軌道客車構架薄板類坡口銑削參數探討

■唐山軌道客車有限責任公司 （河北 063035） 鄭建科 王 偉

軌道客車構架薄板類坡口銑削參數探討

■唐山軌道客車有限責任公司 （河北 063035） 鄭建科 王 偉

摘要：本文分析了軌道客車構架薄板類焊接坡口銑削加工的影響因素，并列舉了編寫的數控加工宏程序，得出此類件加工的手工編程方法，不僅簡單、方便，而且能提升加工的質量和效率；結合設備提出了銑削參數的確定方法，為薄板類坡口加工參數的確定提供了參考。

目前，軌道客車或動車轉向架的構架采用薄板焊接結構（見圖1），主要分為側梁組成和橫梁組成，即采用鋼板焊接結構的箱形側梁組成和與側梁相貫通的無縫鋼管及各個附件組成的H形橫梁組成。側梁組成采用“四塊板”焊接結構，側梁的下部焊接有托板組成和抗側滾扭桿座；橫梁主體為無縫鋼管結構，橫梁組成則是在主體無縫鋼管上焊接電機吊座、齒輪箱吊座、牽引拉桿座和制動吊座等附件，除了兩根橫梁是無縫鋼管外，其余均由厚度在8～ 40mm之間不等的薄板焊接而成。根據產品特性和焊接性能等因素，需要將各類薄板焊接連接處銑削成10°～80°不等的坡口。

通常，銑削是一個由多齒參與的斷續銑削過程。相對于其他銑削加工形式，其具有銑削力小、加工變形小、銑削溫度低、加工能力強及材料去除率高等諸多優點，因而被廣泛應用于航空航天、汽車及軌道交通裝備制造等行業。

隨著制造業的快速發展，越來越多的先進數控系統的銑削加工設備不斷涌現出來，例如不同型號的數控立式、臥式加工中心或龍門加工中心等先進設備，都適合銑削加工。目前軌道交通裝備制造行業，加工各種不同厚度、不同形狀的板類坡口，通常是在數控立式加工中心上進行，這種加工方式往往是產量大，形狀復雜，而工期又緊，所以在提高生產效率的同時，要最大程度地降低設備故障周期和提高刀具使用壽命，進而合理地降低生產成本。本文基于對薄板加工應用宏程序進行編程，根據經驗對構架薄板類坡口加工選擇合理的編程方法和銑削參數，有一定的指導意義。

圖1　軌道客車構架

1. 薄板類坡口銑削加工的影響因素

構架薄板類板材的材質均為Q345中碳鋼鋼板，采用火焰或激光切割成型，通常情況下的成型不需要留量，只在相互焊接的連接處根據產品特性加工出不同角度的焊接坡口；只有形狀復雜的個別件在火焰切割下料時需要留量3mm左右，先加工周邊后加工坡口，所以大多數薄板都是沒有留量只加工坡口。由于下料時周邊出現局部硬化，使得表層的硬度要比普通Q345的硬度高，硬度越高，銑削力就越大，這樣在加工坡口過程中，編程方法及銑削參數的選擇就有了一定的難度。

目前要提高薄板類坡口銑削加工的效率，同時還要保證產品質量，就得從加工設備、刀具及編程加工方法上找影響銑削參數的原因。

2. 數控銑削編程方法

編程方法主要有手工編程和軟件編程兩種，手工編程比較簡單，很容易掌握，適應性較大，編制程序的質量與數控系統、數控加工工藝及編程人員多方面的知識和經驗息息相關。宏程序不僅是一種數控編程的手段，更重要的是，使用宏程序進行編程的本身也是一個熟知數控系統功能、優化及確定加工工藝的過程。因此，能夠熟練應用宏程序進行編程的人員，必須具有扎實的數控加工工藝知識；在加工有規律的產品時，無論是加工速度還是加工精度，宏程序都比自動編程效果好，也比自動編程軟件編程精練，修改方便。應用宏程序編程對于加工薄板坡口更為方便、靈活且效率高，既能實現相同加工的子程序調用，又能實現一些子程序無法實現的特殊功能。

在這里列舉了軌道客車轉向架構架類薄板坡口加工采用宏程序編程的例子，根據薄板的材質、厚度、圖樣要求的角度、刀具以及加工設備功率等參數的限制，銑削需要多次下刀加工。圖2a為起始加工，圖2b為最后一次下刀后的加工，中間多次下刀加工通過應用宏程序定義的增量來定義下刀的次數，圖2c為每次進給的參數，即主軸每次下刀移動的參數R7和R8，很方便地實現產品的多次銑削過程（見圖2）。

