端墻輪廓尺寸研究與控制

李 會(huì)，王陸釗，李 聰，郭繼祥，楊艷群

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司制造技術(shù)中心，河北唐山063035)

0 前言

隨著動(dòng)車組、城軌車的高速發(fā)展，軌道車輛的生產(chǎn)效率逐漸成為生產(chǎn)單位關(guān)注的焦點(diǎn)之一。某軌道車輛項(xiàng)目車體生產(chǎn)過(guò)程中，端墻的輪廓尺寸局部超差，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)尺寸不滿足要求的部分進(jìn)行返修，這增大了勞動(dòng)強(qiáng)度、降低了生產(chǎn)效率。因此針對(duì)組焊后普遍出現(xiàn)端墻輪廓尺寸超差的問(wèn)題，從焊接變形、端墻板機(jī)加工尺寸控制、彎曲型材尺寸、焊接順序等方面進(jìn)行了綜合分析。并且針對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出了控制端墻輪廓尺寸超差的有效措施。

1 研究?jī)?nèi)容

圖1為某軌道車輛項(xiàng)目的端墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)圖紙要求端墻組焊完成后，車頂連接梁最高點(diǎn)M與端墻最寬點(diǎn)N之間的輪廓尺寸(見(jiàn)圖2b)的制造偏差為20±2 mm。在生產(chǎn)過(guò)程中，采用離弧檢測(cè)樣板對(duì)端墻輪廓尺寸進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量基點(diǎn)分別為車頂連接梁的最高點(diǎn)M和端墻最寬點(diǎn)N，測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)批量端墻輪廓尺寸局部超差，超差部分集中在側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁的連接處（見(jiàn)圖2b和圖6），超差范圍為0～4 mm，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，需要進(jìn)行返修，但返修過(guò)程繁瑣，且會(huì)降低產(chǎn)品力學(xué)性能，浪費(fèi)人力、材料和時(shí)間，降低生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，本研究對(duì)端墻輪廓尺寸局部超差問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，闡述問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并找出解決措施。

圖1 端墻結(jié)構(gòu)

2 原因分析和解決措施

綜合分析后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因包括：焊接過(guò)程中焊接熱輸入集中使得工件局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致測(cè)量基點(diǎn)M下塌；端墻板寬度尺寸小，導(dǎo)致測(cè)量基點(diǎn)N向內(nèi)部偏移；彎曲型材的彎曲回彈導(dǎo)致端墻輪廓尺寸局部增大；焊接順序不同引起焊后型材收縮量不同等幾個(gè)方面。針對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，通過(guò)試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證，最后得出了以下合理解決方案。

（1）減小端墻輪廓尺寸測(cè)量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部的偏移量。

端墻組成由端墻板和1～6號(hào)件組成，圖2a為端墻板結(jié)構(gòu)圖；圖2b為端墻組成圖，其中1號(hào)件為車頂連接梁，2號(hào)件為側(cè)彎梁，3號(hào)件為內(nèi)彎梁，4號(hào)件為蓋板，5號(hào)件為端角柱，6號(hào)件為復(fù)軌座。圖2b中以車頂連接梁的最高點(diǎn)M、端墻最寬點(diǎn)N作為離弧檢測(cè)樣板測(cè)量端墻輪廓尺寸的測(cè)量基點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)批量端墻的側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁連接處的輪廓尺寸超差，其原因之一是測(cè)量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部偏移。通過(guò)圖2b可以看出，當(dāng)車頂連接梁的最高點(diǎn)M、端墻最寬點(diǎn)N由于某種原因向端墻內(nèi)部偏移，而M和N兩基點(diǎn)之間的端墻型材并未整體向內(nèi)部偏移，最終導(dǎo)致M和N之間的端墻輪廓尺寸測(cè)量值偏大。通過(guò)分析得出以下措施改善測(cè)量基點(diǎn)M和N向端墻內(nèi)部偏移，減小端墻局部輪廓超差的數(shù)值。

