軌道車體端梁型材缺陷改進方案研究

姜 珊，侯 威，王 強，馮小東，張春旭

（遼寧忠旺集團有限公司，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合金化學成分（質(zhì)量分數(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；T6力學性能滿足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擠壓機進行生產(chǎn)，擠壓系數(shù)為24.9。使用感應加熱爐對鑄錠進行梯度加熱，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，風霧淬火。確保風機正常運轉(zhuǎn)，上下風力均衡，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性能及低倍情況。具體擠壓參數(shù)見表2。統(tǒng)一采用風霧淬火，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試樣進行力學性能檢測。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 力學及低倍檢測結(jié)果

3.1 力學性能及低倍組織

由表3可知，6組工藝制度下的型材力學性能均遠超標準要求，低倍均出現(xiàn)不同程度的缺陷。3號試樣力學性能最高，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準值，這是因為當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，粗晶進一步形成。

6號焊合不良最嚴重。這是因為棒溫低使金屬在模具中的流動性差，焊合阻力大，加之擠壓速度快，致使金屬流還未完全焊合就流出模孔，從而造成焊合不良。端梁型材形狀不規(guī)則，壁厚差較大，在調(diào)控擠壓工藝時應同時兼顧力學性能及低倍組織，在保證力學性能合格的情況下，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重，因此擴大前室、降低阻料臺以增加供料，促進焊接融合，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，進行驗證試驗。結(jié)果表明，使用優(yōu)化后的模具進行擠壓生產(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)壁厚適當沉橋，以利于焊合。同時選取合適的擠壓機，采用高溫低速、風霧淬火并加擋板以輔助保溫，可獲得較好的力學性能和低倍組織。

5 結(jié)論

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

（1）端梁型材低倍組織易出現(xiàn)縮尾、焊合不良等缺陷，對模具進行優(yōu)化設(shè)計可有效改進金屬焊合質(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；力學性能良好，抗拉強度可達299～310 MPa、屈服強度268～280 MPa。