圖2中，R1為板厚；R2為頓邊；R3為角度；R7為瞬時深度，R7=-（R5×R6）；R8為瞬時寬度，R8= R7×tan（R3）。

25G型客車轉向架構架側梁內立板坡口加工程序如下（見圖3）。

O001

M6T1D1 M3 S1000

R1=14

R2=1.5

R3=50

R4=（R1-R2）×tan（R3） %坡口深度

R5=3%每次下刀深度

R6=1%變量

R7=-（R5×R6） %瞬時深度

R8=R7×tan（R3） %瞬時寬度

AA:

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=R7

G1G41X=1646.5OFFN=-（R4-R8）F400

X=-1646.5Y0

Y104RND=50

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

Y0

X=-1646.5-100

G40

R6= R6+1

R7=R5×R6

R8=R7×tan（R3）

IF R7≤（R1-R2）GOTO AA

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=-R1+R2

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

Y0

X-1646.5-100

G0Z300

M5M9

M2

圖2　銑削刀具示意圖

圖3　25G型客車轉向架構架側梁內立板

3. 加工參數的選擇

研究不同銑削條件下所產生的銑削力，為合理地選擇銑削參數中的銑削速度、銑削深度及進給量，改善加工表面質量，優化加工工藝等方面提供參考。選擇銑削參數首先要分析銑削力，對銑削力的研究，能進一步弄清銑削機理，計算功率消耗，結合刀具、設備及夾具制定合理的銑削用量，優化刀具幾何參數等，具有非常重要的意義。金屬銑削時，刀具切入工件，使被加工材料發生變形并成為切屑所需的力，稱為銑削力。銑削力來源于克服被加工材料的彈性變形抗力、塑性變形抗力以及克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。

對于薄板類坡口加工，除了合理的布局裝夾和編程外，銑削參數選擇顯得尤為重要。銑削過程中銑刀的選擇受產品結構、夾具、產品材質以及設備等諸多因素共同影響，這些均要考慮，選定了刀具和加工方法，就可以根據經驗公式確定相應的最優銑削參數值。

結合產品結構、產品材質以及設備功率等諸多因素來選擇銑削線速度vc和每齒進給量fz，依次通過計算以下各個參數值，確定銑削加工的各個參數。

主軸轉速

式中，n為主軸轉速（r/min）；vc為銑削線速度（m/m i n）；d0為實際銑削深處的銑削直徑（mm）。

銑削力

式中，Fc為銑削力（N）；cp為銑削速度對銑削力影響系數；fz為每齒進給量（mm/z）；ap為銑削深度（mm）；ae為銑削寬度（mm）；z為有效齒數；K為刀具前角對銑削力影響系數；K1為工件材料對銑削力影響系數。

進給速度

式中，vf為進給速度（mm/min）；ap為銑削深度（mm）；n是主軸轉速（r/m i n）；z為有效齒數。

凈功率

式中，Pc為凈功率（kW）；vc為銑削線速度。

轉矩

式中，Mc為轉矩（N·m）；n為主軸轉速（r/min）。

選擇銑削刀具可以參考不同刀具的參數范圍并結合加工特性來選擇銑削的線速度、進給量和吃刀量，通過查表來帶入公式計算各個參數值，為選擇銑削加工參數值提供參考依據。

表1　銑削線速度對銑削力影響系數cp

表2　刀具前角對銑削力影響系數K

表3　工件材料對銑削力影響系數K1

4. 設備特性

數控設備的合理利用主要受加工參數的影響，加工參數的選擇不僅可以保證產品的質量，還可以延長機床的使用壽命，提高設備的加工效率。反之，若加工參數選擇不合理就可能出現斷續銑削，進而造成強迫振動或再生效應產生的顫振等現象，對加工的產品質量、刀具使用壽命、機床固有精度及使用周期產生較大影響。銑削加工過程中，因銑削面積隨著刀具的移動而變化，會引起銑削力及力矩也發生變化，尤其是當同時參加銑削的刀齒數量越少時，銑削力和銑削力矩的變化就越大，甚至會引起工藝系統的受力變形、振動和沖擊。這些都會導致加工精度、表面質量、機床壽命和刀具壽命下降。所以，設備的銑削特性既要考慮提高生產效率，又要考慮保護設備和刀具，降低設備的維修周期和提升刀具使用壽命。根據經驗，由經驗公式計算出設備的瞬時加工功率和轉矩，通常不能同時超過最高值的30%，而對于特殊高精密設備，這些計算值最好低于最高值的20%。

5. 結語

通過應用宏程序編制25G型客車轉向架構架側梁內立板坡口的加工程序，為手工數控編程方法提出了新的發展方向。

結合設備、產品結構及材質等因素提出了合理選擇銑削參數的經驗公式，為數控銑削加工參數的選擇提供了參考方法。

參考文獻：

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收稿日期：（20141026）