动力集中动车组全铝合金司机室制造工艺

焦锐，陈积翠，唐亚红

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

城市轨道交通车辆铝合金车体司机室通常采用铝合金骨架、玻璃钢头罩结构，司机室结构简单，可以实现不同的工业设计造型，适用于低速运营城市轨道交通车辆对车体轻量化、造型美观的需求。国内动力分散型高速动车组司机室结构车顶弯梁和车顶板是散装的，能够适应三维弯曲大部件的最后组装[1]，部分车型采用的骨架主要为板梁插接结构[2]，司机室独特的三维空间结构成为高速动车组焊技术难点，控制焊接变形成为司机室焊接技术的关键[3，4]。也有研究提出了司机室模块化的焊接工艺，采用精密焊接工装，实现了空间三维曲面焊接结构的焊接变形精确控制[5]。近年来，国内研制了一种动力集中型高速动车组，采用模块式骨架结构，各骨架采用弯梁对接或角接连接，蒙皮板尺寸较动车蒙皮板尺寸大，在骨架焊接、蒙皮成形、检测方法上有其独有特点。

2 产品结构特点

新型司机室采用全铝合金材料，以拉弯成形的空间曲梁焊接后为骨架，以4mm厚EN AW-5083-H111铝合金曲面壁板为蒙皮板，蒙皮板之间采用对接焊缝焊接，蒙皮板与骨架采用角接或T形接头焊接。大部分部件为弯曲零件，具有复杂的三维曲面、流线型外形，其主要结构特点是零部件多、曲面多、焊缝多，以及高强度设计对司机室制造工艺技术要求非常高。

3 工艺流程设计

为保证整体结构的外轮廓尺寸，需优先保证司机室骨架的外轮廓。因为骨架外侧多为变截面曲面，骨架弯梁之间又需全部MIG焊焊接，所以焊接变形难以准确预测及控制，为此统筹设计了骨架先焊接、再对骨架外轮廓进行整体加工的工艺。为实现骨架的整体加工，以及加工后再焊接具有较好的精度，将骨架分为上部、左侧、右侧3部分。蒙皮板需与骨架外表面进行曲面配合，为兼顾蒙皮板与骨架配合质量、尽量减少蒙皮板拼缝数量，对蒙皮板的分割以及接缝位置进行了详细规划。

司机室骨架为三维空间大构件，司机室骨架组焊完成后，为保证车体底架、侧墙、顶盖与司机室骨架配合质量，司机室蒙皮的安装与焊接规划安排在司机室骨架吊装完成后进行。司机室结构如图1所示，制造工艺流程如图2所示。

图1 司机室结构示意

图2 司机室制造工艺流程

4 蒙皮板成形工艺

一般小批量大尺寸的钢板曲面成形采用钢模、木模及油压机成形。针对本项目铝合金蒙皮板成形，对比研究了传统成形与激光喷丸成形工艺。

4.1 传统成形工艺

传统薄板成形工艺过程为：将铝合金板按照成形后向上凸的方向（模具上模为凹模，下模为凸模）置于设备上下模具之间，设备冲头带动上模对配件反复作用，操作人员对配件横向、纵向反复移动，以达到配件的整体曲面成形。一般步骤包括一次起拱、一次拱形、手工调修、二次起拱、手工调整、三次起拱及手工调整等7步。

在使用薄板成形机成形后，蒙皮中间部位能够与钢模较好地贴合。因为蒙皮周边与钢模间隙相对较大，所以需在组焊时边定位焊边用手锤调整。对于双曲面蒙皮，需通过分块将不同方向曲面分开，才能通过薄板成形机有效成形。

4.2 激光喷丸成形工艺

激光喷丸成形是集成形与强化为一体的技术，具有可局部精确处理、变形量小及表面质量好等特点，金属板料小曲率成形时几乎无回弹，能有效防止起皱，且属于冷加工成形，不会对金属板料形成热伤害。

激光喷丸成形是利用激光诱导产生的冲击波压力，在金属板料表面产生深度分布的高幅残余应力场，从而使板料产生变形的方法。激光喷丸成形原理如图3所示。激光诱导的冲击波是垂直于板料表面传播的一维弹性压缩波。激光喷丸诱导的冲击波峰值压力增加，从而导致残余应力场的大小和深度发生变化[6]。当由激光冲击波诱导的、在金属板料内传播的应力波峰值超过板料动态屈服强度极限时，喷丸作用区域板料的表层发生微观的塑性变形，紧邻表层的下层部分发生了弹性变形。塑性变形使表层的金属得到了延伸、受喷的表面面积加大，因此产生了弯曲变形的趋势。更重要的是，由于表层产生的不可恢复塑性变形，因此阻挡了板料中已发生弹性变形部分的恢复。

