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October

2010

国产高速列车车体用铝合金型材的生产

发布时间:2010-10-12 15:10:181408次

据中国有色网报道:

  

  1 高速列车车体型材现状及发展潜力

  轨道交通主要包括铁道客、货运列车、高速列车、双层客车、地铁列车、轻轨列车、磁悬浮列车等。高速列车也就是高速动车组。所谓“动车组”,是指自带动力,可以两端驾驶、配备现代化服务设施的旅客列车。在世界上,时速200公里及以上速度等级的动车组就是通常意义上的“高速列车”,是高速铁路的标志性技术。2004 年,铁道部与国家发改委制定了《 时速200 公里及以上动车组技术引进与国产化实施方案》 ,中国国产化高速列车制造正式进人实施。

  轻量化是列车实现高速运行的必要条件。在确保车体强度、刚度的前提下减轻车体、车内设备以及走行部分的重量,不仅可以减少原材料的消耗,有利于降低牵引功率,提高列车运行速度,改善列车启动和制动性能,而且可有效减小轮轨间的动力作用,减小振动和噪声,增加机车和线路的使用寿命。轻量化技术的主要措施之一是采用铝合金车体。目前国外铁路动车和拖车的车体承载结构已经由原来的碳钢结构经过不锈钢结构,发展到铝合金结构时代。而铝合金结构也由最初的以铝代钢的原钢结构,经过铝型材结构、铝蜂窝结构、大型铝挤压型材,发展到中空双表面大型铝合金挤压型材。铝合金具有良好的塑性,挤压成形容易,可以根据车体结构优化设计的要求,挤出各种复杂形状的铝型材,其宽度可达以600mm~800mm,长度可达30m ,特别是大型中空挤压铝型材的应用,可大幅度减少焊接工作量,简化车辆的制造工艺。采用铝合金制的车体结构较钢制车体可减重约30 %~40 %,而双层客车更为显著,约减重5 吨。日本新干线采用铝合金制造客车车体结构,选用的铝合金大体上有:Al-Mg 系合金、Al-Mg-Si 系合金,Al-Zn-Mg 系合金。如日本的东北、上越新干线选用了5083 、7003 等牌号的铝合金。大型铝合金挤压型材应用于国产高速列车车体,实实在在为中国速度的提高助力。

  2 企业简介

  山东丛林集团有限公司是国家级企业集团,中国工业企业500 强、山东省工业100 强民营企业,国家火炬计划重点高新技术企业。丛林集团现拥有丛林铝材、从林机械、中德车体、丛林水泥等18 家下属企业。2003 年企业被评为山东省工业铝型材工程技术研究中心,2005 年自主研发生产的拥有完全自主知识产权的世界首台100MN 卧式正向油压双动铝挤压机荣获国家科技进步一等奖,丛林铝材等5 大核心企业被认定为国家火炬计划重点高新技术企业和省高新技术企业。2007 年9 月份丛林集团技术开发中心被评为国家级企业技术中心。公司主要骨干企业之一的丛林铝材,是国内外重要的轨道交通、国防军工、船舶用工业铝型材研发生产基地,专业从事工业铝合金材料的挤压加工和铝合金加工材的研究开发,其中尤以开发轨道交通车辆用铝合金型材为重点,此项目为国家“863 ”计划中“发展先进轻合金材料加工技术”的重要组成部分。公司依托企业技术开发中心和山东省唯一的工业铝型材工程技术研究中心的技术优势,不断进行自主创新并与日本轻金属、中国船级社、铁道部中国铁道科学院、中南大学、国防科技大学,山东大学、铁道部南车、北车集团建立了长期的“产、学、研”合作关系,取得了良好的效果,为公司的发展提供了强劲的技术原动力。公司主导产品工业铝合金型材的市场占有率已达30 %以上。

  3 高速列车车体用铝型材的生产

  丛林铝业自2005 年与南车四方车辆股份有限公司合作开发车体铝型材以来,已经成功的研制出200Km/h CRH2 型高速列车用车体铝合金型材,并应用于2007 年4 月中国铁路系统第六次大提速。目前,正在进行300Km/h 高速列车车体型材的研发生产。

