轨道交通超长铝合金型材加工难点及解决措施

以轨道交通超长铝合金型材加工为研究对象，从图样设计、工艺分析、刀具选择和程序编制等方面进行对比优化，针对高速加工中存在的振动、噪声大和编程效率低等问题，提出了可行的技术方案和工艺措施。经现场加工验证，解决了超长铝合金型材的加工难点问题。

01 序言

目前，通过使用大量轻质、高强度材料，实现车身大幅度减重，已经成为城市轨道交通车体轻量化最主要的手段。由于铝合金型材具有强度高、结构轻、抗冲击、结构稳定和焊接性能良好等多方面的优点，因此中空结构铝合金型材在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及轨道交通等领域被广泛应用。据统计，铝合金型材的使用量已达到地铁车体结构总质量的60%以上。但是，由于其特殊的中空薄壁结构和产品超长的结构特征，导致铝合金型材在高速加工过程中，存在容易切削变形、振动开裂、加工噪声大和刀具磨损快等问题，严重影响中空铝合金型材的加工效率和经济效益。下面以公司常年加工的铝合金车体顶盖边梁、顶盖长梁和底架边梁为例，提供一些高效实用的高速加工方案。案例使用的加工设备为30m五轴桥式加工中心。

02 加工技术要求分析

在铝合金车体结构中，最常见、最主要的细长铝合金型材包括顶盖边梁、顶盖长梁和底架边梁型材，几乎是现有轨道车辆中高铁、动车和地铁车体的主流设计结构，其共同特点是型材截面呈中空不规则的结构，一般型材壁厚3～12mm，不同车型断面结构尺寸各不相同，产品长度一般为15～25m，属于超细长工件。

各类边梁型材的加工具有很大的相似度和集中度特点，其主要加工特征都集中在总长端面、车门安装口、边梁悬挂筋板缺口及C形滑槽等位置。边梁作为车体组焊的关键重要配件，总长尺寸、车门安装口尺寸和相邻车门之间的中心距（公差±0.5mm）要求非常高，公差等级达到精密级f。

03 工艺难点分析

工件的加工难点如下。

1）粗加工效率低。粗加工是采用最高效的加工方式，实现快速去除加工材料的目的。在边梁加工中，总长端面、车门安装口、边梁悬挂筋板缺口及C形滑槽位置集中了70%以上需要切除的材料，这些位置的粗加工占用了整根边梁加工时间的一半以上。

2）加工振动、变形和噪声大。由于铝合金型材的中空薄壁和细长的特殊结构，因此其本身刚性不足，内壁型腔受切削力挤压时，会产生振动，由此带来的结果就是噪声大、产品变形甚至开裂，同步导致产品加工效率低和刀具损耗快等不良后果。

3）精加工过切或加工尺寸不到位。铝合金型材在挤压过程中，型材的直线度、扭拧度不可能达到绝对理想的状态。型材挤压也有相应的公差标准，根据EN 755-9：2001《铝以及铝合金——挤压棒材，管材以及型材第九部分：型材，尺寸公差与形状公差》，型材截面宽度200～300mm、长6m以上的铝合金型材，其扭拧度标准是7mm，弯曲度偏差≤1.5mm/m，由此精加工必须充分考虑铝合金型材实际状态和理论尺寸之间的误差，举例来说，粗加工预留5mm的加工余量，由于受扭拧度和直线度影响，那么此处实际预留的精加工余量就不是理想的5mm，因此直接导致的结果是过切或是精加工尺寸无法保证。

4）工件装夹和拆卸辅助时间长。20m长度左右的型材，一般都需要大约10个点位的工装固定。人工手动夹紧效率低，劳动强度较大，当面临产品种类切换时，工装更换和调整周期长。

5）编程效率低、程序调试周期长。据了解，目前国内各大轨道交通制造主机厂加工车辆底架、铝合金边梁型材和大型铝合金焊接结构件时，主要还是以手动编程为主。手动编程能更好地满足现场工艺变更、尺寸调整等要求，但其效率和准确性不如自动编程高，程序调试时间长。

