軌道車輛長大型材通用自動夾緊裝置

■南車青島四方機車車輛股份有限公司 （山東 266111）

宋福田 王忠平

近年來，為了實現車體輕量化、高速化要求，鋁合金材料以其低密度、高強度、良好的擠壓性能和焊接性能以及回收利用率高等優點，已作為大眾化的金屬材料批量應用于鐵道車輛制造，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量逐漸加大，且形狀越來越復雜，尺寸精度和表面粗糙度要求越來越高，特別是鋁合金擠壓型材，結構復雜、型材壁薄。這些鋁合金型材結構差異明顯，尺寸差距較大。裝夾的定位方式和壓緊方式也不相同。為提高大型加工設備利用率、產品加工質量和生產效率，急需設計一種能適應多種型材裝夾的自動夾緊加工工裝，滿足多車型、小批量加工工藝要求。

1. 型材結構分析

鋁合金車體主要有車頂、側墻和底架等幾大部分組成，組成車頂和側墻的是多根與車體等長（長度多為20m左右）的長大型材——車頂板和側墻板。鋁合金長大型材特點是中空、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），側墻板型材截面（見圖2）。

圖1 車頂板

圖2 側墻板

2. 加工工藝分析

長大型材件品種多、數量大，其加工量占整個車體零部件加工量的比重較大，所以這部分長大型材的生產效率對車體生產周期至關重要。由于對稱件較多，為提高效率，加工設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，可實現三軸聯動，每個主軸分別配置刀庫，刀庫容量均為16把，能夠滿足薄壁鋁合金型材件加工要求。2主軸可作相同運動或對稱運動，即一次裝夾可同時加工兩件完全相同件或對稱工件，兩主軸也可單獨控制、獨立操作。

鋁合金長大型材加工內容相對單一，主要為銑孔、銑槽等作業，加工精度相對較低,工件的定位精度和重復定位精度對工裝要求較低，屬于典型的準高速粗加工作業。傳統的加工工裝采用分體式結構，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人工方式使用T形螺栓、壓板壓緊工件。按長大型材的長度和加工部位，每根工件壓緊點至少20處。傳統手動裝夾方式如圖4、圖5所示。

圖3 加工設備示意圖

圖4 手動夾緊示意圖

圖5 常見工件裝夾方式

上述非自動化夾具雖然制作簡單，成本低，使用、維護方便，但通用性不強，每套夾具僅能適合一種長大型材的加工。由于目前動車組車型較多，每種車型長大型件也有多種截面，需要制作多套工裝，總成本提高；配臺生產時需頻繁變換工件，也就需要不斷的來回搬運支承塊，工人勞動強度大，生產效率低。而且一部分長大型材件加工內容較少或相對簡單，裝夾等輔助時間較長，占整個生產時間的比重較大，甚至比機械加工時間還長，導致了不必要的浪費。另外，多套夾具造成了現場夾具多且雜，管理混亂也容易丟失。

長大型材加工區域集中、不需重復裝夾的特點，給通用工裝的實現提供了基礎。為提高裝夾、加工效率，專門設計制作了車頂板、側墻板通用自動夾緊裝置。

3. 通用自動夾緊裝置介紹

（1）自動夾緊裝置結構。該夾具是氣動夾緊，共有18組結構相同的夾緊單元，根據加工工件對稱的特點，工裝單元也采用左右對稱結構，包含2個加工工位。該夾具主要由定位塊、夾具體、氣缸組成、墊塊、活動夾緊塊、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車組長大型材通用自動夾緊加工工裝單元結構圖。

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

夾具體用螺栓固定在加工中心工作臺上，對稱式結構方便對稱式工件的裝夾、加工。在夾具體上平面設計有3條定位槽，根據不同截面型材的裝夾位置關系，不同墊塊的定位鍵插入不同槽內定位，可滿足不同車型的各種截面型材的夾緊要求。另外在夾具體兩側安裝線性滑軌，用于夾緊座的軸向移動。

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

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

圖6 加工工裝單元結構圖

氣缸組成有2個，設計有2套控制管路，可分別運動，加工單根型材時，僅啟用一側的夾緊裝置即可，避免資源浪費。氣缸的最大行程170mm，可滿足不同型材的夾緊要求，2個氣缸均安裝節流閥，既可調整壓縮空氣的流量從而調整夾緊力，同時還起到截流作用。

墊塊底部帶有定位鍵，使用時插入到夾具體的定位槽內；墊塊支承面根據工件外弧面設計，能夠達到很好的接觸效果。為了防止錯用，墊塊側面均刻有位置編號及鋁合金型材編號，現場根據不同的鋁合金型材截面選用相應編號的墊塊。

（2）工作方式。工裝初始狀態為氣缸收緊，根據側墻板截面選擇對應的墊塊、活動夾緊塊，用天車吊運工件至夾具時，操作人員輕輕推動長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，汽缸推動活動夾緊塊沿線性滑軌運動，夾緊塊斜面與工件接觸后，產生一個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，夾緊塊的斜面設計保證工件不會向上滑動，保證夾緊效果。整個過程，只需操作人員使用天車將工件吊落至夾具體上，然后啟動風源開關即可實現自動定位、夾緊，不需要人工壓緊，省時省力。

4. 自動夾緊裝置優點

（1）自動化、柔性化：本自動夾具為模塊化設計，根據長大型材加工多樣性的特點，通過更換相應的墊塊和活動夾緊塊，即可滿足各種不同的鋁合金型材件的夾緊、加工需要，實現了自動化和柔性化。

（2）防護工件：鋁合金材料與碳鋼金屬直接接觸后會形成原電池，鋁合金比較活躍，作為原電池的負極，會加速氧化，因此在夾具與工件的各個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較硬在夾緊過程損傷工件。

（3）自動定位：夾具在設計、制作和安裝過程中，均保證各單元定位塊的定位面保持在一個平面內，所以可通過自動夾具上的定位塊實現Y向定位，工件僅在首件加工時對刀并記錄數據，批量加工時Y向零點不變，無需每次對刀，節省了對刀時間。

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

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

（6）存取方便：夾具體兩側面同樣設計有燕尾式滑軌，暫不使用的夾緊塊可以懸掛在夾具體側面，就近存放，節省了存放空間，也避免了頻繁更換時造成的人力和時間浪費。

（7）使用靈活：加工工裝由18組相同的工裝單元組成，非均勻分布在機床工作臺上，工裝單元通過螺栓固定在工作臺上，需要時可調整位置，避免加工工裝與加工構件的加工位置之間產生干涉；各工裝單元采用并聯方式供氣，可以關閉指定的氣缸，使其處于停止工作狀態。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）避免錯用：活動夾緊塊和墊塊上均帶有鋼印，標明適合夾緊的工件（型材號），避免誤用導致加工質量事故。

5. 結語

新型的高速鋁合金動車組長大型材通用自動夾緊裝置采用模塊化設計，通過更換墊塊和活動壓緊塊，可以滿足200km、300km和380A等多種車型鋁合金車頂板 、側墻板的夾緊、加工要求。自動夾具夾緊安全、可靠，具有通用性強、定位精度高及操作簡單等特點，氣缸壓緊方式可使工件更加牢固，不僅極大地減輕了數控機床操作人員的勞動強度，而且縮短了長大型材壓緊時間，提高了生產效率。

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

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