圖2 端墻結(jié)構(gòu)及組成

a.調(diào)整焊接順序并控制焊接過(guò)程中工件溫度。

車頂連接梁和復(fù)軌座之間采用a4的單層單道角焊縫連接，焊縫長(zhǎng)度為641 mm，焊接方法為MIG焊，如圖3所示。通過(guò)對(duì)車頂連接梁型材焊前高度、焊后高度尺寸進(jìn)行批量測(cè)量和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有車頂連接梁型材與復(fù)軌座連接的焊縫處都有不同程度的下塌，最大約2 mm。由于此處型材塌陷而導(dǎo)致作為端墻輪廓尺寸測(cè)量的基點(diǎn)M向端墻內(nèi)部偏移。

圖3 車頂連接梁組成

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生上述情況的原因有兩個(gè)：第一，鋁在370℃時(shí)強(qiáng)度僅為10 MPa，焊接時(shí)會(huì)因?yàn)椴荒苤巫∫后w金屬而形成塌陷[1]，而車頂連接梁與復(fù)軌座之間的a4角焊縫較長(zhǎng)，整道焊縫不間斷的焊接會(huì)導(dǎo)致熱量集中且很大（MIG焊電弧溫度高達(dá)10 000℃），焊縫附近型材局部溫度過(guò)高，因此容易塌陷；第二，鋁合金的線膨脹系數(shù)大[2]，焊接過(guò)程中熱量集中導(dǎo)致工件局部溫度較高，使得車頂連接梁焊縫附近型材局部受熱膨脹，同時(shí)，由于車頂連接梁型材為彎曲型材，每個(gè)工件的彎曲回彈不能保證完全一致，因此彎曲后的連接梁型材弧度是不同的，這就使得其與工裝無(wú)法密貼，因此型材受熱膨脹后變形，造成塌陷。

因此，在焊接過(guò)程中采用如圖4所示的焊接順序，焊接方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉Ｔ诤附油?和2后，自然冷卻工件，待工件溫度在100℃左右時(shí)，再焊接3和4。采用上述方法焊接后，再對(duì)焊后工件進(jìn)行檢測(cè)，得出下塌量基本控制在0.5 mm左右。

b.增大端墻板寬度尺寸。

圖4 焊接順序

圖2a中標(biāo)有尺寸b的一段是以端墻板機(jī)加工后的寬度尺寸為基準(zhǔn)，進(jìn)行端墻板和端角柱之間的裝配，端墻板機(jī)加工后最寬處的尺寸值a=2 846.8 mm，端墻整體焊接完成以后，其最寬處的尺寸為3 247～3 249 mm，靠近設(shè)計(jì)尺寸的下偏差，見(jiàn)圖2b，既端墻輪廓尺寸測(cè)量基點(diǎn)N也相對(duì)向端墻內(nèi)部偏移了。為將端墻輪廓尺寸的測(cè)量基點(diǎn)N向外移動(dòng)，故在端墻焊完后寬度尺寸不超標(biāo)的情況下，將端墻板局部加寬，如圖2a中端墻板標(biāo)有b的一段的兩側(cè)輪廓各加寬1 mm，即a值由2 846.8 mm改為2 848.8 mm，端墻板加寬后，端墻組焊完成后其最寬處尺寸一般為3 249～3 251 mm，在設(shè)計(jì)允許的尺寸公差范圍內(nèi)。通過(guò)加寬端墻板局部輪廓尺寸，可以使端墻輪廓尺寸測(cè)量基點(diǎn)N向端墻外部偏移。

