，避免了刀具脫落的危險（xiǎn）。
（2）切削參數 對（duì）壁（bì）厚（hòu）為2.5mm，高度達50mm的（de）單個筋（jīn）板加工更為關鍵的是（shì）要（yào）合（hé）理選取加工參數，減少振動（dòng），保證軟（ruǎn）筋板（bǎn）順利完整地加工完，同時兼顧效率。
當（dāng）銑刀的切削刃切入工件時，猛然地撞擊會引起刀（dāo）具的振（zhèn）動，最初誘發的刀具（jù）振（zhèn）動將改（gǎi）變後續的切屑厚度，隨後當（dāng）切削力變化又反過來引（yǐn）起加（jiā）工係統（tǒng）的振動加劇。切削力的（de）方向和變動幅度在很大程度上決定了振動（dòng）趨勢，如果不加以抑製（zhì），切削力的變化幅度就會增大，從（cóng）而（ér）使切削後的表麵粗糙（cāo）度值增大，甚至導致切削刃和刀（dāo）具損（sǔn）壞，此外還會對機床主軸產生不利影響。為此，必須在切（qiē）削開始時就抑製切削（xuē）力劇烈的變動從而抑製（zhì）振動趨勢。除采用（yòng）防振刀具外（wài），合適的（de）切削參數是抑製顫振的有效方法。逆銑時刀具切入工件時，切削厚度是（shì）從薄到厚的漸（jiàn）變過程，因（yīn）此可以有效（xiào）避免刀具對工（gōng）件的猛烈撞（zhuàng）擊，可以有效避（bì）免刀具（jù）及工件筋板的顫振。
實際應用表明，合理的加工參數要根據加工部位、裝夾情況、刀具情況（kuàng）等綜合考慮。加工鋁（lǚ）合金（EN AW-6005A-T6）中空型材通常銑削（xuē）參數如附表所示。
（3）切削（xuē）液的選擇（zé） 城軌車體製造中型（xíng）材是先加工（gōng）後焊接，加工（gōng）後工件上不能（néng）有殘留的液體，因此加工采用的是油霧氣冷卻（què）方式。
高速加工產生大量的熱量（liàng），如果產（chǎn）生的熱量不能及時地被切削液帶走，將會發生粘刀（dāo）現象，甚至出現積屑瘤，同時熱量也可使工件發生變形。
鋁合金型材切削液的（de）選擇，必須保證良好的（de）潤滑（huá）性、冷卻性、揮發性和防鏽性，因此可用於鋁合金加（jiā）工的切削液與（yǔ）普通的乳化切削液有所不同，選擇一款合適的切削（xuē）液是十（shí）分必要的。對於鋁合金型材加工應選（xuǎn）擇低粘度易揮發的切削液，如巴索的切削液（yè）MK500和美孚（fú）維美EDM-3。
4. 結語
（1) 鋁合金車體型材加工時振動大，因此要選擇剛性較好的機（jī）床，尤（yóu）其機床主軸的（de）剛性要好。
（2) 鋁合金型材加工采用高速（sù）加工，因此（cǐ）需要選擇具有高速主軸（zhóu）、高速進給係統、高速控（kòng）製係統的設備。
（3) 零（líng）件高速加工時噪聲非常高，且（qiě）鋁屑（xiè）量大、溫（wēn）度高、速度快，因此操作機床時，一定要做好防護，注意安全，最好配有相應的防護設施。
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