高速動車組司機室前端墻加工工藝研制

馬宏福 馮孝忠 魯 祥 李寶旺

(唐山軌道客車有限責任公司，河北 唐山 063035)

1 概述

司機室前端墻作為司機室的一個重要部件，前與開閉機構相連，起到安裝開閉機構，封閉駕駛室的作用。司機室前端墻由多個單件焊接而成，其中主體結構為15mm厚的前面板、防撞梁和2個小前面板，同時還有多個加強板和筋板。前端墻的整體工藝為先將有工藝放量的零件進行組焊，組焊后再整體加工，加工工序包括銑削外輪廓，加工外輪廓反向焊接坡口，銑削上表面組裝面和組裝面邊緣倒角等工作。由于前端墻面積大、厚度薄、焊縫多，導致焊接變形較其他零件大，給加工帶來了較大的難度。

2 設計專用加工工裝

目前，動車中小零部件都采用通用工裝——方箱進行裝夾，方箱雖然通用性強，但是在加工前墻此類關鍵件時裝夾、定位繁瑣，難以保證加工尺寸，同時，周邊的輪廓需要整體加工，通用工裝無法完成對其的裝夾、定位。前墻加工專用工裝的使用，提高了前墻的壓緊力和剛性，加工過程中只需要簡單的更換部分夾具的壓緊位置，便可完成所有的加工工作。

2.1 確定主、輔定位面

由于防撞梁與前面板在焊接過程中發生變形，如果將防撞梁底面作為定位面，將導致面板上待加工面傾斜，因此，為保證前墻上表面為工藝基準，須以工裝上表面作為主定位面。下表面為輔助定位面。為解決工件與輔助定位面的間隙影響裝夾問題，當上表面定位面上的壓夾夾緊后，給輔助定位面上的縫隙放置合適厚度的墊片，然后進行壓夾，如圖1所示。

圖1 工裝的基準定位和輔助定位

2.2 滿足前端墻內、外輪廓加工工藝要求

此工裝成功解決了加工前端墻內、外輪廓時通用工裝裝夾剛性不足和加工干涉問題。加工前端墻外輪廓和外輪廓反向坡口時，為了避免刀具與工裝碰撞干涉，將圖2標識的2個夾具卸掉（左右各一個），而另外4個夾具壓緊外輪廓余料部分，保證了工件的剛性和可靠性；同時，在加工外輪廓的反坡口和加工內外輪廓時，壓緊上面的2個大的可旋轉的夾具，這2個夾具的作用為完成外輪廓加工后，夾持余料部分的4個夾具對工件失去壓緊作用的情況下，保證工件的壓緊力和穩定性。

圖2 加工外輪廓的壓夾方式

3 設計前墻上表面裝配面加工工藝

在加工前墻上表面的組裝面和其邊緣的倒角時，原有的條件為分別用面銑刀和45度坡口刀進行銑削，經過論證，這兩道工序可以合成為一道工序，一把刀專用刀具可以替代原來的兩把刀具。具體方法為：將63mm的盤銑刀的側齒切削角度設計成與工件一致的45度，按照此要求，與刀具廠家共同開發了新銑刀。經過驗證，加工效果良好。

4 制定外輪廓反焊接坡口加工工藝

外輪廓的反向焊接坡口加工工藝為本次文的難點（如圖3）。此坡口是在15mm厚的鋁板上，由于坡口的母體輪廓為不規則曲線，手工無法編程，因此采用了CAM技術。計算機編制出來的數控程序是按照理論模型生成的，而實際由于鋁合金焊接變形量較大（焊接變形主要存在于高度方向上），如果按照理論值加工反坡口，正向變形的部位則加工不到位，反向變形的部位又造成加工過切。為解決以上問題，須將高度方向的焊接變形量的補償值加入到數控加工程序中。焊接變形量可以通過編制探點程序，利用數控機床與觸發式測量設備獲得，但是如何把變形量加入到計算機編制的海量的程序中卻是個難題。

圖3 外輪廓加工

圖4 前墻外輪廓焊接變形測量點圖

CAM軟件產生的程序步長約0.2mm，整個輪廓總計有8000多個點位，即8000多段加工程序，由于工作量太大，從工作時間上、機床的成本上都不可能在每個計算機生成的加工點處測量變形量，也不可能通過手工在每個點都加入探點補償值。根據前墻焊接變形的規律，本文提出在變形曲線曲率發生明顯變化的點處設置探測點，將每個測量區段的變形量均化到每個數控加工點中的設想。經過計算，前墻上面板的曲率明顯變化點共計16個，具體位置見圖4，將此點作為變形量測量點，每個區段的變形曲線近似線性，可按照線性來計算，通過將此區段的總變形量平均分配到每個數控加工點處，即可計算出每個計算機編程點處的焊接變形量。例如：圖4中C1和C2兩點間的距離為200mm，通過機床測量，將這兩個點的Z值分別存儲到變量R21、R22中，而C1和C2兩點間共計80個加工點，由于此區段的焊接變形為線性的，因此，每兩個加工點的高度方向變化為△Z=（R22-R21）/80，就是說在這個區段不用再探點，從C1開始，Z值（高度值）為R21，下一個Z值為R21+△Z，第N個點的Z值為R21+N△Z。經過大量的手工處理，將計算機生成的程序進行了修改，在第二個前墻加工中進行了驗證，程序運行正常，反坡口加工質量良好，尺寸完全符合圖紙要求。

改進后的部分程序如下（C1-C2區段）[3][4]：

注：以上為西門子840D數控程序，“atrans”表示坐標系在上次的坐標系上進行偏移，“atrans Z=R161”表示坐標系在高度方向較上次偏移了R161，R161為變量，在此處表示高度方向的變化量，即△Z。

5 結論

本文通過設計、使用專用工裝，實現了一次裝夾可完成高速動車組司機室前端墻所有的加工任務，保證了前端墻的加工精度；設計了上表面組裝面與邊緣斜角輪廓一次成型加工工藝，減少了走刀次數，縮短了加工時間，降低了刀具使用成本；通過焊接變形分析和誤差補償技術的應用，解決了由于焊接變形導致焊接坡口難以加工的難題，避免了手工打磨，提高了作業效率。

[1]王先逵.機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業出版社.2007.

[2]徐宏海.數控機床刀具及其應用[M].北京：化學工業出版社.2005.

[3]SINUMERIK 840D/840Di/810D高級編程手冊，2004.

[4]榮瑞芳.數控加工工藝與編程[M].西安:西安電子科技大學出版社.2005.