軌道車輛長(zhǎng)大型材通用自動(dòng)夾緊裝置

■南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 （山東 266111）

宋福田 王忠平

近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)車體輕量化、高速化要求，鋁合金材料以其低密度、高強(qiáng)度、良好的擠壓性能和焊接性能以及回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已作為大眾化的金屬材料批量應(yīng)用于鐵道車輛制造，尤其是高速軌道車輛鋁合金車體制造。

鋁合金零部件加工數(shù)量逐漸加大，且形狀越來(lái)越復(fù)雜，尺寸精度和表面粗糙度要求越來(lái)越高，特別是鋁合金擠壓型材，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型材壁薄。這些鋁合金型材結(jié)構(gòu)差異明顯，尺寸差距較大。裝夾的定位方式和壓緊方式也不相同。為提高大型加工設(shè)備利用率、產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，急需設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)多種型材裝夾的自動(dòng)夾緊加工工裝，滿足多車型、小批量加工工藝要求。

1. 型材結(jié)構(gòu)分析

鋁合金車體主要有車頂、側(cè)墻和底架等幾大部分組成，組成車頂和側(cè)墻的是多根與車體等長(zhǎng)（長(zhǎng)度多為20m左右）的長(zhǎng)大型材——車頂板和側(cè)墻板。鋁合金長(zhǎng)大型材特點(diǎn)是中空、壁薄，各處壁厚約為3～5mm，且一般型材上下面均為弧面。車頂板型材截面（見圖1），側(cè)墻板型材截面（見圖2）。

圖1 車頂板

圖2 側(cè)墻板

2. 加工工藝分析

長(zhǎng)大型材件品種多、數(shù)量大，其加工量占整個(gè)車體零部件加工量的比重較大，所以這部分長(zhǎng)大型材的生產(chǎn)效率對(duì)車體生產(chǎn)周期至關(guān)重要。由于對(duì)稱件較多，為提高效率，加工設(shè)備選用雙銑頭龍門加工中心，如圖3所示。橫梁上裝有雙銑頭，可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，每個(gè)主軸分別配置刀庫(kù)，刀庫(kù)容量均為16把，能夠滿足薄壁鋁合金型材件加工要求。2主軸可作相同運(yùn)動(dòng)或?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)，即一次裝夾可同時(shí)加工兩件完全相同件或?qū)ΨQ工件，兩主軸也可單獨(dú)控制、獨(dú)立操作。

鋁合金長(zhǎng)大型材加工內(nèi)容相對(duì)單一，主要為銑孔、銑槽等作業(yè)，加工精度相對(duì)較低,工件的定位精度和重復(fù)定位精度對(duì)工裝要求較低，屬于典型的準(zhǔn)高速粗加工作業(yè)。傳統(tǒng)的加工工裝采用分體式結(jié)構(gòu)，加工前需要將所加工工件的配套支承塊按加工位置擺放，將工件吊落至支承塊后通過(guò)人工方式使用T形螺栓、壓板壓緊工件。按長(zhǎng)大型材的長(zhǎng)度和加工部位，每根工件壓緊點(diǎn)至少20處。傳統(tǒng)手動(dòng)裝夾方式如圖4、圖5所示。

圖3 加工設(shè)備示意圖

圖4 手動(dòng)夾緊示意圖

圖5 常見工件裝夾方式

上述非自動(dòng)化夾具雖然制作簡(jiǎn)單，成本低，使用、維護(hù)方便，但通用性不強(qiáng)，每套夾具僅能適合一種長(zhǎng)大型材的加工。由于目前動(dòng)車組車型較多，每種車型長(zhǎng)大型件也有多種截面，需要制作多套工裝，總成本提高；配臺(tái)生產(chǎn)時(shí)需頻繁變換工件，也就需要不斷的來(lái)回搬運(yùn)支承塊，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。而且一部分長(zhǎng)大型材件加工內(nèi)容較少或相對(duì)簡(jiǎn)單，裝夾等輔助時(shí)間較長(zhǎng)，占整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間的比重較大，甚至比機(jī)械加工時(shí)間還長(zhǎng)，導(dǎo)致了不必要的浪費(fèi)。另外，多套夾具造成了現(xiàn)場(chǎng)夾具多且雜，管理混亂也容易丟失。

