机车用特殊曲面下料成形拼接及检测工艺研究

本文对高寒机车用3mm厚的S355钢板多曲面角板进行了下料-成形-拼接-检测，结果表明，通过三维模拟提取，实现了多种曲面构件的下料拼接成形及检测，且此种拼接方式能够保证曲面的密封性。在当今市场环境下，机车订单多为小批量、多品种，且客户的定制化需求增加，每一种曲面都进行开模制造使成本极大增加。应用CATIA线框与曲面设计中的提取功能对多曲面结构表面进行提取-展开-放样，并根据曲面的形状进行曲面检测工装设计、拼接工装设计，实现不同类型曲面的制造，保证性能、节约成本。本文采用此种方式为机车用特殊曲面的制作提供了另外一种思路。角板成形结构分析整体结构如图1所示，司机室钢结构主要由4～8mm钢板通过折弯压型组焊为箱形结构来形成整体承载结构。为了在结构变化剧烈的拐角处降低应力集中同时也为保证外形美观，在窗口两侧角立柱、顶部以及左右侧墙上弦梁三个面交汇处设计了一块4mm厚的压型三维曲面角板平滑过渡，如图2所示，该角板连接了司机室前墙、顶部和侧墙，起到了承上启下的作用，同时对该角板的制造提出了很高的要求。图1司机室整体结构中角板位置示意图图2角板示意图（侧面、正面、三维）左右角板结构特点角板前面与司机室前墙为一个平面，侧面与左右侧墙角度一致，下部与前窗左右角立柱的大圆弧相接，为了衔接这些平面和圆弧在角板的过渡处设计出了一个三维曲面，该曲面成为工艺难点。(1)难点1：成形困难。该工件为平面曲面结合，通过一般的通用设备无法成形，如果使用冲压整体成形则存在模具费用高和制造周期长，对于小批量试制车显然不合适。(2)难点2：整体成形与检测困难。虽然角板的结构复杂，但是通过工艺分析，利用车间现有的设备，通过工艺拆分、整合可以实现角板的成形与检测。角板的制作通过对该工件的分析该件可以通过拆分来简化工艺，通过分块使原本整体成形的工件对规则部分分割，最后不规则的三维曲面通过雅高来成形。具体拆分有两种方案。方案1具体操作是利用CATIA三维软件，对设计输出的三维模型读入，通过运用创成式外型设计中的多重提取工具提取所需曲面再通过合并工具合并提取的面，为后续的加厚做准备，提取好所有的面后转换到零件建模环境中，通过加厚曲面功能把曲面加厚到设计图纸的尺寸，这样就完成了角板的拆分以及与其他部件的合并。同理对三维曲面部分也做同样的操作，并利用三维软件的展开功能绘制了展开图，完成了整个角板的拆分，如图3所示。图3角板拆分整合示意图方案2具体操作也是利用CATIA三维软件对其进行拆分，拆分后不将规则部分与其他部分进行整合，如图4所示。图4角板拆分示意图多曲面检测检测原理由于曲面为不规则尺寸，为了后续对三维曲面的检查方便，专门设计了检测工装，可以检查曲面在实际安装后的所有位置并对曲面的形状进行检查。检测工装工装的设计同样应用三维软件的强大建模功能，根据前面分割完成的角板提取出的曲面，以此为基础展开工装设计。如图5所示，首先新建一个装配文件导入完成分割的曲面，根据需要工装零件的数量建立多个零件文件，利用软件在装配环境下的建模功能充分利用已有的曲面数据，围绕该曲面需要检查的部分进行工装设计,逐步细化每一个零件最终完成了检测工装的设计，利用镜像功能完成对侧曲面的工装设计。图5三维面检测工装示意图曲面组对焊接第一种拆分方案：将角板平面部分整合组对，如图6所示。图6整合后组焊示意图组对工艺将钢结构整体组对完成以后，前墙和侧墙相接部分就剩三维曲面部分，将雅高机压好并经过检验的三维曲面部分安装到图6所示位置，拼接时保证角板与侧墙、前墙规则部分组对间隙研割均匀2～3mm，角板侧面平，前面平，上面平；保证角板与前墙不规则圆弧部分圆滑过渡，留2mm间隙。点焊均匀，焊接时应注意电流电压。工艺过程中的难点(1)下料过程中难点是中间不规则的曲面，保证曲面成形成为关键工序，使用上述工装对曲面进行检测。(2)拼接过程中难点是组焊过程中圆弧拼接位置的控制。焊缝位置取消圆弧，用三维软件模拟出直角部分，这样就可以预留2mm间隙，焊接后打磨出圆弧部分保证曲面的圆滑过渡。制造过程中出现的问题与解决方案问题：整合到左右卷板部分的角板由于整个板中有尖角，导致滚压出的圆角弧度不够，角板整体组对时容易出现凹陷。解决方案：左右卷板滚压之前下料时，在整板上画出角板整合部分的尺寸，滚压成形后再切去多余部分；研配角板使间隙为2～3mm；焊接时注意电流电压，这样焊完就有圆角，角板与卷板连接处就不会凹陷。第二种拆分方案：将角板在工装上进行组对，如图7所示。图7拆分后不整合直接组焊示意图这样就可以直接组焊出一个完整的角板，焊接后可以进行煤油渗漏，进一步提高角板的质量。制造工艺将拆分的部分依次进行拼接，点焊，在工装上进行压紧，焊接，焊接成形后等工件充分冷却后，从工装上取下工件，进行煤油渗漏，如出现漏油，采用细丝、短路过渡方法进行修复；合格后用样板进行检测。不合格的部分通过火焰进行调整。制造过程中出现的问题与解决方案问题：拼接过程中拼接位置会出现棱线或凹陷。解决方案：将角板进行重新拆分，避开带有棱线的部分，将复杂三维曲面整合上平面的部分，通过整合就可以避开棱线部分，可以防止棱线部分不圆滑；使相结合的焊缝部分为两块平板对接，加工艺垫板进行焊接，可以防止焊缝部分凹陷，有利于提高焊接质量。如图8所示。图8避开棱线角板拆分示意图两种方案在实际生产中的效果两种方案在实际生产中的应用的效果图，如图9所示。图9生产中两种方案的对比图(1)方案一在小批量生产中得到了极大的应用，操作简便，只需要研配三维曲面部分就可以实现组焊过程，焊缝少，有利于控制角板部分焊接后的变形。(2)方案二适合于大批量生产，由于不需要进行整合，有利于左右侧墙、前墙的工装设计，便于吊运，在大批量生产中可以得到很好的应用，直接组焊出的角板可以进行煤油渗漏，并且组焊好的角板不需要研配，到司机室总成时可以直接使用，为大批量生产提供了便利。并且角板可以不受司机室生产进度的影响，自身就可以进行大批量生产。结束语(1)三维模拟提取对曲面进行拆分放样、下料，骨架形成形检测工艺可以实现机车用多曲面的制作。