  轨道交通用铝合金特种型材,生产难度大,技术要求高,其不但要求大型(均有10 余米长,甚至30 米)、大断面、整体、薄壁、扁宽、断面形状复杂、壁厚差大,而且对力学性能、焊接性能、抗腐蚀性、尺寸精度和质量要求都特别高,要生产出合格的车辆用铝合金特种型材,必须有80MN 以上的挤压机及相关配套设备,以及先进的生产技术和生产管理系统。

  3.1 大型挤压机及先进的配套设备

  丛林铝业依靠自主研发制造的世界首台100MN 卧式正向油压双动铝挤压机以及引进日本UBE8OMN 卧式正向油压单动短行程挤压机进行车体型材的研发、试制并生产。公司拥有的100MN 油压、双动铝合金挤压机的设备构造与单动挤压机不同,特别配备了独立的内置式穿孔系统,与挤压系统并行工作,能实现穿孔挤压、随动针挤压以及普通的型、棒材单动挤压。除了大型挤压机外,辅助设备配备了先进的铸锭感应加热炉、自动送锭机构以及自动出料台、精密在线水、雾、气淬火设备、牵引机、精密中断锯、2000 吨型棒材拉伸矫直机、辊式矫直机、长度30m 以上的人工时效炉等。为提高研发和技术创新能力,开发新产品满足市场需求,进一步增强企业竞争力,公司不断加大科技投人,购进了众多国内、国际先进的实验检测设备,包括光电直读式发射光谱仪DF100,引进美国DV-6光谱仪、GCT 气相色谱仪;以色列Romiscapel/A13 全自动型材断面扫描测量系统;瑞士VLP10013 折弯试验机;台湾PFUT-2300 超声波无损探测仪、WES-300 数显液压万能试验机、Easy Tnack 炉温仪、VMS-2000 金相图像分析仪等2 %台套,其中49 台套达到国际先进水平。

  利用这些先进的实验设施和检测装备,可以实现产前、产中、产后全流程检测,实现全面质量控制,确保产品的质量稳定性,为开发、试制和生产高精度、高性能的轨道车体型材及其他领域的大型工业铝合金型材提供了可靠的保证。

  3.2 采用优良挤压性能和综合性能的铝合金

  交通运输用大型空心型材铝合金有5083 、6N01 、6065A、6061、6063、7N01 、7003 、7005 、7020 、7075 等。其中,在车体挤压型材中6N01 、7N01 合金用途最为广泛。6N01 合金属Al-Mg-Si 系合金,具有中等强度,挤压性、耐腐蚀性及可焊性较好,挤压型材最小壁厚可达2.5mm。7N01 合金属Al-Zn-Mg 系中强可焊合金。在日本,铁道车辆结构材料使用最多的就是该合金,因为其挤压性能好,能挤压形状复杂的薄壁型材,焊接性能好,焊缝质量高,是最理想的中强焊接结构材料,最主要的缺点就是该合金存在应力腐蚀开裂(SCC)现象。7N01 挤压大型型材主要用于车体的端面梁、车端缓冲器、底座、门槛、侧面构件骨架、车架枕梁等,都属于重要的受力部件。另外,在车辆运行过程中,车体要周期性左右摆动和上下震动,存在腐蚀疲劳和应力腐蚀问题。丛林铝材生产的型材主要是作为底架的牵引梁,除承受拉应力外,还存在很大的弯曲应力。所以要求型材除具备合格的拉伸性能外,还应具备良好的抗疲劳性能和弯曲性能。公司发挥强大的科研优势,对这两种合金进行了技术攻关,掌握了其工艺性能,制定出了合理的生产工艺。

