大寬幅薄壁軌道一體化車體裙板開發(fā)

王永付，張 旭，王曉宇，鄭 磊，李宏常，王云海

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

由于鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、易成型等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，因此鋁合金在軌道交通產(chǎn)品中占據(jù)著舉足輕重的角色。大寬幅薄壁鋁合金型材是高效經(jīng)濟(jì)斷面型材，代替了原來兩只壁板型材的拼裝焊接結(jié)構(gòu)，使拼裝效率提高一倍，焊接作業(yè)量減少一倍 而車體的整體力學(xué)性能提高，使高速列車的整體強(qiáng)度、運(yùn)行性能和綜合性能均得到了明顯地提高[2]。本項(xiàng)目通過一系列的調(diào)整鑄錠成分，模具改造，工藝優(yōu)化及后期熱處理進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試，最終得到符合國際標(biāo)準(zhǔn)及客戶需求的一體化寬幅薄壁軌道裙板。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 產(chǎn)品介紹及技術(shù)要求

本次試制的型材為裙板的上下型材拼接斷面，如圖1所示，為兩種斷面拼接在一起的型材，由原來的在7500T擠壓機(jī)分別擠壓，可以實(shí)現(xiàn)只在12500T擠壓機(jī)上單獨(dú)擠壓生產(chǎn)成型。優(yōu)點(diǎn)：(1)可以提高生產(chǎn)率，省去機(jī)械加工及焊合；(2)資源的最大化利用；(3)可以實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，生產(chǎn)高精度型材。缺點(diǎn)：(1)型材寬度較大，壁薄，不易成型；(2)模具設(shè)計(jì)制造困難，工藝制度難控制；(3)尺寸角度不好控制，低倍組織易產(chǎn)生縮尾粗晶等缺陷。

技術(shù)要求：(1)外形尺寸公差，依據(jù)GB/T14846-2014高精級(jí)，對(duì)于寬度大于500mm，平面間隙<1.5mm；(2)力學(xué)性能，Rm≥255MPa，Rp0.2≥215MPa，A≥6%；(3)低倍無粗晶、縮尾裂紋等，高倍組織無過燒。

圖1 項(xiàng)目開發(fā)圖Fig.1 Project development diagram

1.2 合金成分

試驗(yàn)所用材料為我公司生產(chǎn)的6005A鋁合金半連續(xù)鑄造生產(chǎn)的鑄錠進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，試驗(yàn)所需合金成分見表1。

1.3 模具制造

模具材料為中碳高合金工具鋼，牌號(hào)為4Cr5MoSiV1，擠壓模具經(jīng)淬火+回火調(diào)質(zhì)處理后，保證顯微組織的均勻性，模具從芯部到表面硬度保持一致，48-51HRC。模具設(shè)計(jì)3D設(shè)計(jì)圖如圖2所示。擠壓筒直徑為600mm，型材最大寬度為800mm，因此采用寬展模具，寬展率較大，△B=800mm-600mm=200mm，寬展率為200mm/600mm×100%=33.3%。

表1 材料所用6005A合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

模具設(shè)計(jì)，最主要的是分流孔數(shù)目和分流比的確定，分流孔的數(shù)量一般根據(jù)型材的形狀及型材內(nèi)部含有空腔的多少進(jìn)行設(shè)計(jì)。分流孔越多，金屬流動(dòng)越均勻，但如在分流比不變的情況下，勢(shì)必造成分流單孔面積的縮小[3]，使摩擦應(yīng)力錐的作用相對(duì)比重增大，造成擠壓力的明顯增加。同時(shí)使焊合縫數(shù)量增加容易產(chǎn)生焊合缺陷 造成力學(xué)性能降低，所以分流孔數(shù)目要盡量少，以減少焊合縫，從而增大分流孔面積，進(jìn)而降低擠壓力。分流孔的斷面尺寸主要是根據(jù)制品的外型尺寸和制品的截面積確定，為了減小摩擦力和擠壓力，上下模設(shè)計(jì)時(shí)既要保證寬展角度合適，又要保證強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)分流孔需要增加厚度，如圖2所示。

