城轨车辆铝合金车体大部件的加工工艺难点

铝合金因质量轻、比强度高，已成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、铁道车辆、动力机械及航空工业等方面。由于铝合金强度和硬度相对较低、塑性较小，对刀具磨损小，且热导率较高、切削温度较低，适合高速切削加工，但是铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切削界面摩擦力很大，切屑易熔结在切削刃上而粘刀，不易获得较高的尺寸精度和低的表面粗糙度值。下面以典型的城轨车辆铝合金大部件为载体，通过机床选型要求、刀具要求和加工工艺分析，提出了为实现高速加工而采取的一系列措施。
1.城轨车辆大部件加工工艺难点分析
如图1所示，此大部件长度为19 650mm，型材材质为6061铝合金，如此长的型材刚性小，焊接后扭曲变形大，装夹困难，加工时极易产生振动，并且要求保证较好的零件表面质量和尺寸精度。这样就必须要求采用高速加工工艺，只有这样才能达到预先设定的目标。然而采用高速加工后随之带来了一系列问题：刀具振动大而导致零件尺寸精度不高、表面粗糙度质量不好、切削时容易粘刀等。为了克服上述难点，论文从以下几个方面进行了详细的论述。
图1  底架加工示意图

2.切削加工工艺
（1）高速加工机床。高速加工要求高速机床具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性等，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。在这个产品的加工中，选用的机床是德国生产的大型龙门五轴加工中心Fooke。这种机床具备了高速加工中对机床的所有要求，机床主轴转速高达15 000r/min，进给速度达到40m/min，机床动态响应很好。最关键的是机床具备主轴油雾内切削液系统，切削液选用了美国ITW集团ACCU-LUBE（阿库路巴）的LB-6000微量油气润滑，微量的润滑油在刀具工作点形成薄薄的油膜，油膜具有很高的表面黏附强度，润滑油的高润滑性使刀片在工作过程中减少摩擦，降低切削应力，同时高压冷却技术可将切削液精准地导向实际切削区，更容易地控制加工区域的温度，高压油雾冷却能有效降低切削中的刀具温度，使得排屑更为顺畅，其优势已经彰显。
（2）高速加工刀具选择。刀具材料选择。高速加工中的刀具在高温下进行切削工作，同时还要承受切削力、冲击和振动，因此刀具材料要求具有足够的强度和韧性、高硬度、高耐磨性和红硬性等。同时为了便于刀具的制造和成本控制，刀具材料还需要具备良好的工艺性和经济性。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、金刚石及立方氮化硼等。在图1所示的零件加工中，选用的刀具材料为硬质合金材料，由于铝合金属于比较容易切削的材料之一，但是在高速加工中容易产生粘刀现象。为了避免这一问题，在这个零件的加工中采用的是非涂层刀具，因为非涂层刀具可以比涂层刀具做得更加锋利，切削铝合金时的切削力更小，切削过程更顺畅，因此可以有效地减少粘刀的问题产生。
刀柄的选择。高速加工中的刀柄选择适应机床高速、高效的特点，因此刀具在高速下进行切削加工，应具备较高的系统精度、较高的系统刚度及较好的动平衡性。刀具高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床和刀具的急剧振动，会造成机床和刀具的破坏，因此，高速刀具系统的动平衡显得尤为重要。为了提高刀具与刀柄的联接精度，采用热装式的刀具夹紧系统逐渐取代了弹簧夹紧、侧固等系统，如图2所示的刀柄系统。
此刀柄具备了以下优点： ①很高的同心度。 ②所传递的力矩为液压夹头或弹簧夹头的2～4倍。 ③刀杆的动平衡性非常好。热胀系统通常都是利用热感应线圈使刀柄的夹持部分在短时间内加热，使刀柄内径随之扩张，此时立即把刀具装入刀柄内，而刀柄冷却收缩时，即可赋予刀具夹持面均匀的压力，从而产生很高的径向夹紧力，将刀具牢牢夹持住。因此，热胀系统是一种刀具与刀柄间不介入任何物质的热装刀具夹紧方法，它可解决高速加工中极为重要的平衡、振摆精度及夹持强度等问题。
（3）高速刀路优化。为了能够确保最大的切削效率，又保证在高速切削时加工的安全性，使用了UGNX7.5软件进行零件编程，生成刀具轨迹时考虑了以下几个方面：

图  2 采用较小的切削深度和切削宽度，同时采用很高的切削速度和进给速度，可以有效降低切削过程中的切削抗力。
应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或机床的损坏；应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速。
残料加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用大刀具开粗去大部份余料，然后采用小刀具进行清角和精加工，还应减少切削步距以降低切削抗力。
刀路编辑优化非常重要，避免多余空刀，可通过对刀路镜像、复制及旋转等操作，避免重复计算；刀路裁剪功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀，提高效率，也可用于零件局部变化时的编程，此时只需修改变化的部分，无须对整个模型进行编程。
下刀或行间过渡部分应采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接扎入工件材料；行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接；同时精加工时的起刀点应设在边线端点而不是中点。
3.结语
通过分析城轨车辆车体铝合金大部件高速加工中容易出现的问题，提出解决措施，选择合适的机床、刀具系统，同时采用了合适的切削参数，优化高速加工的工艺路线，最终高效地完成了该零件的加工。