图3 激光喷丸成形原理

4.3 传统成形与激光喷丸成形对比

相对于传统成形工艺，激光喷丸成形工艺存在以下4个优势。

1）工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短。

2）无工艺余料，不仅节省了原材料，还减少了成形后的修边和铣削工序。

3）加工的柔性大，既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形。

4）激光冲击的激光脉冲参数和作用区域可精确控制，参数也具有可重复性。不同蒙皮板成形工艺表面质量对比如图4所示。

图4 不同蒙皮板成形工艺表面质量对比

5 骨架焊接及加工工艺

通过研制既满足司机室侧墙骨架焊接又满足侧墙骨架整体加工的通用工装（见图5），实现了侧墙骨架焊接与加工的工件装夹定位一致、数控中心加工可达，既保证了侧墙骨架的整体尺寸，又实现了侧墙外轮廓的精度要求，并降低了生产制造成本。

图5 司机室侧墙焊接与加工通用工装

在实际加工过程中，利用UGCAM软件进行离线编程，合理选择加工路径、刀具，设计五轴联动加工程序；增加焊接工艺筋板，增加骨架刚度，减少断续加工区域产生振动的概率；抽取模型中关键位置尺寸，用于加工过程中的辅助测量，最终实现了三维空间曲面的连续加工，精确保证焊后司机室侧墙流线型曲面。

司机室顶部骨架相对侧墙骨架焊接量小，四周为刚度较强的弯梁，中部为网格状隔板，如图6所示。设计制造的司机室顶部骨架组焊工装，具备仿形调整能力，通过激光跟踪仪检定各定位点相对尺寸。为控制其焊接变形，优先焊接顶部弯梁与纵梁的竖向焊缝，再焊接顶部纵梁与司机室前端横梁的竖向焊缝，之后进行顶部弯梁与纵梁的仰焊，最后进行纵梁与司机室前端横梁的仰焊，纵梁与司机室端板仅完成打底焊。

图6 司机室总组成工装

6 司机室总组成工艺

在司机室左侧墙骨架、右侧墙骨架、司机室顶部骨架、司机室蒙皮成形以及零件完成加工后，进行司机室骨架组焊、司机室蒙皮组焊。

（1）司机室骨架组焊 设计了司机室柔性组焊胎具，工装以司机室下部为高度方向基准、司机室与侧墙顶盖结合面为纵向基准，宽度方向保证左右对称，并在侧墙内侧面大梁的小平面设置多处定位点。装配时，首先对左右侧墙定位，先装前端防撞梁横梁，再定位司机室顶部，在焊前设置必要的工艺放量，焊接过程及时跟踪测量司机室骨架长、宽、高、对中及对角线等关键尺寸。

（2）司机室蒙皮组焊 司机室蒙皮由多块三维曲面铝合金薄板结构组成，蒙皮拼接焊缝为全熔透焊缝，蒙皮板的焊接需重点保证焊缝质量，并减少蒙皮板的局部变形。蒙皮板对接焊缝均设置在骨架U形梁中部位置，装配前在蒙皮板背面增加垫板，装配时全熔透焊缝根部留间隙，通过U形梁与蒙皮板的段焊固定蒙皮板，减少蒙皮板错边，并避免蒙皮在焊接过程出现鼓包或下塌，内侧蒙皮板与骨架角焊缝定位焊要求三维曲面蒙皮板与司机室骨架曲面骨架贴严。采用合理的焊接顺序，从顶部中间开始蒙皮，优先保证头灯、前窗玻璃及司机室侧窗等接口，最后对其余位置进行修配。在组焊过程中，需始终遵循对称装配、分段焊接的方法。

7 尺寸检测技术

由于大型结构件曲面尺寸质量检测难以采用传统技术手段完成，因此本项目在装配时，除采用传统手段设置关键尺寸测量点，且利用卷尺、高度尺等进行线性尺寸测量外，还采用了三维样板检测装配质量（见图7），运用3D激光扫描仪进行前窗玻璃安装接口、司机室侧窗安装接口三维空间扫描。3D激光扫描仪测量很好地反馈了司机室关键接口尺寸质量，对完成关键尺寸调整起到了重要作用。

图7 三维轮廓尺寸检测

8 结束语

本文介绍了一套成熟的全铝合金司机室组焊工艺技术，对动力集中型高速动车组全铝合金司机室零部件加工、组焊工艺流程的设计方法进行了简述，对比了铝合金薄板传统成形工艺、激光喷丸成形工艺特点，总结了司机室侧墙加工焊接、司机室骨架焊接、司机室蒙皮焊接在保证焊接质量与产品尺寸方面的工艺要点。本研究为小批量大尺寸铝合金薄板成形、大型构件三维尺寸检测的工艺制定提供了参考，为新型轨道交通车辆车体全铝合金司机室的制造提供了指导。