高速动车组司机室前端墙加工工艺研制

马宏福 冯孝忠 鲁 祥 李宝旺

(唐山轨道客车有限责任公司，河北 唐山 063035)

1 概述

司机室前端墙作为司机室的一个重要部件，前与开闭机构相连，起到安装开闭机构，封闭驾驶室的作用。司机室前端墙由多个单件焊接而成，其中主体结构为15mm厚的前面板、防撞梁和2个小前面板，同时还有多个加强板和筋板。前端墙的整体工艺为先将有工艺放量的零件进行组焊，组焊后再整体加工，加工工序包括铣削外轮廓，加工外轮廓反向焊接坡口，铣削上表面组装面和组装面边缘倒角等工作。由于前端墙面积大、厚度薄、焊缝多，导致焊接变形较其他零件大，给加工带来了较大的难度。

2 设计专用加工工装

目前，动车中小零部件都采用通用工装——方箱进行装夹，方箱虽然通用性强，但是在加工前墙此类关键件时装夹、定位繁琐，难以保证加工尺寸，同时，周边的轮廓需要整体加工，通用工装无法完成对其的装夹、定位。前墙加工专用工装的使用，提高了前墙的压紧力和刚性，加工过程中只需要简单的更换部分夹具的压紧位置，便可完成所有的加工工作。

2.1 确定主、辅定位面

由于防撞梁与前面板在焊接过程中发生变形，如果将防撞梁底面作为定位面，将导致面板上待加工面倾斜，因此，为保证前墙上表面为工艺基准，须以工装上表面作为主定位面。下表面为辅助定位面。为解决工件与辅助定位面的间隙影响装夹问题，当上表面定位面上的压夹夹紧后，给辅助定位面上的缝隙放置合适厚度的垫片，然后进行压夹，如图1所示。

图1 工装的基准定位和辅助定位

2.2 满足前端墙内、外轮廓加工工艺要求

此工装成功解决了加工前端墙内、外轮廓时通用工装装夹刚性不足和加工干涉问题。加工前端墙外轮廓和外轮廓反向坡口时，为了避免刀具与工装碰撞干涉，将图2标识的2个夹具卸掉（左右各一个），而另外4个夹具压紧外轮廓余料部分，保证了工件的刚性和可靠性；同时，在加工外轮廓的反坡口和加工内外轮廓时，压紧上面的2个大的可旋转的夹具，这2个夹具的作用为完成外轮廓加工后，夹持余料部分的4个夹具对工件失去压紧作用的情况下，保证工件的压紧力和稳定性。

图2 加工外轮廓的压夹方式

3 设计前墙上表面装配面加工工艺

在加工前墙上表面的组装面和其边缘的倒角时，原有的条件为分别用面铣刀和45度坡口刀进行铣削，经过论证，这两道工序可以合成为一道工序，一把刀专用刀具可以替代原来的两把刀具。具体方法为：将63mm的盘铣刀的侧齿切削角度设计成与工件一致的45度，按照此要求，与刀具厂家共同开发了新铣刀。经过验证，加工效果良好。

4 制定外轮廓反焊接坡口加工工艺

外轮廓的反向焊接坡口加工工艺为本次文的难点（如图3）。此坡口是在15mm厚的铝板上，由于坡口的母体轮廓为不规则曲线，手工无法编程，因此采用了CAM技术。计算机编制出来的数控程序是按照理论模型生成的，而实际由于铝合金焊接变形量较大（焊接变形主要存在于高度方向上），如果按照理论值加工反坡口，正向变形的部位则加工不到位，反向变形的部位又造成加工过切。为解决以上问题，须将高度方向的焊接变形量的补偿值加入到数控加工程序中。焊接变形量可以通过编制探点程序，利用数控机床与触发式测量设备获得，但是如何把变形量加入到计算机编制的海量的程序中却是个难题。

图3 外轮廓加工

图4 前墙外轮廓焊接变形测量点图

CAM软件产生的程序步长约0.2mm，整个轮廓总计有8000多个点位，即8000多段加工程序，由于工作量太大，从工作时间上、机床的成本上都不可能在每个计算机生成的加工点处测量变形量，也不可能通过手工在每个点都加入探点补偿值。根据前墙焊接变形的规律，本文提出在变形曲线曲率发生明显变化的点处设置探测点，将每个测量区段的变形量均化到每个数控加工点中的设想。经过计算，前墙上面板的曲率明显变化点共计16个，具体位置见图4，将此点作为变形量测量点，每个区段的变形曲线近似线性，可按照线性来计算，通过将此区段的总变形量平均分配到每个数控加工点处，即可计算出每个计算机编程点处的焊接变形量。例如：图4中C1和C2两点间的距离为200mm，通过机床测量，将这两个点的Z值分别存储到变量R21、R22中，而C1和C2两点间共计80个加工点，由于此区段的焊接变形为线性的，因此，每两个加工点的高度方向变化为△Z=（R22-R21）/80，就是说在这个区段不用再探点，从C1开始，Z值（高度值）为R21，下一个Z值为R21+△Z，第N个点的Z值为R21+N△Z。经过大量的手工处理，将计算机生成的程序进行了修改，在第二个前墙加工中进行了验证，程序运行正常，反坡口加工质量良好，尺寸完全符合图纸要求。

改进后的部分程序如下（C1-C2区段）[3][4]：

注：以上为西门子840D数控程序，“atrans”表示坐标系在上次的坐标系上进行偏移，“atrans Z=R161”表示坐标系在高度方向较上次偏移了R161，R161为变量，在此处表示高度方向的变化量，即△Z。

5 结论

本文通过设计、使用专用工装，实现了一次装夹可完成高速动车组司机室前端墙所有的加工任务，保证了前端墙的加工精度；设计了上表面组装面与边缘斜角轮廓一次成型加工工艺，减少了走刀次数，缩短了加工时间，降低了刀具使用成本；通过焊接变形分析和误差补偿技术的应用，解决了由于焊接变形导致焊接坡口难以加工的难题，避免了手工打磨，提高了作业效率。

[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社.2007.

[2]徐宏海.数控机床刀具及其应用[M].北京：化学工业出版社.2005.

[3]SINUMERIK 840D/840Di/810D高级编程手册，2004.

[4]荣瑞芳.数控加工工艺与编程[M].西安:西安电子科技大学出版社.2005.