鋁合金車廂環(huán)形擠壓總體技術(shù)

張新峰，劉 凱，閻善武，張金彥，齊有田，韓 波

(1.山東兗礦輕合金有限公司，山東 鄒城 273500；2.陜西多倫科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710043)

0 前言

鋁合金火車車廂車體能大幅度降低車輛自重，在車輛長度相同的條件下，與碳素鋼車體相比，鋁合金車體的自重降低大約30%～35%，強(qiáng)度質(zhì)量比約為碳素鋼車體的2倍。鋁合金具有較小的密度及楊氏模量，所以對沖擊載荷有較高能量吸收能力，可降低振動，減少噪聲。采用大型中空擠壓型材制造的廂形板塊式結(jié)構(gòu)可減少連接件的數(shù)量和質(zhì)量，并可進(jìn)行減振、隔熱、防火設(shè)計。

1 鋁合金車體的現(xiàn)有加工方法

圖1所示為典型高鐵車廂廂體，車頂、車底和側(cè)墻全部采用空心寬幅型材焊接而成。目前，中國、歐美和日本全部采用焊接結(jié)構(gòu)。日本七家鋁合金企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了90 MN擠壓線及其車廂焊接技術(shù)，德國也是90 MN擠壓機(jī)，擠壓780 mm型材。另外，國際上的大型擠壓機(jī)如俄羅斯196 MN，已經(jīng)成功擠壓了2 500 mm寬幅飛機(jī)壁板型材(7000系列)，美國的360 MN成功擠壓了直徑1 500 mm的鋁合金管材。焊接-鉚接或焊接、螺栓(釘)連接在歐洲應(yīng)用較多。國內(nèi)外數(shù)據(jù)表明，鋁合金是高速列車的首選材料，長客公司已經(jīng)開發(fā)了碳纖維地鐵車廂，鋁合金連接問題是發(fā)展的關(guān)鍵問題，攪拌摩擦焊是首選的連接方法。國內(nèi)已經(jīng)具備了應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)制造鋁合金列車的技術(shù)基礎(chǔ)，如浦鎮(zhèn)、株洲、四方、長客。叢林、忠旺、麥達(dá)斯和南山集團(tuán)等也深入發(fā)展了氣體保護(hù)焊接和氬弧焊接技術(shù)，吉林利源引進(jìn)日本技術(shù)在沈北新區(qū)建設(shè)焊接車廂生產(chǎn)線。

圖1 高鐵車廂廂體

圖2所示為摩擦攪拌焊接，而焊縫主要分布在型材表面，通過帶有可控軸向力的高速旋轉(zhuǎn)的摩擦輪使鋁合金局部融化，摩擦輪離開后，融化的鋁合金融合到一起。

圖2 摩擦攪拌焊接

圖3 為寬幅型材雙面對接，空心型材上下表面焊接，型材中間無法焊接而保留了縫隙。如圖4所示，鋁合金車廂廂體需要26條以上摩擦攪拌焊接焊縫。

圖3 寬幅型材雙面對接

2 環(huán)形擠壓

環(huán)形擠壓重點是實現(xiàn)了近徑成形和近終成形，環(huán)行擠壓主要意義在于提高成材率；進(jìn)一步減輕重量、降低成本、減小火車驅(qū)動力、節(jié)能減排；保證車廂強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命；鋁合金加工及車廂制造技術(shù)世界領(lǐng)先。

2.1 設(shè)備組成

環(huán)形擠壓也可以稱作空心擠壓，通俗講就是把四臺225 MN的擠壓機(jī)通過四個圓柱組合到一起的組合擠壓機(jī)，壓機(jī)中間是空心的，工藝是分流模傳統(tǒng)工藝，環(huán)形擠壓機(jī)如圖5所示。

圖5 環(huán)形擠壓機(jī)

由圖5可以看出，環(huán)形擠壓可實現(xiàn)整體車廂一次擠壓成形，省掉焊縫，使車廂成為無縫廂體。采用四個環(huán)行主油缸驅(qū)動擠壓活動橫梁，采用分流模(空心模具)技術(shù)，使用環(huán)形空心擠壓筒，對空心鑄錠直接擠壓成形長度28 m的車體，制品與壓余分離采用八面重疊剪刀剪切。

2.2 生產(chǎn)工藝

圖6所示為環(huán)形擠壓工藝流程圖，空心環(huán)形鑄坯的金屬模具鑄造主要采用金屬模水冷模，應(yīng)用已經(jīng)技術(shù)成熟的電磁攪拌技術(shù)，結(jié)合結(jié)晶器液壓振動，實現(xiàn)單坯環(huán)行坯錠鑄造，設(shè)計重量29 t。目前厚度500 mm的板坯已經(jīng)質(zhì)量穩(wěn)定，而環(huán)形鑄坯的單邊壁厚小于480 mm，技術(shù)可行。采用燃?xì)鉅t進(jìn)行環(huán)坯錠加熱，設(shè)計重量300 t。環(huán)行擠壓機(jī)設(shè)計重量13 300 t。

