超大規(guī)格鋁合金擠壓型材生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用

吳海旭，李洪林，楊 麗，劉 學(xué)，王國冰

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

提要：介紹了超大規(guī)格鋁合金擠壓型材生產(chǎn)技術(shù)，包括大型模具設(shè)計制造、大規(guī)格鋁合金錠坯制備和超大規(guī)格鋁合金型材擠壓，并簡要分析了其應(yīng)用前景。

0 前言

鋁合金擠壓型材已成為軌道交通和公路貨運(yùn)等交通運(yùn)輸車輛輕量化發(fā)展的最重要基礎(chǔ)材料。采用超大規(guī)格高性能復(fù)雜截面鋁合金擠壓型材焊接而成的車體，不僅可以減少焊縫數(shù)量、提高尺寸精度和強(qiáng)度，還可大大提升車輛整體安全性能和使用壽命，是未來發(fā)展趨勢[1]。

1 基礎(chǔ)條件

要想生產(chǎn)合格的超大規(guī)格鋁合金擠壓型材，簡單來說要具備以下三個基礎(chǔ)技術(shù)條件：

（1）大型鋁合金模具設(shè)計制造技術(shù)。

（2）大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金錠坯制備技術(shù)。

（3）超大型擠壓機(jī)及擠壓成套技術(shù)。

2 生產(chǎn)技術(shù)

2.1 大型鋁合金模具設(shè)計制造技術(shù)

采用焊合區(qū)網(wǎng)格重構(gòu)、質(zhì)點逆向追蹤等方法，通過多場耦合有限元模擬，建立溫度場、速度場、應(yīng)變場等與擠壓參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，開發(fā)出大型鋁合金擠壓模具設(shè)計制造技術(shù)[2]。

模具制造工藝流程為：原材料→下料→粗車→劃線→粗加工→熱處理→精加工→配?！倷z。主要流程簡述如下：

（1）原材料：采用H13合金工具鋼為擠壓模具原材料。

（2）下料：采用鋸床下料，保證端面與棒料軸線相互垂直，預(yù)留3～4mm車削余量。

（3）粗車：使用數(shù)控車床進(jìn)行粗車，注意內(nèi)外徑留量、平面留量等工藝參數(shù)設(shè)置。

（4）劃線：平臺劃線。

（5）粗加工：包括鉆孔和銑削等。銑削加工采用加工中心進(jìn)行，是模具加工非常重要的工序，其主要用于加工模具的工作帶、分流孔、焊合室、模芯、前室等。

（6）熱處理：將模具鋼加熱至臨界點Ac1以上一定溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻淬火，再將淬火鋼在500～650℃溫度下加熱，并以空冷方式冷卻到室溫。

（7）精加工：主要包括精磨、精車、精銑、線切割和電火花、拋光、研磨等。

（8）配模：使上下模組合到一起，用相應(yīng)的螺栓進(jìn)行定位。

（9）總檢：按設(shè)計圖紙要求檢查合模，包括壁厚、封閉高度、表面光潔度、平行度、外圓尺寸、橋?qū)ΨQ度、橋清根、順料、打硬度等。

2.2 大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金錠坯制備技術(shù)

通過結(jié)晶器設(shè)計、電磁鑄造系統(tǒng)適用性改造、鑄造過程的精確數(shù)值模擬，同時采用電磁攪拌技術(shù)、熱頂油滑鑄造技術(shù)及區(qū)域過冷技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金錠坯制備技術(shù)。

鑄造工藝流程為：配料、裝爐→熔煉→攪拌、扒渣、快速取樣化驗→調(diào)整成分→轉(zhuǎn)爐→精煉、調(diào)溫、靜置→（鋁-鈦-硼絲）→晶粒細(xì)化、在線除氣、過濾→鑄造→均質(zhì)→鋸切→檢驗。主要流程簡述如下：

（1）配料裝爐：精確計算各種材料（包括鋁錠、鎂錠、硅錠及各種中間合金等）用量和配料。

（2）熔煉：使用固定式天然氣熔鋁爐進(jìn)行熔煉。熔煉過程開啟電磁攪拌器，將鋁液攪拌均勻，使熔體的化學(xué)成分及溫度均勻化，同時可減少氧化渣的形成，縮短熔煉時間。

（3）扒渣：將浮渣扒到爐門口，輕輕搓動，盡量使鋁與渣分離，控凈鋁液。

（4）靜置取樣化驗：靜置40～50min后，取樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，合格后方可轉(zhuǎn)入保溫爐。

（5）鋁熔體在線處理：保溫爐配置爐內(nèi)精煉裝置，對鋁液進(jìn)行初步精煉。精煉過程中加入鋁-鈦-硼絲以細(xì)化晶粒，將高純氬氣注入鋁液中，排出鋁水中多余的溶解在鋁液中的氫氣，減少固化過程中氣泡的形成。

（6）鑄造：利用半連續(xù)鑄造機(jī)鑄造鋁棒，鋁水通過導(dǎo)水盤進(jìn)入各個結(jié)晶器，升降平臺根據(jù)鋁液的流速及冷卻水的流速來控制下降速度，隨著升降平臺的下降，逐漸形成鋁棒。

（7）圓鑄錠檢驗：包括表面質(zhì)量、低倍檢驗、超聲波探傷等。

（8）均質(zhì)：根據(jù)不同合金設(shè)定溫度、時間進(jìn)行均質(zhì)處理，以減少鋁棒中的晶內(nèi)偏析及鑄錠在凝固時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使后續(xù)擠壓更易于進(jìn)行。