04 工艺解决方案

4.1 粗加工方案

采用锯切的方式去除粗加工余量。边梁总长端面、车门安装口位置，都可以采用锯切加工的方式，把整块材料分割切除；边梁悬挂筋板之类的缺口，可采用T型刀（或三面刃铣刀）分割切除，而不是把切割的材料分层加工成切屑。主要做法是在需要切除材料的两端加工一个缺口，使需要切除的材料两端与产品分离，再采用锯片或T型刀把中间部分整体切割下来。此方法的加工效率是常规粗加工的数倍，但是在操作过程中，需要特别注意废料与产品分离时不能碰撞到刀具，使废料向下平稳落地。

采用旋转主轴或角铣头加工边梁总长。一般来说，边梁长度方向单边只有10mm左右的余量，在某些设备不支持大型号锯片时，可采用旋转主轴或利用角铣头，通过铣平面的方式加工总长。

锯切加工应用举例：在广州某条线的底架边梁加工中，铝合金型材上表面需要加工一个长904mm的缺口，加工过程如图1所示。

图1 加工过程示意

从图1可以看出，如果采用立铣刀进行粗加工，绝对会出现加工振动大、噪声大以及加工效率低的问题，显然不是去除材料最高效的工艺方案。

锯切加工方案和难点分析认为，该缺口不是一个标准的等腰梯形结构，在缺口的开口位置，左右两端都是垂直向上的直边结构，整个缺口由5个方向的面包围而成，一两段切割刀路无法完成整个缺口的加工；距离缺口131mm位置，设计有12mm厚筋板结构，需要合理选择三面刃铣刀的直径，铣刀既要保证缺口被切透，又要防止刀具伤到缺口侧面12mm厚的筋板；该缺口位于产品型材上表面，切下来的废料不能随自重掉落脱离工件，废料与铝合金型材断开时，存在碰撞刀具的风险，存在很大的安全隐患。

装夹方案如图2所示。具体加工过程：第一步，通过螺旋铣孔加工方法，在需要加工缺口的型材顶部左右两端各加工一个φ100mm的半圆通孔，目的是防止三面刃铣刀在执行第二步切割斜面时刀柄与工件碰撞。因为三面刃铣刀长度不够（过长的刀具会导致其刚性不足），所以通过开孔来避让刀具与工件的碰撞[1]。第二步，采用φ125mm三面刃铣刀，在旋转主轴的情况下，对缺口两端的斜面进行切割，分别从型材两侧面各切割一次，使缺口左右斜面和型材分离。第三步，同理，分别从两侧面把缺口底部切断，使斜面切割缝与底部切割缝重合，至此已经完成了3个方向的切割分离。第四步，换用φ500mm锯片刀，目的是为了防止机床与型材顶部的碰撞干涉。把主轴机头旋转放倒至90°状态，分别对尺寸904mm缺口的左右端面从上往下切割，缺口处的废料会脱离工件，此时刀具在工件正上方，从而避免了废料碰撞刀具的问题。

图2 装夹方案示意

4.2 振动、变形和噪声改善措施

产生振动、变形和噪声的原因归根到底在于在加工过程中工件刚性不足，可以从以下几个方面控制和改善振动等问题。①合理布置各个工装夹紧点之间的距离，结合实际加工经验，每个工装夹紧点之间的跨度最大不能超过2m，对于一些强度差的薄壁型材（型材壁厚4mm及以下），应设置更小距离的工装夹紧点。②工件切削余量大的区域尽可能靠近工装夹紧点位置。③采用小切削量、快进给速度的加工方式。④在使用侧刃加工大余量材料时，刀具中心的进刀方向尽量偏离加工余量的中心，保证刀具侧刃的切削效率[2]。

4.3 精加工方案

在加工坐标系下，采用雷尼绍测头对加工位置进行X轴、Y轴和Z轴（可根据精加工情况选择X轴、Y轴和Z轴任意一个或几个）方向测量，探头测量的结果就是型材实际状态和理论位置的差值，这个差值会存储在机床参数#地址（西门子系统为R参数）下面，在加工程序中代入该参数，实现产品的精铣加工。此法是最准确的一种精加工方案，但机床必须安装有雷尼绍无线电测头。

在没有雷尼绍无线电测头的情况下，采用人工测量补值法，这也是一种操作性很好的精加工方案。其主要实施过程为：粗加工预留一定的精加工量，粗铣完成后，人工测量粗铣后的实际余量，并输入到机床参数中，通过程序计算得出粗铣预留量和实际测量预留的差值，并在加工过程中自动纠正差值。例如，粗加工编程：G01 Y5 F2000（表示Y轴正方向预留5mm加工余量）；精加工编程：G01 Y[5-#1]F2000（#1表示实际测量的加工余量）。

