城轨车薄壁类铝型材机加问题突破

城轨车薄壁类铝型材机加问题突破

于立强 王瑞馥 王相龙 李明芮

长春中车长客 模具有限 公司 吉林长春 130062

摘 要 薄壁类铝型材零件在城轨车机加项目中占据着较大的应用范围，在机加时难度系数较大，其特点为加工装夹难度较高，极易型材变形，易产生加工缺陷。本文将针对以上问题，对薄壁类铝型材零件的加工过程及要点进行详细论述。

关键词 城轨车项目 薄壁铝型材 加工工艺

1.引言

近几年来，城轨车项目在国内外取得了广泛应用及发展。中国已经掌握了城轨车机加的核心技术，新一代的城轨车具有完全自主知识产权，并处于快速发展阶段。但与此同时，我们也面临着残酷的市场竞争。作为国内城轨车的生产企业之一，我们必须制造出具有现代化气息、舒适、安全、高质量的城轨车，以求在激烈的竞争中立于不败之地。

城轨车车体结构采用了许多铝合金型材，具不完全统计，铝合金型材在整个车体的利用率高达85%。各种不同截面的型材通过数控机加、焊接形成整个车体承载结构，这些型材都是车体结构的重要构件之一。然而型材机工则是车体制造工艺过程中的重要工序，没有之一。加工的型材截面一般都是比较复杂，加工部位多，加工时间长，需用数控加工设备。而其中的一些薄壁、大型铝型材零件的机械加工更是给我们带来了巨大的挑战。因此研究薄壁铝合金型材机加工艺技术、解决薄壁铝合金型材在机械加工过程中出现的难点问题，对保证型材加工质量、避免不必要的损失、提高生产效率具有很重要的指导意义。

2．薄壁类铝合金型材机加的工艺特点

2.1 铝型材零件其截面形状不规则、表面多有突出的立筋，有的零件表面全为圆弧表面，无法直接定位装夹，只能设计专用工装。另外，薄壁型材在装夹时受力容易产生变形，如城轨车端墙项目中的上部端墙板。

2.2薄壁铝型材零件在装夹后存在一定的变形，与理想状态存在较大的偏差，而数控铣在加工时如果未将Z轴零点提高到安全高度，将会伤及型材母材表面，造成严重的质量问题。

2.3薄壁铝型材零件在机械加工过程中极易产生颤动，从而无法良好的保证产品的尺寸精度及加工时的表面粗糙度要求。

2.4铝合金型材的熔点低、塑性好，因此在加工中要求高速切削，以达到良好的表面加工质量要求。但同时高速切削产生的热量又容易产生积屑瘤，使刀具的切削性能大大下降，形成粘刀、烀刀。因此，需要选择良好的刀具、切削参数、切削方式以及冷却方法。

3.薄壁铝型材铣削加工时的关键点

3.1刀具选择 

铝合金薄壁型材在机加时对刀具有着很高的要求。刀具必须在具有高性价比的同时还必须满足高质量加工的需求。为了满足铝型材粗加工和精加工的不同要求，刀具的选型需要认真考虑以下几个方面：

1. 切削性能好

刀具应具有能够承受高速切削的性能，可选用硬质合金刀具或者涂层刀具。刀体具有高钢性，可抑制振颤，获得较高的加工精度和表面质量，钢性一定要良好，尤其是粗加工时。

2. 加工过程中切削用量的确定

合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书切削用量手册，并结合经验而定，具体应该考虑切削深度ap、切削速度v、主轴转速n和进给速度vf等。

3. 精度高

为适应数控加工的高精度和自动换刀等要求，刀具必须具有较高的精度，如有的整体式立铣刀的径向尺寸精度高达0.005mm。

4. 耐用度高

数控加工的刀具，不论在粗加工或精加工中，都应具有比普通机床加工所用刀具更高的耐用度，以尽量减少更换或修磨刀具及对刀的次数，从而提高数控机床的加工效率和保证加工质量，如三菱刀具中的BXD4000R322SA32SA可转位立铣刀,此刀具的耐用度高达3年之久。