長(zhǎng)大型材加工區(qū)域集中、不需重復(fù)裝夾的特點(diǎn)，給通用工裝的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。為提高裝夾、加工效率，專門設(shè)計(jì)制作了車頂板、側(cè)墻板通用自動(dòng)夾緊裝置。

3. 通用自動(dòng)夾緊裝置介紹

（1）自動(dòng)夾緊裝置結(jié)構(gòu)。該夾具是氣動(dòng)夾緊，共有18組結(jié)構(gòu)相同的夾緊單元，根據(jù)加工工件對(duì)稱的特點(diǎn)，工裝單元也采用左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包含2個(gè)加工工位。該夾具主要由定位塊、夾具體、氣缸組成、墊塊、活動(dòng)夾緊塊、夾緊座和控制裝置等部分組成，如圖6所示為高速鋁合金動(dòng)車組長(zhǎng)大型材通用自動(dòng)夾緊加工工裝單元結(jié)構(gòu)圖。

定位塊通過(guò)螺釘固定在夾具體端部，起到Y(jié)向定位作用；定位塊的斜面設(shè)計(jì)，使得夾緊塊夾緊工件時(shí)，避免工件由于向上作用分力而被迫向上移動(dòng)。

夾具體用螺栓固定在加工中心工作臺(tái)上，對(duì)稱式結(jié)構(gòu)方便對(duì)稱式工件的裝夾、加工。在夾具體上平面設(shè)計(jì)有3條定位槽，根據(jù)不同截面型材的裝夾位置關(guān)系，不同墊塊的定位鍵插入不同槽內(nèi)定位，可滿足不同車型的各種截面型材的夾緊要求。另外在夾具體兩側(cè)安裝線性滑軌，用于夾緊座的軸向移動(dòng)。

夾緊座一側(cè)帶燕尾式滑軌，便于活動(dòng)夾緊塊的快速拆裝，另一側(cè)帶T形槽便于氣缸的連接，通過(guò)氣缸伸縮使夾緊座沿線性滑軌移動(dòng)，帶動(dòng)活動(dòng)夾緊塊夾緊工件。

夾緊塊帶有燕尾槽以便快速安裝到夾緊座；為了防止錯(cuò)用和便于操作工的操作，夾緊塊側(cè)面均打有適合加工的鋁合金型材編號(hào)，根據(jù)加工型材選用相應(yīng)編號(hào)的夾緊塊。

圖6 加工工裝單元結(jié)構(gòu)圖

氣缸組成有2個(gè)，設(shè)計(jì)有2套控制管路，可分別運(yùn)動(dòng)，加工單根型材時(shí)，僅啟用一側(cè)的夾緊裝置即可，避免資源浪費(fèi)。氣缸的最大行程170mm，可滿足不同型材的夾緊要求，2個(gè)氣缸均安裝節(jié)流閥，既可調(diào)整壓縮空氣的流量從而調(diào)整夾緊力，同時(shí)還起到截流作用。

墊塊底部帶有定位鍵，使用時(shí)插入到夾具體的定位槽內(nèi)；墊塊支承面根據(jù)工件外弧面設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到很好的接觸效果。為了防止錯(cuò)用，墊塊側(cè)面均刻有位置編號(hào)及鋁合金型材編號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的鋁合金型材截面選用相應(yīng)編號(hào)的墊塊。

（2）工作方式。工裝初始狀態(tài)為氣缸收緊，根據(jù)側(cè)墻板截面選擇對(duì)應(yīng)的墊塊、活動(dòng)夾緊塊，用天車吊運(yùn)工件至夾具時(shí)，操作人員輕輕推動(dòng)長(zhǎng)大型材至其靠緊定位塊，工件落下后靠墊塊支承，然后打開氣閥，汽缸推動(dòng)活動(dòng)夾緊塊沿線性滑軌運(yùn)動(dòng)，夾緊塊斜面與工件接觸后，產(chǎn)生一個(gè)向前的作用力保證工件與定位塊貼緊，向下的分力壓緊工件，夾緊塊的斜面設(shè)計(jì)保證工件不會(huì)向上滑動(dòng)，保證夾緊效果。整個(gè)過(guò)程，只需操作人員使用天車將工件吊落至夾具體上，然后啟動(dòng)風(fēng)源開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、夾緊，不需要人工壓緊，省時(shí)省力。

