轨道客车构架薄板类坡口铣削参数探讨

2015-02-20唐山轨道客车有限责任公司河北063035郑建科

金属加工(冷加工) 2015年2期

■唐山轨道客车有限责任公司（河北 063035）郑建科王伟

轨道客车构架薄板类坡口铣削参数探讨

■唐山轨道客车有限责任公司（河北 063035）郑建科王伟

摘要：本文分析了轨道客车构架薄板类焊接坡口铣削加工的影响因素，并列举了编写的数控加工宏程序，得出此类件加工的手工编程方法，不仅简单、方便，而且能提升加工的质量和效率；结合设备提出了铣削参数的确定方法，为薄板类坡口加工参数的确定提供了参考。

目前，轨道客车或动车转向架的构架采用薄板焊接结构（见图1），主要分为侧梁组成和横梁组成，即采用钢板焊接结构的箱形侧梁组成和与侧梁相贯通的无缝钢管及各个附件组成的H形横梁组成。侧梁组成采用“四块板”焊接结构，侧梁的下部焊接有托板组成和抗侧滚扭杆座；横梁主体为无缝钢管结构，横梁组成则是在主体无缝钢管上焊接电机吊座、齿轮箱吊座、牵引拉杆座和制动吊座等附件，除了两根横梁是无缝钢管外，其余均由厚度在8～ 40mm之间不等的薄板焊接而成。根据产品特性和焊接性能等因素，需要将各类薄板焊接连接处铣削成10°～80°不等的坡口。

通常，铣削是一个由多齿参与的断续铣削过程。相对于其他铣削加工形式，其具有铣削力小、加工变形小、铣削温度低、加工能力强及材料去除率高等诸多优点，因而被广泛应用于航空航天、汽车及轨道交通装备制造等行业。

随着制造业的快速发展，越来越多的先进数控系统的铣削加工设备不断涌现出来，例如不同型号的数控立式、卧式加工中心或龙门加工中心等先进设备，都适合铣削加工。目前轨道交通装备制造行业，加工各种不同厚度、不同形状的板类坡口，通常是在数控立式加工中心上进行，这种加工方式往往是产量大，形状复杂，而工期又紧，所以在提高生产效率的同时，要最大程度地降低设备故障周期和提高刀具使用寿命，进而合理地降低生产成本。本文基于对薄板加工应用宏程序进行编程，根据经验对构架薄板类坡口加工选择合理的编程方法和铣削参数，有一定的指导意义。

图1　轨道客车构架

1. 薄板类坡口铣削加工的影响因素

构架薄板类板材的材质均为Q345中碳钢钢板，采用火焰或激光切割成型，通常情况下的成型不需要留量，只在相互焊接的连接处根据产品特性加工出不同角度的焊接坡口；只有形状复杂的个别件在火焰切割下料时需要留量3mm左右，先加工周边后加工坡口，所以大多数薄板都是没有留量只加工坡口。由于下料时周边出现局部硬化，使得表层的硬度要比普通Q345的硬度高，硬度越高，铣削力就越大，这样在加工坡口过程中，编程方法及铣削参数的选择就有了一定的难度。

目前要提高薄板类坡口铣削加工的效率，同时还要保证产品质量，就得从加工设备、刀具及编程加工方法上找影响铣削参数的原因。

2. 数控铣削编程方法

编程方法主要有手工编程和软件编程两种，手工编程比较简单，很容易掌握，适应性较大，编制程序的质量与数控系统、数控加工工艺及编程人员多方面的知识和经验息息相关。宏程序不仅是一种数控编程的手段，更重要的是，使用宏程序进行编程的本身也是一个熟知数控系统功能、优化及确定加工工艺的过程。因此，能够熟练应用宏程序进行编程的人员，必须具有扎实的数控加工工艺知识；在加工有规律的产品时，无论是加工速度还是加工精度，宏程序都比自动编程效果好，也比自动编程软件编程精练，修改方便。应用宏程序编程对于加工薄板坡口更为方便、灵活且效率高，既能实现相同加工的子程序调用，又能实现一些子程序无法实现的特殊功能。

在这里列举了轨道客车转向架构架类薄板坡口加工采用宏程序编程的例子，根据薄板的材质、厚度、图样要求的角度、刀具以及加工设备功率等参数的限制，铣削需要多次下刀加工。图2a为起始加工，图2b为最后一次下刀后的加工，中间多次下刀加工通过应用宏程序定义的增量来定义下刀的次数，图2c为每次进给的参数，即主轴每次下刀移动的参数R7和R8，很方便地实现产品的多次铣削过程（见图2）。