（9）鋸切：控制鋸切長度偏差和切斜度等。

我公司現(xiàn)已成功開發(fā)出了6005A和7N01φ784mm大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金錠坯，經(jīng)檢測其鑄錠表面光潔，化學(xué)成分和組織均勻，低倍晶粒度1級。

2.3 超大規(guī)格鋁合金型材擠壓技術(shù)

通過鑄棒的精密梯度升溫、模具的精密控溫、精密水霧氣在線淬火技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，開發(fā)超大規(guī)格鋁合金型材等溫等速擠壓技術(shù)。

擠壓一般工藝流程為：鑄錠加熱→擠壓→在線淬火→張力矯直→時效→鋸切→理化檢驗。主要流程簡述如下：

（1）鑄錠加熱：采用鑄錠梯度加熱技術(shù)對鋁合金鑄棒進(jìn)行加熱。

（2）擠壓：采用225MN超大型鋁擠壓機(jī)裝大型鋁合金擠壓模具后，再將φ784mm大規(guī)格鑄錠裝入擠壓筒內(nèi)，通過擠壓機(jī)主柱塞的力，將鑄錠擠壓變形成超大規(guī)格鋁合金型材。

（3）在線淬火：采用水、霧、氣相結(jié)合的方式進(jìn)行在線淬火，提高型材張力強(qiáng)度性能。

（4）中斷：超大規(guī)格鋁型材可擠出10～80m長，按規(guī)定定尺要求進(jìn)行切斷。

（5）拉伸矯直：用大噸位拉伸機(jī)進(jìn)行拉伸矯直。

（6）人工時效：進(jìn)行人工時效以進(jìn)一步提高鋁材性能。

（7）理化檢驗：對鋁型材進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)、彎曲、疲勞、低倍、高倍等理化性能檢驗。

3 應(yīng)用前景

3.1 大規(guī)格鋁合金擠壓型材應(yīng)用現(xiàn)狀

大規(guī)格鋁合金擠壓型材主要用于制造軌道交通車輛車體結(jié)構(gòu)。目前，我國用于制造軌道交通車體的鋁合金主要是5×××系、6×××系和7×××系三個系列，主要用來生產(chǎn)側(cè)墻、頂棚、地板、底架、引梁、橫梁、枕梁、裙板、端墻、吸能件、設(shè)備艙、車體內(nèi)飾等部件[1]。據(jù)了解，目前時速大于200 km/h的動車組、磁懸浮及中低速磁懸浮車體和大約30%左右的輕軌及地鐵車輛均采用鋁合金車體，而且大部分是大型鋁合金擠壓型材。

圖1為我國某型號全鋁軌道車輛車體鋁合金擠壓型材組合示意圖。

圖1 某型號軌道車輛車體型材組合示意圖

3.2 超大規(guī)格鋁合金擠壓型材應(yīng)用前景

現(xiàn)代交通運(yùn)輸用大型鋁合金特種型材的品種越來越多，對性能和質(zhì)量的要求特別是輕量化的要求也越來越高[2]?！笆濉逼陂g我國提出的高速鐵路增速至400km/h以上的發(fā)展規(guī)劃，對軌道交通車體用鋁型材更是提出了更高的技術(shù)要求。而超大規(guī)格高性能復(fù)雜截面鋁合金型材及大部件結(jié)構(gòu)的研制與應(yīng)用，可以在保證整車強(qiáng)度的前提下減少車體焊縫數(shù)量，減輕車體重量，提升整車綜合性能10%左右，很好地滿足了輕量化和整車質(zhì)量的技術(shù)要求，同時還可大大提升車輛整體的安全性能和使用壽命。

表1 超大規(guī)格鋁合金擠壓型材主要應(yīng)用領(lǐng)域

以圖1為例，該型號軌道車輛車體有23條焊縫，而未來通過采用一次性擠壓成型的超大規(guī)格鋁型材生產(chǎn)后，可以直接越過通過兩個較小型材進(jìn)行焊接的工序，使車體焊縫數(shù)量有望最少可減少至11條，進(jìn)一步提升軌道車體的安全系數(shù)。因此，未來超大規(guī)格高性能復(fù)雜截面鋁合金擠壓型材在軌道交通車體上的大量應(yīng)用將前景可期。表1列出了超大規(guī)格鋁合金擠壓型材的主要應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用部位。

4 結(jié)束語

（1）超大規(guī)格鋁合金擠壓型材的試制生產(chǎn)需要具備大型鋁合金模具設(shè)計制造技術(shù)、大規(guī)格鋁合金錠坯制備技術(shù)和超大型鋁擠壓機(jī)及其擠壓成套技術(shù)等基礎(chǔ)條件。

（2）在中國城鎮(zhèn)化高速發(fā)展和“一帶一路”戰(zhàn)略理念的推動下，未來我國軌道交通及公路貨運(yùn)車輛等對超大規(guī)格鋁合金擠壓型材的需求將非常大。

（3）我公司已掌握大型鋁合金模具設(shè)計制造技術(shù)，并成功開發(fā)出了6005A和7N01φ784mm大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金圓鑄錠，首臺225MN超大型鋁擠壓機(jī)也已經(jīng)正式投產(chǎn)，將形成超大規(guī)格鋁型材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力。