城軌車底架制造新工藝的研究與應用

劉明雪 劉勇 王雋 李保國

摘要：本文選取了國內制造較具代表性的鋁合金地鐵項目，針對該項目底架組成制造過程中出現的質量問題和技術難題，工藝人員通過現場跟蹤認真分析問題產生的原因，采取多種工藝解決措施試驗結果得出最優化解決方案，使問題得到徹底的解決。

關鍵詞：鋁合金地鐵 底架制造 工藝優化

1 前言

新加坡地鐵項目的底架結構是一種不同于過去的全新結構，在首列車生產制造過程中出現了嚴重的質量問題和技術難題，一度給工藝人員提出了嚴峻的挑戰，但工藝人員通過現場觀察、分析討論、方案制定、現場試驗，制定出幾套解決方案，通過現場試驗比對得出最優化的解決方法，將該質量問題徹底解決。

2 底架制造過程中的技術難題

對于車體的底架制造過程來說，枕梁部位的質量是最為重要的，因為枕梁是整個車體與轉向架連接的樞紐，尤其是枕梁中心部位的矩形平面的平面度和枕梁中心孔的直徑圓度和尺寸公差的精度，都是影響車輛運行安全的重要因素。

根據設計圖紙要求，枕梁組成有兩個位置的尺寸要求非常嚴格：圖中紅框區域的415*608mm的矩形區域要求平面度達到0.5mm以內;圖中的Φ250mm中心孔的尺寸公差要求是Φ250h8（0.05mm-0.13mm）。

對于圖中的415*608mm矩形平面加工和Φ250mmh8的中心孔兩道加工工序，最終試制時的方案是采取在枕梁組成加工工序完成的，加工完的枕梁組成可以保證所有的尺寸都能符合圖紙要求，但是將枕梁組成與地板焊接組對成底架組成后，出現了嚴重的質量問題，一個是枕梁中心的Φ250mm中心孔發生嚴重變形，另一個是415*608mm的矩形平面的平面度也無法滿足要求。

如果這兩個問題不能得到解決，將直接影響車體與轉向架連接時的裝配質量，車體枕梁下蓋板與轉向架上平面就會貼合不好，同時轉向架的中心銷無法順利插入到車體枕梁中心孔中，而且即使能夠插入，定位銷和中心孔彼此之間的裝配嚴密度也非常不好。

3 技術問題的解決方案

通過現場試制和理論研究，分析出問題產生的原因是由鋁合金車體焊接變形導致的。由于鋁合金比其他材料有較大的熱膨脹系數，所以在焊接過程中，隨著快速加熱和快速冷卻而帶來的膨脹和收縮發生時，必然出現不同形式的變形。?[1]。

經研究，是焊接變形導致出現“平面不平、圓孔不圓”的質量問題，所以想要解決該問題，就要解決焊接變形對平面度和圓孔尺寸精度帶來的不利影響，解決方案可以從焊接變形控制、焊后整體加工和裝配工藝改進三個方向進行考慮。

3.1焊接變形控制

焊接變形雖然無法進行準確的計算，但是可以預估變形的方向和程度，因此可以進行變形的定性分析，然后制作反變形工裝[2]。

應用反變形工裝焊接后進行測量發現，平面度達到了2-3mm，中心孔尺寸為Φ248.6mm-Φ251.5mm，雖然尺寸精度較之前已經有了顯著提高，但依然無法滿足圖紙要求，經過進一步的火焰調修和機械調修后，尺寸精度得到進一步提高，平面度可達1-2mm，中心孔可達Φ249.5mm-Φ250.6mm，但是精度依然還是有少量偏差，無法滿足設計要求。

該方案直接應用焊接方法來提高尺寸精度，但不管采用怎樣的焊接工裝和調修方法都無法滿足平面度和尺寸公差，該方法耗時耗力，且對工人的操作水平要求較高，因此該方案不合理。

3.2焊后整體加工

不直接對焊后變形進行處理，而是放棄焊接變形因素不管，轉而從加工轉序的角度來保證尺寸精度。

1、415*608mm的矩形平面在枕梁組成加工工序中先不加工，將平面加工余量移到底架組成加工工序中執行;

Φ250mmh8要求的底架中心孔的加工不再由枕梁組成加工工序加工一次完成，而是采取一套新的加工方案。具體方案如下：首先在枕梁組成時將此基準孔先預加工到Φ240mm（此預鉆孔用于底架焊接中心定位），然后在底架組成焊接之后再進行枕梁中心孔二次加工，利用空氣簧的裝配孔重新反定位枕梁中心定位孔，將焊接變形量在整體加工時完全消化掉。

通過以上方案的實施，現場對試驗的幾組枕梁進行測量，平面度和中心孔尺寸均達到了圖紙的技術要求。

3.3裝配工藝改進

枕梁上的415*608mm矩形平面和Φ250mmh8中心孔都是為安裝轉向架服務的，裝配工藝在其中可起到重要作用。裝配的核心任務之一就是通過研磨調整墊來消除誤差累計，使尺寸鏈中的每個設計尺寸均達到公差要求[3]。具體方案如下：

1、設計大小為415*608mm、厚度為3mm的矩形墊片，按照焊后枕梁415*608mm矩形平面度的分布，研磨矩形墊片，枕梁焊接變形的誤差就被矩形墊塊所消耗。

2、針對Φ250mmh8中心孔可按如下方法進行操作：在枕梁組成加工時開Φ255mm中心孔，制造一個外徑為260mm，內徑為Φ250h8的襯套筒。裝配枕梁與轉向架時，先將襯套筒的外徑研磨至Φ255mm且保證與枕梁中心孔焊后變形的分布相一致，然后將襯套筒安裝到枕梁中心孔內，再將轉向架定位銷裝配進去，即可完成整個裝配過程。

試驗結果證明通過裝配工藝改進基本可以解決該問題，但這種方法需要反復測量圓孔變形量及變形分布，并對變形部位反復修磨，同時矩形墊片的研磨過程也非常復雜，整個過程操作時間較長，生產成本過高，且對工人操作能力要求較高，因此該方案不合理。

4 總結

通過上述三種工藝方案的對比試驗，得出了一套最優方案：采取加工工序轉移的方式，底架焊后整體加工，該方案精度高，生產成本低，滿足了車體與轉向架連接的枕梁中心孔的精度和連接面的平面度要求，保證了后續的裝配精度，徹底解決了車間的生產問題。

參考文獻

[1]王炎金.鋁合金車體焊接工藝.機械工業出版社，2010.1

[2]史耀武.焊接制造工程基礎.機械工業出版社，2016.3

[3]劉偉鵬.關于機械加工工藝技術的誤差分析[J].科技創新導報，2012，32：57.

（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）