司机室焊接变形研究与控制

司机室焊接变形研究与控制

宫井香

中车唐山机车车辆有限公司   河北省唐山市   063035

摘要：随着铁路行业的发展，内燃机车的设计趋向于高速重载，机车结构轻量化也成为重要的关注点。国内轨道车辆生产中，车辆底架上的零件连接方式多采用焊接，但零件焊接在焊接位置一致性、焊接效率等方面存在一定的问题，在个别项目中，时常会出现因焊接位置不一样，导致后续装配困难、返工等现象。如果使用全手工焊接，则整个焊接过程的质量和效率就会完全取决于焊接人员的技能和作业熟练度，焊接质量很难控制。一旦从一个焊接项目切换到另一个新项目中，焊接的工作人员就需要大量的重复劳动，才能够保证焊接的质量。因此，在现代社会对轨道车辆的需求越来越大的情况下，有必要克服这种手工焊接效率低下且培养困难的情况，设计一种更加切实有效的焊接定位方法，以达到节约成本、提高作业效率、准确度以及自动化程度的目的。基于此，本篇文章对司机室焊接变形研究与控制进行研究，以供参考。

关键词：司机室；焊接变形；控制措施

引言

司机室是实现列车FAO功能的重要组件。其中，列车端头疏散门、司机室侧门、司机室隔断作为司机室中的关键部件，在应急疏散、行车作业组织等方面发挥着重要作用。动力司机室曲面骨架的成形加工，常规的生产工艺为采用传统凹凸模和拉弯工艺再焊接成形，模具的制作精度高，结构远大于常规，需要大型专用的冲压模具和拉弯机床设备，导致生产周期长、成本高。针对此难点，进行了技术攻关，利用司机室曲面骨架专用工装，采用五轴快速加工工艺技巧，极大地提高了生产效率，加工周期6～8h;省去了大型专用的冲压模具、拉弯机床设备及工装模具，大大地降低了生产成本。

1司机室加工工艺

原生产工艺需要大型专用的冲压机、拉弯机等生产设备，不能满足现有小批量、快节奏的生产。针对这些难题，进行技术创新攻关，设计一套专用工装，选择高效加工刀具，采用高速加工工艺，设计高速五轴加工程序，最终解决了难题。

1.1工装设计优化

针对同一型号的产品多种曲面的要求，经过研究，设计了一套通用工装，能够实现标准化平台生产，即尺寸范围相近，以内侧非曲面部分设计为定位装夹部位，从而将工装通用不同外形曲面的工件装夹。工装主体设计为框架结构，采用方钢焊接而成，材质为Q235A。工装可分区域设计多个可快拆的装夹压紧杆，便于分区域进行加工时的装夹与拆卸;定位块和压紧块采用铝合金和尼龙材质，可有效保护工件表面质量。同时多点位工件装夹及采用尼龙材质的工件压块可以增加工件的刚性，有效抑制工件在加工过程中的震颤，从而给高速加工带来有利保证。

1.2高速加工工艺设计

左侧骨架上表面是一个三维流线型的曲面结构，如果采用常规的软件编程工艺，使用型腔铣编制粗精加工程序，程序量大、空刀路多、加工时间极长，且加工过程中易产生工件振动，产品质量无法得到保证。本文粗加工工步选择2mm的切削深度，在保证必要的加工效率下，选择较小的切削深度可防止工件受切削力影响产生热变形，选择较大的进给量保证较高的切削效率。最后选择较高的切削速度可以降低切削力，有利于减少工件热变形，同时切削热大部分由切屑带走，降低了切削温度。

2特殊承载要求

某工程车主要用于段内调车、牵引其他负载等，因此为方便司乘人员瞭望、巡检以及换端操作等需求，整车采用中间司机室、两侧外走廊的总体结构方式。车体作为主要承载结构，其主要由底架、司机室结构、机械间侧墙和走廊扶手杆等部件组焊而成，并成中心对结构。根据合同要求，司机室钢结构强度须满足以下特殊承载要求：1）整车静态翻转180°，司机室钢结构能够承受整车一半的重量而不会发生永久变形。整车（包括转向架）质量约56t，所以司机室钢结构顶部须承受28t的静载荷。2）司机室顶盖应能抵抗100kg的混凝土块（大小为300mm×300mm×300mm）从上方3m的位置自由落下产生的冲击能量，并保证混凝土块不会侵入司机室内部上方内装区域。

3焊接技术

随着动车轻量化的到来，金属和塑料连接是有广泛需求的。金属材料本身具有很多优异的性能，如高塑性、高导热性、易加工性等；塑料具有抗腐烛性、重量轻及隔热性等优点。金属和塑料的连接，常规的方法是采用胶接和机械连接，使用激光连接相较于胶接和机械连接，强度更高、快速可靠、无需辅料。激光直接连接金属与塑料的过程可以分为两步：首先用激光在金属零件表面加工形成微结构，激光扫描金属表面，通过控制激光的功率等参数，在金属表面加工出规则的凹槽与咬边结构；然后，再加热塑料，在夹具压力的作用下，熔化的塑料被压入金属表面的微小结构内，冷却后完成连接。实际应用上，Faurecia公司汽车部件中座椅靠背后两侧侧梁构件采用PA+GF30复合材料，其他钢部件保持不变，通过激光实现上下横梁组件和复合侧梁构件之间的焊接。

4调修矫正措施

目前，铝合金车体及其大部件常用的调修方法主要分为机械调修和热调修两种。对于本文研究的前墙厚板焊接结构，以上两种常规的调修方法通过现场验证效果不明显，甚至无法解决实际问题，主要原因有以下两点：首先采用火焰调修，由于母材为6000系铝合金，属热处理可强化合金，调修温度最高控制在200℃以下，超出这个范围母材的组织和性能都会发生变化，而加热200℃对于这种大厚板调修来说，即使再采用机械调修施加外力，也很难达到材料本身的屈服强度值；其次，火焰加热是一个缓慢过程，在加热部位采用线状加热，由于铝合金导热快的材料特性，当温度达到约200℃时，距离加热位置较远的板材边缘也具有较高的温度，这样很难在加热部位形成较大的温度差，这也是制约火焰修最重要的因素。本文采用的调修矫正方案分以下步骤：（1）首先，检测前墙两侧板材变形量数值，以中部型材为基准面，用两块相同的60mm厚垫块做基准，测量两侧板材距平尺间隙，并记录各位置尺寸数值（2）根据上述测量数据，分析确定需要矫正的一面。采用铣除表面余高然后进行再次焊接，利用焊接收缩量来抵消原有变形。实践证明采用该方法相比常规的火焰调修更为有效。铣除余高分两次进行，将整条长度焊缝均匀分成五段，每段长约500mm，第一次铣除1、3、5焊缝金属，完成后进行焊接，待冷却后测量工件表面平面度，如果平面度达到图纸技术要求，则调修工序完成。如果还不符合图纸要求，再进行第二次铣除焊缝的2、4段，再进行焊接，冷却测量。通过采用上述调修方法能快速有效地解决前墙整体平面度超差难题。与以往常规的调修方法相比，作业效率提升至少80%。

结束语

总而言之，通过对司机室焊接变形优化设计，进行针对性的分析计算、三维数据模拟分析以及后续的实物测量，解决了长期以来活动侧窗间隙大、容易掉落异物的问题，为其他机车项目活动设计提供了参考和依据。

参考文献

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