鋁合金動(dòng)車組司機(jī)室外板柔性切割技術(shù)研究

黨鍵 鄒洪偉

1.概述

鋁合金動(dòng)車司機(jī)室外板是由高強(qiáng)度鋁合金板料成形的三維曲面外板零件，然后通過(guò)裁邊、焊接而構(gòu)成的統(tǒng)一整體。外板成形方式主要有漲拉成形、模具成形和手工成形等三種。裁邊作業(yè)是目前外板鋪裝的主要工序之一，需要將成形外板在現(xiàn)車制作中研割成合適的尺寸，去掉多余的工藝邊，整個(gè)作業(yè)時(shí)間占外板鋪裝時(shí)間的25%～35%。

為了提高司機(jī)室外板鋪裝效率和質(zhì)量，有必要對(duì)外板零件自動(dòng)化切割進(jìn)行研究。激光切割具有切縫窄（0.1～0.3mm）、工件熱變形小、工件無(wú)機(jī)械應(yīng)力及表面損傷等優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)通過(guò)柔性漲拉設(shè)備成形的司機(jī)室外板進(jìn)行三維激光切割技術(shù)研究，以期提高司機(jī)室外板切割精度，降低外板鋪裝時(shí)間，提升司機(jī)室外板裝配的質(zhì)量。

2.三維激光切割技術(shù)

（1）三維激光切割工裝改進(jìn) 三維激光切割技術(shù)之前未應(yīng)用于鋁合金高速動(dòng)車組司機(jī)室外板，無(wú)曲面切割專用工裝，現(xiàn)根據(jù)漲拉成形的外板結(jié)構(gòu)制作了柔性工裝對(duì)外板曲面進(jìn)行支撐。如圖1所示，司機(jī)室外板多點(diǎn)柔性切割工裝使用33套高度可數(shù)控調(diào)整的釘柱，在CAM專用軟件的控制下，根據(jù)被支撐零件的不同而自動(dòng)選擇釘柱的使用數(shù)量及高度，支撐成形后的司機(jī)室外板工件，用于對(duì)工件的激光切邊操作，做到一機(jī)多用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

MpSupport軟件可以輸入多點(diǎn)漲拉成形系統(tǒng)的CAD模型數(shù)據(jù)、多點(diǎn)模輸出數(shù)據(jù)，也可以讀取常用的STL格式文件。通過(guò)軟件手動(dòng)或自動(dòng)控制設(shè)備上釘柱的使用數(shù)量及高度，從而用于支撐不同形狀的成形后外板工件，用于對(duì)工件的激光切邊操作。

（2）定位方式改進(jìn) 多點(diǎn)柔性工裝（見(jiàn)圖2）可以方便調(diào)整出與外板曲面形狀相同的支撐型面，既用于定位又用于保形，其空間定位方法可以采用 N-2-1方法（N≥3），如圖3所示。

圖3中的●表示主定位面的N個(gè)定位點(diǎn)，用于限制z向移動(dòng)和x、y向旋轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，調(diào)整N個(gè)定位點(diǎn)的高度可擬合不同的外板曲面形狀，實(shí)現(xiàn)外板零件的定型；表示次定位面的兩個(gè)定位點(diǎn)，用于約束零件的長(zhǎng)邊，限制y向的移動(dòng)和z向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度；◆表示第三基準(zhǔn)面的定位點(diǎn)，限制x向的自由度。