  3.3 大型铝合金型材挤压模具的设计和制造

  大型材模具设计与制造技术是车辆用铝合金大型材生产的关键技术。地铁、高速列车车辆型材的品种多,精度高,要求性能和焊缝质量好,扁宽壁薄且形状复杂,空腔多且壁厚相差悬殊,这些都给模具设计与制造带来了极大的困难。挤压时,极易造成堵模,把模具压裂或压断;成形不好,金属流动困难,焊合不良,型材产生波浪、扭曲、刀弯等缺陷,严重影响产品质量。因此,国内外都把模具的设计和制造作为重大课题来进行攻关。目前,德国、意大利、韩国、日本等国家的大型模具技术在世界上处于比较领先的地位。我国大型特种型材模具技术尚处于起步阶段,模具技术的研制开发成功,对地铁和高速列车的国产化具有重要的意义。

  由于轨道车辆用铝合金型材大都是空心型材,所以模具常采用平面分流模结构。模具设计的难点有很多,限于篇幅,仅简单介绍分流孔的设计。分流孔数量一般根据型材的特点、空腔的多少确定。分流孔应尽量开在型材成形困难的部位。分流孔的总体形状应尽量接近型材的形状,以利于平衡金属的流速。设计分流孔的数目不宜过多,孔数太多会增加挤压力,太少则降低模具的强度。分流孔的大小应尽量相近,要重点考虑两边靠近挤压筒壁的分流孔,靠挤压筒壁的金属流动比中间的慢,因此两边的分流比大于中间的分流比。在大型挤压型材的模具设计及制造中,修模是一道重要的工序,必须高度重视。

  3.4 挤压工艺及后续热处理工艺

  铝合金挤压型材的生产工艺合理与否是保证型材达到力学性能设计指标的关键因素,同时也是型材形位偏差的决定性因素。特别是在超长(近30m 长)、宽截面、严公差的车体型材中,挤压工艺的合理性显得更为重要。为了获得高的力学性能,必须采用冷却强度较大,或冷却强度可调节的在线精密水、雾、气淬火装置。当淬火温度较低或淬火冷却强度不够时,型材会淬不上火或者力学性能达不到要求;而当人水温度过高或淬火冷却强度过大时,整个型材就会产生严重的扭曲或者弯曲变形,以致在以后的拉矫或辊矫时很难矫正过来。因此,在线精密淬火装置的设计、制造和淬火工艺的控制是十分重要的。对于不同合金、不同形状、不同壁厚的型材必须严格控制铸锭加热温度、挤压速度、挤压出口温度、型材人水温度、水压、水量、淬火槽出口温度等十几个工艺参数才能达到目的。对此,公司领导及技术人员积极开展试验,总结规律,设计相应的工具,保证淬火的均匀性,同时对后续的时效工艺进行了总结。

  3.5 型材精整、矫直

  因为大型型材断面大,即使采用牵引机牵引,其效果也不是很理想。而且挤压型材在通过模具后,被强制冷却,在此过程中,由于金属各部分冷却不均而产生的收缩,容易产生不均匀变形,导致弯曲、挠度大和走形。为了获得平直的型材,冷却后,可以用拉伸矫直。为了获得均匀的拉伸效果,较好的方法就是使用每次单独制造的适合于型材形状的下模、上模专用夹具。但是,对于一些宽幅、薄壁型材来说,即使采用专用的夹具也很难达到要求。所以有必要研究能够保证整根型材具有均匀凸度的技术。除了靠设计模具来防止型材走形以外,通常经过拉伸矫直的都要再进行辊式矫直。

  4 结论

  1)、无论是从综合经济指标还是从技术指标来看,铝合金都是轨道车辆轻量化、现代化、高速化的最理想的材料,应大力开发并推广应用。

  2)、铝合金大型挤压型材属高新技术产品,生产技术难度大,质量要求高,批量生产优质的轨道车辆大型材需要解决重型挤压机、大规格高比压圆、扁挤压简,研制开发高性能铝合金,研制特种模具、优化挤压、热处理与矫直工艺等关健技术间题,这些问题也是实现我国交通运输现代化和国产化的关键所在。

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