图2中，R1为板厚；R2为顿边；R3为角度；R7为瞬时深度，R7=-（R5×R6）；R8为瞬时宽度，R8= R7×tan（R3）。

25G型客车转向架构架侧梁内立板坡口加工程序如下（见图3）。

O001

M6T1D1 M3 S1000

R1=14

R2=1.5

R3=50

R4=（R1-R2）×tan（R3） %坡口深度

R5=3%每次下刀深度

R6=1%变量

R7=-（R5×R6） %瞬时深度

R8=R7×tan（R3） %瞬时宽度

AA:

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=R7

G1G41X=1646.5OFFN=-（R4-R8）F400

X=-1646.5Y0

Y104RND=50

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

X=-1646.5-100

G40

R6= R6+1

R7=R5×R6

R8=R7×tan（R3）

IF R7≤（R1-R2）GOTO AA

G0X=-1646.5-100Y=-100Z=-R1+R2

X=-2038/2Y169RND=200

X=-560/2RND=200

X0Y205RND=200

X560/2RND=200

X2038/2RND=200

X1680.5Y104RND=100

X1769Y104

X-1646.5-100

G0Z300

M5M9

图2　铣削刀具示意图

图3　25G型客车转向架构架侧梁内立板

3. 加工参数的选择

研究不同铣削条件下所产生的铣削力，为合理地选择铣削参数中的铣削速度、铣削深度及进给量，改善加工表面质量，优化加工工艺等方面提供参考。选择铣削参数首先要分析铣削力，对铣削力的研究，能进一步弄清铣削机理，计算功率消耗，结合刀具、设备及夹具制定合理的铣削用量，优化刀具几何参数等，具有非常重要的意义。金属铣削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为铣削力。铣削力来源于克服被加工材料的弹性变形抗力、塑性变形抗力以及克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

对于薄板类坡口加工，除了合理的布局装夹和编程外，铣削参数选择显得尤为重要。铣削过程中铣刀的选择受产品结构、夹具、产品材质以及设备等诸多因素共同影响，这些均要考虑，选定了刀具和加工方法，就可以根据经验公式确定相应的最优铣削参数值。

结合产品结构、产品材质以及设备功率等诸多因素来选择铣削线速度vc和每齿进给量fz，依次通过计算以下各个参数值，确定铣削加工的各个参数。

主轴转速

式中，n为主轴转速（r/min）；vc为铣削线速度（m/m i n）；d0为实际铣削深处的铣削直径（mm）。

铣削力

式中，Fc为铣削力（N）；cp为铣削速度对铣削力影响系数；fz为每齿进给量（mm/z）；ap为铣削深度（mm）；ae为铣削宽度（mm）；z为有效齿数；K为刀具前角对铣削力影响系数；K1为工件材料对铣削力影响系数。

进给速度

式中，vf为进给速度（mm/min）；ap为铣削深度（mm）；n是主轴转速（r/m i n）；z为有效齿数。

净功率

式中，Pc为净功率（kW）；vc为铣削线速度。

转矩

式中，Mc为转矩（N·m）；n为主轴转速（r/min）。

选择铣削刀具可以参考不同刀具的参数范围并结合加工特性来选择铣削的线速度、进给量和吃刀量，通过查表来带入公式计算各个参数值，为选择铣削加工参数值提供参考依据。

表1　铣削线速度对铣削力影响系数cp

表2　刀具前角对铣削力影响系数K

表3　工件材料对铣削力影响系数K1

4. 设备特性

数控设备的合理利用主要受加工参数的影响，加工参数的选择不仅可以保证产品的质量，还可以延长机床的使用寿命，提高设备的加工效率。反之，若加工参数选择不合理就可能出现断续铣削，进而造成强迫振动或再生效应产生的颤振等现象，对加工的产品质量、刀具使用寿命、机床固有精度及使用周期产生较大影响。铣削加工过程中，因铣削面积随着刀具的移动而变化，会引起铣削力及力矩也发生变化，尤其是当同时参加铣削的刀齿数量越少时，铣削力和铣削力矩的变化就越大，甚至会引起工艺系统的受力变形、振动和冲击。这些都会导致加工精度、表面质量、机床寿命和刀具寿命下降。所以，设备的铣削特性既要考虑提高生产效率，又要考虑保护设备和刀具，降低设备的维修周期和提升刀具使用寿命。根据经验，由经验公式计算出设备的瞬时加工功率和转矩，通常不能同时超过最高值的30%，而对于特殊高精密设备，这些计算值最好低于最高值的20%。