圖1 柔性切割工裝機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2 制造完成的柔性工裝照片

成形后的外板零件在工裝上的定位屬于二次定位，如果定位時(shí)零件在工裝的位置出現(xiàn)較大的偏移或偏轉(zhuǎn)都會(huì)使零件產(chǎn)生強(qiáng)迫變形，這不僅給薄板零件帶來(lái)不必要的內(nèi)應(yīng)力，而且會(huì)影響到零件形狀的準(zhǔn)確性，將定位點(diǎn)放置的距離差值越大，則偏轉(zhuǎn)誤差越小。圖3中實(shí)線表示零件準(zhǔn)確定位時(shí)的位置，虛線表示零件定位位置出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)時(shí)的情況。兩個(gè)定位點(diǎn)A和B之間的距離為d，定位邊的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，δ表示定位時(shí)在B定位點(diǎn)的最大位置偏差，則曲面的最大偏轉(zhuǎn)誤差角ε為：ε=tan-1（δ/d）≈δ/d（δ/d≤1）。由式中可見(jiàn)，當(dāng)δ為定值的時(shí)候，d的取值越大，則偏轉(zhuǎn)誤差角越小，當(dāng)d=L時(shí)，偏轉(zhuǎn)誤差角為最小值：ε=tan-1（δ/L）≈δ/L，在零件實(shí)際定位過(guò)程中，N的取值需要綜合考慮鋁合金外板零件的質(zhì)量、強(qiáng)度、變形量等因素。

圖3 偏轉(zhuǎn)誤差分析

（3）編程方式確認(rèn) 對(duì)于已經(jīng)空間定位的三維曲面零件，而且柔性工裝的坐標(biāo)系與Prima激光切割機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系確定，激光切割的路徑即為零件的邊緣線，為一個(gè)連續(xù)的空間閉合曲線。但在實(shí)際切割路徑中需要考慮邊緣支撐釘柱以及定位器的規(guī)避。以保證外板切割尺寸的準(zhǔn)確和快速。

具體編程方法如下：

步驟1：多點(diǎn)模具CAD軟件將含有切割位置信息和定位信息的外板數(shù)模導(dǎo)出至三維數(shù)據(jù)。

步驟2：將上述三維數(shù)據(jù)按照Z(yǔ)軸方向投影成二維CAD數(shù)據(jù)，并用直線段連接替換投影樣條曲線，設(shè)計(jì)定位孔凸耳，如圖4所示。

步驟3：為了激光切割時(shí)避開(kāi)定位器，將CAD中的一個(gè)封閉輪廓更改為兩個(gè)封閉輪廓，如圖5所示。

步驟4：將更改后的兩個(gè)封閉輪廓倒入BYBASE二維編程軟件中，驗(yàn)證輪廓的封閉性。

圖4 二維CAD數(shù)據(jù)

步驟5：將通過(guò)驗(yàn)證的輪廓倒入三維SiCam編程軟件中進(jìn)行編程并導(dǎo)出，如圖6所示。

3.三維激光切割誤差分析及預(yù)防

激光切割誤差主要受到切割方式、激光參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等方面的影響。

（1）切割方式誤差 Prima激光切割機(jī)為5軸激光切割機(jī)，但由于設(shè)備軟件陳舊，其5軸編程功能應(yīng)用十分困難和繁瑣。在司機(jī)室外板柔性切割試驗(yàn)中，使用二維切割。由于外板零件具有空間三維形狀，而且板厚為4mm，因此該切割方式引起切割誤差。假設(shè)切割為凸切（見(jiàn)圖7），激光垂直于Z軸并向下。

如圖7所示，假設(shè)曲面中性層上P點(diǎn)的主曲率為k1、k2，其中最小曲率為k1，則通過(guò)該點(diǎn)P并且沿最小曲率方向k1做垂直面，在該垂直平面內(nèi)將零件曲面在該點(diǎn)的形狀用圓代替。

圖5

圖6

在激光切割編程中假設(shè)以零件中性層為投影基準(zhǔn)線，由于板材有一定弧度，并且激光垂直Z軸，在零件上表面出現(xiàn)邊緣偏移量L（由弦長(zhǎng)近似代替弧長(zhǎng)）。假設(shè)板厚為t，零件1/2度為m，由P點(diǎn)曲率k1，求得近似圓半徑r=1/k1，則有：tanα=2L/t，sinα=mk1，假設(shè)最小曲率為1/1500，板厚為4mm，板材1/2寬度為750mm，則求得零件上表面偏移量為1.15mm，記為Eroute。