上模 下模圖2 模具設(shè)計(jì)Fig.2 Mould design

1.4 模具改造

根據(jù)首次上機(jī)出現(xiàn)的問題(圖3)，需要在模具方向進(jìn)行修模調(diào)整。

圖3 第一次上機(jī)出現(xiàn)問題Fig.3 Problems during first use

由于寬展模擠壓，擠壓難度較大，擠壓流速控制不均勻，根據(jù)以上問題可以分析出中間流速大所以壁厚，兩邊流速慢造成了兩邊壁薄，所以寬展模的前置模導(dǎo)流孔設(shè)置為“啞鈴”狀(圖4),而上述超寬型材寬展模導(dǎo)流孔設(shè)計(jì)采用的是圓弧聯(lián)接[4]，即從模具的中心部位均勻地過渡到模孔兩端，形成喇叭狀設(shè)計(jì)寬展模工作帶時(shí)要盡量使型材兩端流速快一點(diǎn)，達(dá)到平直流出的目的，大大降低了中心部位金屬的流動(dòng)速度，在擠壓過程中可使金屬盡量流向模具兩端。

圖4 導(dǎo)流孔形狀Fig.4 Orifice shape

1.5 擠壓工藝

根據(jù)表2所示的生產(chǎn)工藝參數(shù)，可以看出這4支棒在不同工藝制度下的生產(chǎn)情況并得出以下分析結(jié)果。

(1)對(duì)比相同工藝制度下，合金成分不同時(shí)，調(diào)整成分后，棒的鑄錠金屬流動(dòng)性更好，制品表面更光滑，尺寸壁厚更均勻，間隙有很大的改善；

(2)當(dāng)合金成分相同時(shí)，在不同的工藝制度下，低溫高速生產(chǎn)較比高溫低速生產(chǎn)的型材更易滿足客戶所需標(biāo)準(zhǔn)；

(3)采用短鑄錠擠壓生產(chǎn)時(shí)，摩擦力減小，隨之突破壓力更小，尺寸間隙會(huì)更好；

(4)在進(jìn)行開設(shè)更多分流槽后及模具改造后，尺寸、壁厚及間隙等均能滿足生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開發(fā)的初步階段。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

對(duì)第1、第2、第3根鑄錠擠壓的型材取樣，進(jìn)行(175℃±5℃)×8h時(shí)效熱處理，為了更準(zhǔn)確分析各個(gè)位置點(diǎn)力學(xué)性能值，分別取頭12m位置和尾4.5m位置進(jìn)行分析，具體取樣位置如圖5所示。檢測(cè)結(jié)果中的具體各個(gè)位置力學(xué)性能值見表3。

表3 力學(xué)性能

從表3可以看出：(1)這3根鑄錠的在不同工藝制度下生產(chǎn)出的制品，均能達(dá)到力學(xué)性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。(2)由于第1根鑄錠的加熱溫度更高，淬火充分，淬火強(qiáng)度更高，因此力學(xué)性能較高，(3)從兩側(cè)以及中間心部比較，由于中間的型材較薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且淬火的風(fēng)機(jī)正好垂直吹向心部，淬火更加充分，因此性能更好一些，跟工藝制度相對(duì)應(yīng)。

2.2 顯微組織檢測(cè)

對(duì)比第1根和第4根鑄錠生產(chǎn)的型材低倍試樣，放入15%～25% NaOH腐蝕30min后用清水沖洗去掉表面的NaOH，再用20%～30%HNO3去除黑色堿蝕物，經(jīng)清水沖洗、吹干后，進(jìn)行低倍判定，具體檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 顯微組織檢測(cè)結(jié)果示意圖Fig.6 Schematic diagram of microstructure detection results

對(duì)比圖(1a)(2a)可以發(fā)現(xiàn)，圖(2a)縮尾痕跡減輕，無粗大晶粒生成，并且由于添加稀土元素，大幅度提高鋁合金的強(qiáng)度和塑性，形成復(fù)合強(qiáng)化相等多層次作用機(jī)理；且在模具改造后的兩側(cè)流速變得均勻，縮尾痕跡明顯減輕，因此可以看出，圖(2b)比圖(1b)生成晶粒更多更小，分布更均勻，與以上的工藝制度及力學(xué)性能檢測(cè)相呼應(yīng)。

3 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)大寬幅一體化軌道車體裙板需滿足以下條件：

(1)擠壓生產(chǎn)時(shí)采用添加稀土元素棒的鋁合金成分，并采用設(shè)備允許下最短棒進(jìn)行擠壓，工藝制度采用低溫高速生產(chǎn)，這樣能夠保證模具工作帶溫度及鋒利程度，更好的保證間隙尺寸。

(2)模具采用寬展模，分流孔不易過多，采用圓弧過渡聯(lián)接，工作帶“啞鈴”狀，保證兩側(cè)流速比中間的快一點(diǎn)，這樣更易成型。

(3)可適當(dāng)采用出口應(yīng)力加持工具，以確保型材開口、間隙能夠滿足要求。