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。

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。