軌道車體端梁型材缺陷改進(jìn)方案研究

姜 珊，侯 威，王 強，馮小東，張春旭

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

近年來隨著軌道車輛制造業(yè)的迅猛發(fā)展，車體輕量化成為人們研究的重點[1]。頭部端梁作為車體前端重要的支撐部件，在整車運行過程中承受著巨大的動載荷，其性能的好壞直接影響軌道車輛的安全運行[2-3]。頭部端梁型材多數(shù)采用6005A合金。該合金屬于Al-Si-Mg系可熱處理強化變形鋁合金，可經(jīng)過在線淬火后人工時效獲得中等強度，因此廣泛用于軌道車體結(jié)構(gòu)件[4-5]。

端梁型材一般形狀不規(guī)則，型腔多，壁厚差大，生產(chǎn)難度大，力學(xué)及低倍性能較難控制。本文通過試驗研究了端梁型材擠壓生產(chǎn)的合理參數(shù)，并分析了模具設(shè)計對低倍組織的影響，力尋從擠壓工藝及模具設(shè)計的角度得出改進(jìn)端梁缺陷的最佳生產(chǎn)方案。

1 試驗材料及技術(shù)要求

1.1 試驗材料

試驗所用材料是我公司為某軌道車體制造廠提供的6005A端梁型材，斷面如圖1所示。該斷面壁厚最厚處為18 mm，最薄處為5 mm，壁厚不均且相差較大。6005A鑄錠采用半連續(xù)鑄造法生產(chǎn)，要求達(dá)到內(nèi)外表面光潔、一級疏松和一級氧化膜。鑄造后采用高溫均勻化處理，使鑄棒組織均勻。合金成分見表1。

表1 6005A合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖1 端梁截面圖

1.2 技術(shù)要求

該端梁各項性能需滿足客戶技術(shù)協(xié)議要求，其中成分滿足6005A合金國標(biāo)；T6力學(xué)性能滿足Rm≥255 MPa，Rp0.2≥215 MPa，A≥8%；低倍無縮尾、成層、焊合不良等缺陷，無粗大皮質(zhì)層。

2 試驗過程

2.1 擠壓生產(chǎn)

根據(jù)端粱外接圓尺寸及設(shè)備擠壓能力選定7 500 t擠壓機進(jìn)行生產(chǎn)，擠壓系數(shù)為24.9。使用感應(yīng)加熱爐對鑄錠進(jìn)行梯度加熱，同時為了去除鑄錠表面疏松、偏析及氧化皮，鑄錠經(jīng)車皮后上機。此次試驗的端粱壁厚差較大，只選用水霧淬火易造成金屬各部位冷卻速度不均，造成產(chǎn)品變形、起浪或打彎，形位尺寸精度難以保證。由于軌道車體端粱型材力學(xué)性能要求較高，多腔異型材在融合口位置易焊合不良，故采用高棒溫，風(fēng)霧淬火。確保風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)，上下風(fēng)力均衡，型材橫向兩端淬火充分。由于該型材底部壁厚較大，在出料底部開啟適量水霧，使其與上部及內(nèi)腔筋位置金屬同步冷卻。在前墻處加擋板，一方面可以減少型材熱量的散失，另一方面可以防止水霧濺入前墻造成入淬溫度過低，影響力學(xué)性能。保證型材所有位置淬火強度均衡且在出料過程中型材始終運行平穩(wěn)，無顫抖、起浪現(xiàn)象。

分別設(shè)定6組鑄棒溫度與擠壓速度，對比在不同鑄棒溫度和擠壓速度的組合下端梁的力學(xué)性能及低倍情況。具體擠壓參數(shù)見表2。統(tǒng)一采用風(fēng)霧淬火，經(jīng)拉伸矯直、切頭尾后送檢低倍試樣，（175±5）℃×8 h時效處理后送檢力學(xué)試樣。

表2 擠壓參數(shù)

2.2 性能檢測

采用日本島津AG-X100KN型電子萬能試驗機對T6試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測。將T4低倍試樣放入15%～25%NaOH腐蝕30 min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。

3 檢測結(jié)果及分析

檢測結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)及低倍檢測結(jié)果

3.1 力學(xué)性能及低倍組織

由表3可知，6組工藝制度下的型材力學(xué)性能均遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求，低倍均出現(xiàn)不同程度的缺陷。3號試樣力學(xué)性能最高，4號最低。鑄錠加熱溫度較高可使強化相Mg2Si充分固溶于基體中，經(jīng)淬火和時效處理后力學(xué)性能也越高。擠壓速度快，則從模具出口至淬火冷卻區(qū)時間較短，過飽和固溶體未發(fā)生分解和析出，在淬火時即可得到高濃度的過飽和固溶體；加之型材在時效處理過程中穩(wěn)定相徹底析出，所以合金的強度和硬度較高。另外，高棒溫也使合金在經(jīng)過模具分流孔時的變形抗力變低，使其金屬塑性和焊合質(zhì)量也較好[6-7]。

