地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁下蓋板 制造技術(shù)優(yōu)化
2020-7-3 來源：中車唐山機(jī)車車輛有限公司 作者：厲永澤
【摘要】: 針對彎形件二次機(jī)械加工的難題， 進(jìn)行加工方案的優(yōu)化，從余量分配、加工設(shè)備的 選擇、零件裝夾等方面進(jìn)行改進(jìn)。采用電磁吸盤 工裝來裝夾工件，不僅能夠保證零件的加工精度， 還能提高零件的裝夾速度，提升批量生產(chǎn)效率。
1．加工難點(diǎn)分析
轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架是列車承載和傳力的基體，也 是轉(zhuǎn)向架眾多部件連結(jié)的主體骨架，是一個受力 復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件，它不僅承載車體上部所有裝備 的重量，而且承載并傳遞列車運(yùn)行中產(chǎn)生的垂向、 縱向和橫向 3 個不同方向和大小的動作用力，因 此構(gòu)架必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，所以其制造 要求非常嚴(yán)格。
圖1 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板三維圖
地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫梁下蓋板（見圖 1）作 為構(gòu)架橫梁上的關(guān)鍵部件，其加工質(zhì)量的好壞至 關(guān)重要。公司首次試制地鐵轉(zhuǎn)向架困難重重。為克服這些困難，前期安排一部分技術(shù)人員到相關(guān) 企業(yè)進(jìn)行了學(xué)習(xí)。為確保下蓋板折彎精度，在試 制過程中工藝人員根據(jù)學(xué)習(xí)經(jīng)驗，在此件下料時， 對兩個折彎處的 4 個位置進(jìn)行了大面積地留量， 以防止在折彎過程中產(chǎn)生變形而導(dǎo)致報廢。在攻 克折彎這一難題的同時，又引入了板材機(jī)械加工 的新問題，將原來只需一次的加工調(diào)整成兩次， 即板材在折彎后還需二次加工去除下料留量。因 此，雖然克服了折彎難題，但同時又引入了二次 加工的難題。折彎的制造如圖 2 所示，其中 A、 B 兩處邊緣距折彎線（雙點(diǎn)劃線為折彎線）太近， 折彎后無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，需留量進(jìn)行二次加工。
圖 2 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板折彎示意圖
針對二次加工難題， 工藝人員進(jìn)行了深入的 研究和探索，發(fā)現(xiàn)可借鑒的二次加工技術(shù)既廢工時又無法保證產(chǎn)品質(zhì)量，且還要充分考慮公司新 引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備、工裝和工具等硬件。經(jīng)過多次 試制現(xiàn)場調(diào)研，以及對橫梁下蓋板的一次加工和 二次加工圖的加工內(nèi)容進(jìn)行分析后，決定優(yōu)化二 次加工技術(shù)，以提高該工件的產(chǎn)品質(zhì)量和批量生 產(chǎn)效率。
2．優(yōu)化前的技術(shù)準(zhǔn)備
（1）設(shè)備選型 : 二次加工設(shè)備選用杭州友佳 精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的龍門加工中心，該設(shè)備 的數(shù)控操作系統(tǒng)是先進(jìn)的 FANUC32i 系統(tǒng)，采 用三軸聯(lián)動控制加工，各軸配置交流伺服電動機(jī)， 具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等插補(bǔ)功能 ; 另外， 操作系統(tǒng)顯示屏具有中文顯示功能，CNC 編程信息可自動、手動、點(diǎn)動和手輪控制功能，通過手輪實(shí)現(xiàn) DRF 功圖 1 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板三維圖 圖 2 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板折彎示意圖能，可通過手動程序回基準(zhǔn)點(diǎn)，程序、子程序可互為調(diào)用，可有異步子程序 ; 同時還具有間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤 差補(bǔ)償及測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償功能。
工 作 臺 上 有 槽 寬 22m m、 間 距 170mm 的 T 形槽， 主軸最大扭矩為 382N · m ， 最小輸 入單位 0.001mm，X、Y 軸快速位移為 12m/ min。 按 照 ISO 230-2-2006， 定 位 精 度 為 0.025mm，重復(fù)精度為 0.015mm。主軸功率為 18.5/15kW，主軸轉(zhuǎn)速為 4 000r/min，ISO50 主軸錐孔的錐度為 7:24，經(jīng)過分析完全能滿足 該件折彎后的二次加工需求。
（2）加工工裝 : 選用購買新設(shè)備時配置的通 用的電磁吸盤工裝，代替學(xué)習(xí)經(jīng)驗時配置的專用 加工工裝。專用工裝成本高，同時采用專用工裝 每加工一處就需要裝夾、找正一次，對于坡口處 還得先用棒銑刀銑端面，后用坡口刀加工坡口， 這樣一個工件共需要 4 次找正、裝夾和 4 次更換 刀具加工，很費(fèi)工時。若選用通用的電磁吸盤工 裝，通過最優(yōu)排序加工就可以減少大量的工時浪 費(fèi)，同時還能大幅度提升產(chǎn)品質(zhì)量。唯一的問題 就是電磁吸盤工裝吸附面積小，吸力能否滿足加 工使用要求還有待驗證。后來通過試制驗證，認(rèn) 為電磁吸盤工裝的吸力能滿足加工方案要求，解決了二次加工技術(shù)關(guān)鍵的裝夾難題，為橫梁下蓋 板的批量制造奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