圖6 環(huán)形擠壓工藝流程圖

擠壓成形的廂體校正校形和熱處理工藝也是環(huán)形擠壓的關(guān)鍵工序，在內(nèi)外輔助支撐的約束下，對已經(jīng)擠壓成形的廂體進(jìn)行提溫保溫至少2 h，然后快速進(jìn)入大型水池進(jìn)行急速激冷，實現(xiàn)鋁合金的固溶化處理。

出料后進(jìn)行補(bǔ)溫淬火及熱校形，設(shè)計重量6 350 t。出料裝置需要長度約30 m的懸臂支撐，一個支點在出料臺末端，另一個支點深入壓機(jī)中心的活動橫梁上。出料需要牽引，擠壓制品需要內(nèi)部輥動方框支撐，外部輥動方框滑道約束支撐，以便熱態(tài)下實現(xiàn)車體的內(nèi)外支撐。

擠壓結(jié)束后，四個模具支撐塊離開支撐位置，環(huán)形運動的鋸切機(jī)將模具后面的廂形型材切斷，牽引裝置將制品取走；擠壓筒脫離壓余，四個角部方向的剪切機(jī)分別次序剪切環(huán)形壓余，最后一臺寬面剪切機(jī)再將壓余徹底清除，壓余進(jìn)入殘料框中，從模具與擠壓筒之間繼續(xù)上第二個坯子，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

主機(jī)為兩個梁的壓機(jī)結(jié)構(gòu)，四個抱在張力壓柱上的環(huán)形液壓缸驅(qū)動擠壓動梁。由于壓機(jī)中心沒有工作油缸，所以壓機(jī)的固定梁、擠壓動梁全部設(shè)計為環(huán)形空心梁。環(huán)形擠壓屬于隨動針、空心錠半穿孔擠壓。

2.3 擠壓主要參數(shù)

擠壓應(yīng)力按照穿孔針隨動工礦計算

式中，σS為鋁合金變形抗力，與材料狀態(tài)、溫度、變形速度與變形程度有關(guān)；α為模角；Dp變形區(qū)平均當(dāng)量直徑；dn為擠壓制品即車廂當(dāng)量內(nèi)直徑；λ為延伸系數(shù)，35～50；l1為定徑帶(模具工作帶)縱向長度；d為擠壓制品既車廂當(dāng)量外直徑；l3為鑄錠未變形區(qū)長度；Dt為擠壓筒內(nèi)直徑(取整體車廂鑄錠當(dāng)量外徑)；dz為擠壓制品既車廂當(dāng)量內(nèi)直徑，是空心擠壓軸當(dāng)量外直徑。

參照典型高鐵鋁合金車廂型材斷面尺寸Ad，初步計算總的擠壓力F=σj×Ad，約為900 MN?？紤]到整體車廂省掉焊縫之間的立筋板，實際擠壓力還要小些?？倲D壓力分配到四個受力張力柱上，四個環(huán)行擠壓缸的單缸力為225 MN，活塞密封等均有廠家供應(yīng)。

環(huán)形擠壓設(shè)備是三層結(jié)構(gòu)的環(huán)形預(yù)應(yīng)力筒，設(shè)置加熱和保溫功能，擠壓軸推動墊片與穿孔針一同運動。固定梁、擠壓動梁的斷面輪廓尺寸小于10.5 m，國內(nèi)大型龍門加工中心能夠加工。

環(huán)形擠壓主機(jī)占地： 16 m×13 m×8 m(含地下6 m)，出料設(shè)備長度60 m，寬度20 m。

3 結(jié)束語

環(huán)形擠壓是擠壓發(fā)展的必然趨勢，是成熟技術(shù)的自然組合。該工藝可行性完全來自于現(xiàn)有成熟的鋁擠壓工藝，在毛坯階段已經(jīng)是車廂形狀，實現(xiàn)了近終成形，只要產(chǎn)生一定的擠壓變形使材料達(dá)到需要性能?？蓪崿F(xiàn)材料變形路徑短、變形效率最高化、模具損耗最小化、變形能最小化以及能耗最低化，符合節(jié)能減排目標(biāo)。總之，該工藝設(shè)備完成了環(huán)形擠壓的近徑成形。使用了環(huán)形主油缸，通過環(huán)形擠壓軸施加擠壓力，將已經(jīng)裝入環(huán)形擠壓筒的環(huán)形坯料通過環(huán)形模具擠壓成整體廂體，最終通過四環(huán)實現(xiàn)廂體的環(huán)形擠壓。