4. 自動(dòng)夾緊裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）自動(dòng)化、柔性化：本自動(dòng)夾具為模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)長(zhǎng)大型材加工多樣性的特點(diǎn)，通過(guò)更換相應(yīng)的墊塊和活動(dòng)夾緊塊，即可滿足各種不同的鋁合金型材件的夾緊、加工需要，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和柔性化。

（2）防護(hù)工件：鋁合金材料與碳鋼金屬直接接觸后會(huì)形成原電池，鋁合金比較活躍，作為原電池的負(fù)極，會(huì)加速氧化，因此在夾具與工件的各個(gè)接觸面均鑲嵌了鋁墊板，防止鋁制工件被氧化，這樣也避免了碳鋼材質(zhì)較硬在夾緊過(guò)程損傷工件。

（3）自動(dòng)定位：夾具在設(shè)計(jì)、制作和安裝過(guò)程中，均保證各單元定位塊的定位面保持在一個(gè)平面內(nèi)，所以可通過(guò)自動(dòng)夾具上的定位塊實(shí)現(xiàn)Y向定位，工件僅在首件加工時(shí)對(duì)刀并記錄數(shù)據(jù)，批量加工時(shí)Y向零點(diǎn)不變，無(wú)需每次對(duì)刀，節(jié)省了對(duì)刀時(shí)間。

（4）即插即用：墊塊是通過(guò)定位鍵插在夾具體鍵槽內(nèi)，為即插即用式設(shè)計(jì)，安裝、拆卸方便快捷，不同型材根據(jù)截面選用配套墊塊。

（5）拆裝快捷：夾緊座上帶有燕尾式滑軌，活動(dòng)夾緊塊背面設(shè)計(jì)有燕尾槽，輕輕滑動(dòng)即可安裝和拆卸，更換非常方便快捷。

（6）存取方便：夾具體兩側(cè)面同樣設(shè)計(jì)有燕尾式滑軌，暫不使用的夾緊塊可以懸掛在夾具體側(cè)面，就近存放，節(jié)省了存放空間，也避免了頻繁更換時(shí)造成的人力和時(shí)間浪費(fèi)。

（7）使用靈活：加工工裝由18組相同的工裝單元組成，非均勻分布在機(jī)床工作臺(tái)上，工裝單元通過(guò)螺栓固定在工作臺(tái)上，需要時(shí)可調(diào)整位置，避免加工工裝與加工構(gòu)件的加工位置之間產(chǎn)生干涉；各工裝單元采用并聯(lián)方式供氣，可以關(guān)閉指定的氣缸，使其處于停止工作狀態(tài)。各氣缸、氣閥均帶閉氣閥，可以在停氣的情況下保證正常工作。

（8）避免錯(cuò)用：活動(dòng)夾緊塊和墊塊上均帶有鋼印，標(biāo)明適合夾緊的工件（型材號(hào)），避免誤用導(dǎo)致加工質(zhì)量事故。

5. 結(jié)語(yǔ)

新型的高速鋁合金動(dòng)車組長(zhǎng)大型材通用自動(dòng)夾緊裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)更換墊塊和活動(dòng)壓緊塊，可以滿足200km、300km和380A等多種車型鋁合金車頂板 、側(cè)墻板的夾緊、加工要求。自動(dòng)夾具夾緊安全、可靠，具有通用性強(qiáng)、定位精度高及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，氣缸壓緊方式可使工件更加牢固，不僅極大地減輕了數(shù)控機(jī)床操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且縮短了長(zhǎng)大型材壓緊時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

[1] 吳雅舒，王炎金. 鋁合金車體的加工與焊接.焊接技術(shù)[J]，1998（6）：37-38.

[2] 張沖，殷東平. 一種薄壁零件的制造工藝技術(shù). 電子工藝技術(shù)[J]，2008（1）：40-42.