5. 断屑及排屑性能好

数控加工中，断屑和排屑不像普通机床加工那样能及时由人工处理，切屑易缠绕在刀具和工件上，会损坏刀具和划伤工件已加工表面，甚至会发生伤人和设备事故，影响加工质量和机床的安全运行，所以要求刀具具有较好的断屑和排屑性能。

3.2切削参数 

薄壁铝型材在机械加工时更为关键的是要合理选取加工参数，减少振动，保证顺利完整地加工完，同时兼顾效率。当铣刀的切削刃切入工件时，猛然地撞击会引起刀具的振动，最初诱发的刀具振动将改变后续的切屑厚度，随后当切削力变化又反过来引起加工系统的振动加剧。切削力的方向和变动幅度在很大程度上决定了振动趋势，如果不加以抑制，切削力的变化幅度就会增大，从而使切削后的表面粗糙度值增大，甚至会导致切削刃和刀具的损坏，此外还会对机床主轴产生不利影响，导致机床主轴精度的降低。为此，必须在切削开始时就抑制切削力剧烈的变动从而抑制振动趋势。除采用防振刀具外，合适的切削参数是抑制颤振的有效方法。逆铣时刀具切入工件时，切削厚度是从薄到厚的渐变过程，因此可以有效避免刀具对工件的猛烈撞击，可以有效避免刀具及工件筋板的颤振。

3.3切削液的选择 

城轨车制造中型材是先加工后焊接，加工后工件上不能有残留的液体，因此加工采用的是油雾气冷却方式。高速加工产生大量的热量，如果产生的热量不能及时地被切削液带走，将会发生粘刀、烀刀的现象，甚至出现积屑瘤，与此同时热量也可使工件发生变形。铝合金薄壁型材在机加时切削液的选择，必须保证良好的润滑性、冷却性、挥发性和防锈性，因此可用于铝合金加工的切削液与普通的乳化切削液有所不同，选择一款合适的切削液是十分必要的。对于铝合金型材加工应选择低粘度、易挥发、冷却性好和防锈性能强的切削液，如巴索的切削液MK500和美孚维美EDM-3等。

4.如何获得合格的薄壁铝型材产品

4.1在装夹时，一定要使用调整千斤顶或垫块填塞型腔，压板下需要增加减压垫块等，从而加大工装定位装置接触面积及加紧装置接触面积，有效的避免薄壁型材件在外力作用下产生扭曲或者局部变形。压紧装置压紧点一定要靠近加工部位，且不干涉刀具的运行，由此可很大程度上减少在加工中产生的颤动。由于薄壁铝合金型材的塑性好，易产生磕碰划伤，在定位装置和夹紧装置上一定要设置保护（一般采用塑料或者木块材质保护），以防止受力时在工件表面形成较深压痕。另外，在每个工序的进行及运转中，也需要做好表面的防护工作。

4.2对于薄壁铝型材零件，尽管我们已经在专用工装的设计上花费了很多的心思来降低加工的难度，但对于一些零件来说，由于其特殊的加工结构以及薄壁的关系，所能承受的力比较小，稳定性也无法达到完美。因此若刀具的长度、切削方式以及切削速度等因素选择不当，就会造成在机加过程中产生颤动，使产品的粗糙度无法达到图纸要求。在这种情况下，一定要尽量选择直径较小的刀具，根据工件的加工条件选择顺铣或者逆铣，采用高转速、小切削量的加工方式，减小切削抗力，获得最佳的加工表面粗糙度，进而得到高效、优质的加工产品。

5. 结语

通过对薄壁铝型材的工装设计及详细的工艺分析，及时有效地为公司解决了城轨车薄壁铝型材加工的难题。保证了城轨车薄壁类铝型材的图纸设计要求和工期要求，在生产中发挥了巨大的作用。

参考文献：

[1] 陈宏钧 《机械加工工艺施工员手册》．

[2] 陈宏钧 《机械加工工艺装备设计员手册》．

[3] 李念奎 《铝合金材料及其热处理技术》

[4] 金属加工杂志社 《数控刀具选用指南》

[5] 大连理工大学工程图学教研室《机械制图》

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