铝合金车体大型部件变形分析及加工方案研究

铝合金车体大型部件变形分析及加工方案研究

马一驰[1] ,严格格[2]

中车长春轨道客车股份有限公司  

摘要:在轨道交通行业中铝合金车体大部件加工过程中，变形缺陷对其会产生较大影响。本文主要对铝合金车体部件结构、变形类别、形成原因进行了分析，并分析产生的型材变形、焊接变形、工艺变形等缺陷类别，同时提出变形产生的原因以及对应的解决措施，并针对解决措施进行了详细的分析和验证。

关键词:铝合金车体；大型部件；变形缺陷；加工方案

一、铝合金车体的基本结构及特性

铝合金由于自身刚度较小的材料特性，且部分车体大型部件在加工前还需经过组焊、预置挠度等工艺过程，会导致待加工部件在加工前就已经产生了较大的变形量，这一特点需要在加工工艺策划过程中重点考虑。铝合金车体主要由底架组成、侧墙组成、端墙组成、车顶边梁、车顶板等结构及小部件组成。上述各大型部件基本是使用大型数控铣床对组焊后的铝型材进行加工而成。

二、部件变形的类别及其成因

2.1 型材变形

铝合金型材在挤压成型的过程中会产生缺陷，对车体加工的影响较大，尤其尺寸超差、型材的扭曲变形，端面不均匀等问题都是影响加工的主要因素。在工艺流程的策划过程中需要考虑各部件的平面度、直线度及轮廓度等参数标准。

2.2 焊接变形

对于轨道交通车辆来说，车体上相关部件如：地板、侧墙、底架、端墙、车顶板等大型部件在进行加工之前需通过焊接将若干块小型材组焊成一个大的构件，而在焊接过程中会产生焊接变形，特别是在长度较长、平面较大、或是采用搅拌摩擦焊的部件上表现尤为明显[1-2]。工件在焊缝附近会产生沿焊缝垂直方向上的收缩变形，进而使焊缝两侧的型材出现翘曲，最终导致部件直线度和平面度出现偏差。

2.3 工艺变形

在轨道车辆铝合金车体的制造与使用过程中，多种因素可能会导致车体产生向下的挠度，例如车体自重和载重，运行过程中的垂向振动等。为补偿这个向下的挠度，一般都会在制造过程中增加向上的预置挠度，其中侧墙和底架是需要预置挠度的核心部件[3-4]。但预置挠度会对加工造成一定的影响，因此，在进行加工工艺策划时需要采取相应的措施来降低其对加工精度的影响。

三、部件变形的解决方案

以上原因导致部件产生变形后，需要在加工工艺策划时采取对应的解决措施避免在加工过程中导致尺寸超差。解决方案也以探针探测补偿法、试切测量法、保留余量法、人工打磨法为主。

3.1 探针探测补偿法

探针探测补偿法是利用数控机床的测量探针探测工件表面指定点X/Y/Z方向的坐标值，并存储于机床中，然后在加工过程中根据存储的实际坐标值对工件的加工数据进行补偿的一种方法。探针探测补偿法广泛应用于长度较长、平面较大部件的加工，如侧墙、车顶、地板、底架、边梁、端墙等的加工。铝合金车体组焊大部件最易产生直线度和平面度方面的变形，这些变形会直接影响到滑槽、平面、盲孔等的加工精度，利用探针探测补偿法可以较好地解决这类变形问题。如下图所示，图1为大型数控铣床所使用的雷尼绍探头及探针，图2为实际加工过程中获取的探测数值。

图1 雷尼绍探头及探针                 图2 实际加工过程中获取的探测数值

3.2 试切测量法

此种测量法的弊端为无法保证一次加工到位，需在每次切削后都进行测量，根据测量结果确定下一次切削的参数，直至满足加工要求。部分部件的某些加工元素精度要求高，不易加工，而且由于存在变形等缺陷更增加了加工难度。如底架空气簧面加工等大平面加工，焊接坡口加工等，不仅难以进行精确探测及补偿，且极易过切。

3.3 保留余量法

保留余量法是指实际加工时的加工尺寸未达理论加工尺寸，留有加工余量的一种方法。适用于极其容易过切，或者需要为后道工序组焊留有一定的研配量的加工要素，例如大部件的齐头加工、端头去皮、型筋、滑槽加工等。这种方法特别适合后道工序需要留有研配量，或及其容易过切的部位，同时还可以提高加工效率，降低加工工时，但其不适用于加工精度要求高的部位，而且会增加人工打磨成本。

3.4 人工打磨法

对于加工量较小，精度要求较低，且确实难以加工或加工效率极低的部位，或是后续进行加改，无法返回机床再进行加工，同时使用相应的控制措施可以满足技术要求的，可以考虑直接使用人工打磨法。例如部分大部件的排水槽等。人工打磨法的优点为节约机床资源，减少刀具种类，灵活性强。缺点为精度较差，且增加人工打磨成本。

四、解决方案的应用案例

图3所示为某城铁项目的车顶圆顶板组成，主要加工需求为：去除部分自带滑槽、加工各种形状通孔用于设备安装；进行长度方向定尺加工、两端进行型材去皮加工满足车体总组成组焊需求。其加工工艺流程为：型材自带滑槽加工、方孔加工、圆孔加工、定尺加工（两端齐头）、端头去皮、排水槽与排水孔加工。

由于存在型材变形与焊接变形，且部件长度较长，导致滑槽加工易伤母材，因此滑槽加工采用探针探测补偿法、保留余量法联合使用的工艺方法，图3显示了加工前的探针探测点，同时在加工程序中保留了3mm加工余量进一步防止过切，若存在需要完全磨平的部位采用人工打磨即可。

图3 探针探测补偿法应用示例

同理，由于存在型材变形与焊接变形使断面弧形轮廓度存在误差，导致端头去皮加工易产生过切，因此端头去皮加工采用试切测量法、保留余量法联合使用的工艺方法，在程序中的Z值不按照实际值给定，先按照保守值进行一段切削，再进行测量，操作人员根据测量值在机床中自行偏置Z值进行加工，同时保留5mm左右余量进行人工打磨进一步防止过切。

在排水槽加工工步，由于此加工要素加工精度不高，且难以使用合适刀具进行加工，因此采用人工打磨法能够满足要求。

五、总结

通过以上论述，可以了解铝合金车体大型部件的变形种类及产生原因，主要为型材变形、焊接变形、工艺变形三类。针对不同部件的特点及变形种类，结合实际加工经验提出了四种加工解决方案，即探针探测补偿法、试切测量法、保留余量法、人工打磨法。同时，以车顶圆顶板组成加工为例，对各种加工方案在实际中的应用进行了分析，论证了上述各个方案的可行性。

参考文献

［1］ 赵丽玲，葛少平，唐衡郴，等. 高速动车组端端焊接变形控制［J］. 电焊机，2018，48（3）：344.

［2］ 王善俊，薛俊伟，闫学良，等. 低地板有轨电车BM底架挠度控制及解决措施［J］. 轨道交通装备与技术，2018（3）：37.

［3］ 姚杞，黄海旭，黄剑. 有轨电车不锈钢顶盖挠度控制工艺研究［J］. 技术与市场，2018，25（3）：36.

［4］ 岳彦虎. 铝合金城轨车辆车体挠度控制工艺方法［J］. 工程技术（文摘版），2017（3）：0 0099.