通過(guò)以上兩種措施，能有效控制端墻輪廓尺寸的兩個(gè)測(cè)量基點(diǎn)向端墻內(nèi)部的偏移量。

（2）彎曲型材回彈導(dǎo)致端墻輪廓局部尺寸增大。

彎曲沖壓件在軌道車輛零部件中占有一定比例，因此部件的裝配及質(zhì)量都將受到彎曲工藝的影響。而回彈一直都是彎曲成形過(guò)程中常見(jiàn)又難以解決的缺陷問(wèn)題，其存在使得沖壓件的精度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[3]。圖2b中的1號(hào)件、2號(hào)件和3號(hào)件都為彎曲型材。在端墻組裝過(guò)程中，圖2a中端墻板標(biāo)有尺寸c的部分是以內(nèi)彎梁（如圖5所示）的尺寸為基準(zhǔn)，通過(guò)修磨端墻板和內(nèi)彎梁的端部（端墻板和內(nèi)彎梁端部都有加工余量），進(jìn)行端墻板與內(nèi)彎梁之間的裝配。內(nèi)彎梁為彎曲型材，其口部的尺寸都接近設(shè)計(jì)尺寸的上偏差2 542 mm，見(jiàn)圖5b。內(nèi)彎梁口部的尺寸接近設(shè)計(jì)尺寸的上偏差時(shí)，圖2a中端墻板標(biāo)有c的一段的頂部水平部分的修磨量大，圓弧部分的修磨量則由內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸遞減，同時(shí)內(nèi)彎梁端部的修磨量較大；因此，端墻輪廓尺寸測(cè)量基點(diǎn)M相對(duì)向端墻內(nèi)部偏移，最終導(dǎo)致端墻的局部輪廓尺寸測(cè)量值偏大。同理，車頂連接梁（圖2b中1號(hào)件）彎曲部分的回彈導(dǎo)致其與側(cè)彎梁連接處的輪廓測(cè)量值偏大。但由于彎曲型材是外購(gòu)件，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)則需要供應(yīng)商重新制造或修改模具，由此造成的生產(chǎn)成本太高，且生產(chǎn)周期也很長(zhǎng)，耽誤生產(chǎn)進(jìn)度，故由此原因造成的端墻輪廓較大需通過(guò)工藝方法進(jìn)行改善。

圖5 內(nèi)彎梁

（3）調(diào)整焊接順序。

端墻是在翻轉(zhuǎn)工裝胎位上的卡具壓卡下焊接完成的。由于端墻的輪廓尺寸超差部分集中在側(cè)彎梁、側(cè)彎梁與車頂連接梁的連接部分。因此，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，選擇出合適長(zhǎng)度和位置的焊縫做為預(yù)留焊縫，如圖6所示，在端墻其他焊縫全部完成后將其移離工裝胎位，使工件處于自由狀態(tài)時(shí)再進(jìn)行焊接。采用此種方法的原因是鋁合金的結(jié)晶收縮率大[4]，工件處于自由狀態(tài)時(shí)焊接，可以自由收縮，使預(yù)留焊縫處的端墻輪廓向端墻內(nèi)部移動(dòng)量較大，減小此處端墻輪廓尺寸。此種方法既能保證端墻的輪廓尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，又能使焊縫自由收縮，減小焊接內(nèi)應(yīng)力[5]。

圖6 端墻預(yù)留焊縫

綜上所述，通過(guò)以上幾種方法的綜合運(yùn)用，最終通過(guò)優(yōu)化工藝保證了端墻的輪廓尺寸在設(shè)計(jì)公差范圍內(nèi)，得到了合格的產(chǎn)品，避免因返修導(dǎo)致的焊縫力學(xué)性能降低、人力、材料以及時(shí)間的浪費(fèi)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

（1）引起端墻輪廓尺寸局部超差的原因有焊接過(guò)程中工件溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致測(cè)量基點(diǎn)下塌；端墻板寬度尺寸小，導(dǎo)致測(cè)量基點(diǎn)相對(duì)向端墻內(nèi)部偏移；彎曲型材回彈導(dǎo)致端墻輪廓尺寸局部增大；焊接順序不同引起焊后型材收縮量不同。

（2）通過(guò)控制焊接過(guò)程中工件的溫度，可以有效防止端墻輪廓尺寸的測(cè)量基點(diǎn)M下塌。

（3）通過(guò)加寬與端角柱連接部分的端墻板寬度可以使端墻輪廓尺寸測(cè)量基點(diǎn)N得到優(yōu)化。

（4）通過(guò)調(diào)整焊接順序，將端墻輪廓尺寸超差部分的焊縫作為預(yù)留焊縫，使其在自由狀態(tài)下焊接，增大焊縫收縮量的同時(shí)減小焊接內(nèi)應(yīng)力。

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