最終選取的吸盤為方形，磁盤通過 T 形螺栓、 壓板與工作臺固定連接，外形尺寸精度滿足 H8 級，可以對工件進(jìn)行粗定位，吸緊力能保證機(jī) 夾坡口銑刀加工時夾緊穩(wěn)定 ; 充磁、消磁快速方 便，每臺磁盤循環(huán)時間控制在 3s 之內(nèi)， 剩磁率 符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) ; 控制簡單，充磁、消磁通過 按鈕在機(jī)床外完成 ; 該電磁吸盤能保證全天候在 切屑、灰塵和加工切削液的環(huán)境中可靠安全地工 作 ; 單個磁極吸緊力≥ 7 600N，可以承受 2kW 的加工功率，磁穿透深度為 12~18mm（視材料 而定），地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫梁下蓋板的板材厚 度為 16mm，能保證磁力穿透，滿足加工要求。
3．優(yōu)化后的二次加工技術(shù)方案
對地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁下蓋板的二次加工方 案進(jìn)行優(yōu)化，將專用的裝夾、找正工裝更換為通用的電磁吸盤工裝，不但能節(jié)約工裝制造成本， 而且裝夾、找正操作簡單、方便，效率更高，同 時通過優(yōu)化一次和二次加工內(nèi)容，以及優(yōu)化二次 加工內(nèi)容的次序，就能大幅度提高加工效率和提 升產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化后的一次和二次加工制造圖如 圖 3 和圖 4 所示。
圖 3 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板一次加工示意圖
圖 4 轉(zhuǎn)向架橫梁下蓋板二次加工示意圖
工藝人員通過下料圖、一次加工圖、折彎圖、 二次加工圖以及結(jié)合對折彎精度的考慮，最后給 出了加工余量的去除精確值，即精確計算 4 個位 置的加工余量去除值，按照橫梁下蓋板的一次加 工圖和二次加工圖進(jìn)行對比計算，得出二次加工 的余量去除值（見圖 4）。此件根據(jù)圖樣為中心 對稱圖形，4 個去除余量的地方在如圖 4 所示的 陰影部分位置處，577.5mm 尺寸單側(cè)在去除余 量的同時需要加工坡口和倒角，不加工坡口位置 按照一次加工前下料留量去除 45.3mm，需要加 工坡口的地方按照折彎 13°進(jìn)行計算的去除余量 為 7.95×cos13°≈ 7.75（mm），這樣就可以為 二次加工提供找正數(shù)據(jù)參考，同時還可以驗證折 彎質(zhì)量，降低此件批量生產(chǎn)的廢品率。
最佳的二次加工次序為 : 先將折彎后的轉(zhuǎn)向 架橫梁下蓋板按照其 “U 形” 開口方向朝下的方 式放置到尤佳龍門加工中心工作臺安裝的電磁吸 盤上，用機(jī)床操作手輪帶動百分表找正工件，開 啟電磁吸盤，按照制造圖基準(zhǔn)建立 X、Y、Z 零點(diǎn)， 同時驗證工藝人員精確計算的數(shù)值，確定 4 個位 置處大余量去除量，用手移動工件檢查工件是否 吸緊，開啟機(jī)床加工 4 處留量及 2 處倒角（見圖 4）; 然后將加工工件翻轉(zhuǎn)， “U 形” 開口方向朝上， 通過兩次打表重復(fù)前面的裝夾和找正工序來加工 2 處坡口，最終實(shí)現(xiàn)了 3 次裝夾找正、2 次換刀 的工藝次序，同時還可以借助專用的定位塊進(jìn)行 找正，可以大幅度提升生產(chǎn)效率，節(jié)省工時，更 重要的是確保了產(chǎn)品質(zhì)量。
4. 試制效果
采用此方案進(jìn)行地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁下蓋板 的試制加工，加工出了合格的產(chǎn)品，驗證了此方 案的可行性和合理性，不僅實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架橫梁下 蓋板二次加工的高質(zhì)高效生產(chǎn)，還為今后板類件折彎后需要多次裝夾找正而使得空間尺寸無法保 證的產(chǎn)品加工提供了技術(shù)參考。二次加工試制過 程如圖 5 和圖 6 所示。
圖 5 4 處余量及倒角加工示意圖
圖 6 坡口加工示意圖
另外， 在加工過程中， 由于工裝本身的誤差、 定位裝夾的誤差等的累積，會造成工件在機(jī)床上 的位置不正、產(chǎn)生偏差等問題，要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際 具體問題具體分析。
5. 結(jié)語
在地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁下蓋板的制造過程 中，為克服折彎困難和提升產(chǎn)品質(zhì)量，針對在板 材下料時對兩端靠近兩條折彎線的 4 個邊沿位置 進(jìn)行大面積留量而引入的折彎后二次加工難題， 從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、機(jī)床特性和加工工裝以及工藝過程 等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，優(yōu)化了折彎后二次加工 過程，并通過成功的試制驗證了二次加工工藝方 案的可行性和合理性，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提升了 批量生產(chǎn)效率。
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