4.4 快速装夹、拆卸方案

工装设计要充分考虑通用性，一套工装应尽可能满足所有同类型产品的加工。工装设计可以采取模块化结构，一部分为基础工装，主要对产品进行夹紧固定；另一部分为仿形定位结构，作为产品装夹的定位基准。优先采用气动、液压等自动或半自动化装夹，合理的装夹方案，优先满足一次装夹完成所有加工工序，避免工件第二次翻面加工，充分利用机床主轴的旋转功能、角铣头、T型刀和成型刀等，实现一次装夹完成所有工序。采取合理的工装布局，同一种边梁型材，由于不同的车型和产品有一左一右的对称结构，因此会加工成多种不同的产品，在工装布局中，一种工装布局尽量兼顾所有同种型材加工的产品。

4.5 提高编程效率和准确性

随着工业软件的进步和发展，涌现出了一大批CNC编程软件。软件编程具有速度快、精度高和可靠性高等特点，很多方面是手动编程无法比拟的。现在CAD/CAM行业中普遍使用的软件工具有MASTERCAM、CIMATRON、PRO-E、UG和CATIA等，在轨道交通行业的铝合金型材加工中，主要以二维刀路为主，基于此，MASTERCAM作为二维编程中的佼佼者，是最合适的一款编程工具。软件编程的缺点是产品变更或尺寸变化时，现场程序调试不方便；在某些情况下，CNC编程的加工效率不如手工编程；在边梁精加工时，软件编程不能很好地控制型材变形引起的偏差。

手动编程前期工艺准备时间较长，但手动编程具有更强的适应性和灵活性，通过边梁的图样分析可以看出，各种边梁的结构和加工特征基本相同，可以大量采用宏程序、调用固定循环命令以及调用自定义子程序等方式，提高手工编程的效率和准确性。例如，顶盖边梁上C形滑槽的加工，每个滑槽只需要在程序中定义C形滑槽的长度和中心位置坐标即可[3]。创建模块化编程结构和自定义子程序库，编制同类型边梁的程序结构，下次遇到类似结构的新产品，可以在现有的程序上进行更改，类似结构位置的加工程序可以直接在子程序库调用。对于一些复杂的轮廓、曲面和编程坐标计算量大的特征，可以充分发挥计算机软件编程的作用；对于一些简单、类似的结构，采用手动编程更实用。

05 结束语

本文针对超长铝合金型材加工中存在的难点，提出可行的解决措施。从工艺方案、刀具选择和程序编制等方面进行优化，通过加工验证，取得了很好的效果。对于超长铝合金型材加工，要善于总结经验，借鉴和推广高效的工艺方案，不断进行工艺优化和技术攻关，多去学习了解加工方面的前沿知识和工艺，例如新设备、新型刀具和自动化装夹方案等，学会在实际工作中融会贯通，不固守现有的工艺方法和思路。工艺没有最好，只有更好，在实际应用中要持续改进，不断创新。

专家点评

超长铝合金型材由于其特殊的中空薄壁结构，因此在高速切削加工中存在变形、振动、加工噪声大和刀具磨损快等问题。作者综合考虑以上因素，制定可行的解决方案，通过提高工艺刚性，改善加工中的振动、变形和噪声问题；通过设计工装夹具，实现型材的快速装夹与拆卸；粗加工采用锯切方法快速去除大部分余量；数控加工采用宏程序、自定义子程序等方法，提高了编程效率。

参考文献：

[1]张政民，王忠平，宋福田.轨道车辆薄壁铝型材的典型加工工艺[J].新技术新工艺，2013（9）：80-83.

[2]徐宗涛，肖冲.高速动车组薄壁类铝型材零件机械加工工艺研究[J].现代制造技术与装备，2020（11）：140-141.

[3]孙明.浅析铝合金板类型材的高速加工工艺[J].科技创新与应用，2013（16）：53.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2024年第7期26~29页，作者：湖南联诚轨道装备有限公司刘郁凤，原标题：《轨道交通超长铝合金型材加工难点及解决措施》。