（2）參數(shù)引起的誤差 激光參數(shù)的設(shè)置包括切割速度、離焦量、光斑大小、輔助氣體壓力、激光輸出功率、激光入射角等，它直接影響到切縫寬度和粗糙度，以及切割過(guò)程中的熱變形。對(duì)于相同材質(zhì)、相同厚度的鋁合金板料，通過(guò)試驗(yàn)可以優(yōu)化得到一套相同的激光切割參數(shù)，從而將其對(duì)切割精度的影響認(rèn)為是一個(gè)固定值，進(jìn)行補(bǔ)償后可以忽略對(duì)切割精度的影響。

（3）運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃引起的誤差 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃包括初始穿刺點(diǎn)選擇和合理的運(yùn)動(dòng)軌跡選擇兩個(gè)方面。激光切割初始穿刺點(diǎn)主要影響切割斷口的粗糙度，在對(duì)表面切割斷口沒(méi)有粗糙度要求時(shí)，可以讓軟件自動(dòng)產(chǎn)生穿刺點(diǎn)，但當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)所要加工的零件切割斷面有較高粗糙度要求時(shí)，通常需要在編激光切割程序時(shí)對(duì)激光束的啟始位置做手動(dòng)調(diào)整，把穿刺點(diǎn)移到需要的合理位置。司機(jī)室外板切割試驗(yàn)中穿刺點(diǎn)設(shè)置在零件有用區(qū)域之外，因此避免了該誤差的產(chǎn)生。

圖7 凸切邊緣示意

合理布置切割運(yùn)動(dòng)軌跡，可以減小應(yīng)力釋放帶來(lái)的變形和熱變形翹曲對(duì)零件切割成形精度的影響。在激光切割中，按照先內(nèi)后外、先小后大、先圓后方、先繁后簡(jiǎn)，先內(nèi)后外的原則，使切割產(chǎn)生的熱量有規(guī)律地從里向外傳遞散發(fā)。另外，對(duì)于較長(zhǎng)的異型件可以采用“過(guò)橋”切割法，在切割過(guò)程中人為預(yù)留幾段10～30mm的“橋”，這樣在切割時(shí)由于工件和母體一直相連，使工件變形程度降低，工件冷卻后再切割掉“過(guò)橋”。因此切光切割運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)零件最終切割精度的影響也可以忽略不計(jì)。

（4）綜合誤差分析 對(duì)于司機(jī)室外板零件的激光切割誤差，綜合考慮零件成形誤差、殘余應(yīng)力引起的回彈變形誤差、零件定位誤差以及激光切割誤差，應(yīng)用均方根公式求取綜合誤差，最終求得，Etotal=2.42mm。

4.改進(jìn)后外板鋪裝試驗(yàn)

試驗(yàn)前蒙皮作業(yè)主要可分割為外板粗切割、現(xiàn)車研配劃線、外板精切割、清除氧化層和外板鋪裝（見(jiàn)圖8）等內(nèi)容。激光切割后，試驗(yàn)件蒙皮作業(yè)可分割為現(xiàn)車研配劃線、外板單邊研割、清除氧化層和外板鋪裝，對(duì)比如附表所示。

5.結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用柔性切割技術(shù)生產(chǎn)的高速動(dòng)車組司機(jī)室外板零件，其輪廓尺寸與理論值具有很好的一致性，最大誤差＜0.5%；切割后零件由于成形誤差、殘余應(yīng)力釋放引起的回彈誤差、零件定位誤差以及切割方式引起的綜合誤差＜2.5mm；實(shí)際零件與司機(jī)室木模貼合間隙＜2mm；經(jīng)過(guò)鋪裝試驗(yàn)，漲拉件柔性切割后由兩次、全邊研割優(yōu)化為單邊研割，漲拉件蒙皮時(shí)間降低約34%，漲拉件蒙皮作業(yè)人員減少1～2人。項(xiàng)目結(jié)果達(dá)到預(yù)期的要求。

圖8 三維激光切割試驗(yàn)件鋪裝

柔性切割前后漲拉件蒙皮時(shí)間對(duì)比