1～3號棒溫較高，型材出口溫度較高，焊合不良位置較少，個別位置出現(xiàn)縮尾。3號試樣粗晶層超過標(biāo)準(zhǔn)值，這是因為當(dāng)鑄棒溫度和擠壓速度同時較大時，金屬在變形區(qū)內(nèi)和出模孔后易發(fā)生再結(jié)晶。鑄棒溫度越高、擠壓速度越大，金屬變形不均勻性越高；鑄錠與擠壓筒內(nèi)表面摩擦，晶粒發(fā)生劇烈剪切變形，粗晶進(jìn)一步形成。

6號焊合不良最嚴(yán)重。這是因為棒溫低使金屬在模具中的流動性差，焊合阻力大，加之?dāng)D壓速度快，致使金屬流還未完全焊合就流出?？祝瑥亩斐珊负喜涣?。端梁型材形狀不規(guī)則，壁厚差較大，在調(diào)控擠壓工藝時應(yīng)同時兼顧力學(xué)性能及低倍組織，在保證力學(xué)性能合格的情況下，避免低倍缺陷產(chǎn)生。

2號試樣棒溫510～530℃，擠壓速度1.7～2.2 m/min，低倍組織相對較好，且力學(xué)性能較高，生產(chǎn)效率高，說明這種高溫低速的配置較優(yōu)。由于端梁壁厚不均且較大，不同于一般軌道車體型材，擠壓模具設(shè)計較為特別，故考慮優(yōu)化此端梁模具結(jié)構(gòu)以解決低倍缺陷問題。

3.2 擠壓模具設(shè)計優(yōu)化

圖2為原模具分流孔設(shè)計示意圖，圖3為優(yōu)化后示意圖。針對檢測結(jié)果，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上對模具進(jìn)行以下調(diào)整：

（1）序號1處，將前室擴大以增加供料，減輕縮尾。

（2）序號2～6處，因為在分流橋下不易供料，縮尾、焊合不良等問題較嚴(yán)重，因此擴大前室、降低阻料臺以增加供料，促進(jìn)焊接融合，減輕焊合不良。

（3）序號7～8處，根據(jù)型材壁厚將分流橋分別沉橋5 mm和10 mm，增大焊接融合空間，使制品獲得良好的焊合，減輕焊合不良。

（4）序號9處，順料加長、加深，擴大型材內(nèi)筋供料，促進(jìn)焊接融合，減輕焊合不良。

圖2 原分流孔設(shè)計示意圖

圖3 優(yōu)化后的分流孔設(shè)計示意圖

4 驗證試驗

為進(jìn)一步驗證模具優(yōu)化結(jié)果，選用棒溫510～530℃，擠壓速度1.7～2.2 m/min，其他工藝不變，進(jìn)行驗證試驗。結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的模具進(jìn)行擠壓生產(chǎn)，型材低倍組織較好，無焊合不良、縮尾等缺陷產(chǎn)生。

由此可見，對于壁厚較大的軌道端梁型材應(yīng)首先優(yōu)化模具設(shè)計，合理設(shè)計焊合室大小，根據(jù)壁厚適當(dāng)沉橋，以利于焊合。同時選取合適的擠壓機，采用高溫低速、風(fēng)霧淬火并加擋板以輔助保溫，可獲得較好的力學(xué)性能和低倍組織。

5 結(jié)論

形狀復(fù)雜、壁厚差大的軌道端梁型材一般采用6005A合金生產(chǎn)，為保證其力學(xué)性能及低倍性能良好，應(yīng)主要從擠壓工藝及模具設(shè)計方面進(jìn)行把控。

（1）端梁型材低倍組織易出現(xiàn)縮尾、焊合不良等缺陷，對模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計可有效改進(jìn)金屬焊合質(zhì)量；采取擴大焊合室，以加大供料的方式能夠有效避免焊合不良。

（2）對于壁厚差較大的6005A端梁型材采用高溫低速、風(fēng)霧淬火且在前墻處加擋板可得最佳性能，并且生產(chǎn)效率較高。具體參數(shù)為：棒溫頭部：510～530℃、尾部：490～510℃；制品速度：1.7～2.2 m·min-1；峰值時效：175℃×8 h。

（3）使用優(yōu)化后的模具進(jìn)行生產(chǎn)，型材無焊合不良、縮尾等缺陷，低倍組織粗大，晶粒皮層厚度合格；力學(xué)性能良好，抗拉強度可達(dá)299～310 MPa、屈服強度268～280 MPa。