吴海旭，李洪林，杨 丽，刘 学，王国冰

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

提要：介绍了超大规格铝合金挤压型材生产技术，包括大型模具设计制造、大规格铝合金锭坯制备和超大规格铝合金型材挤压，并简要分析了其应用前景。

0 前言

铝合金挤压型材已成为轨道交通和公路货运等交通运输车辆轻量化发展的最重要基础材料。采用超大规格高性能复杂截面铝合金挤压型材焊接而成的车体，不仅可以减少焊缝数量、提高尺寸精度和强度，还可大大提升车辆整体安全性能和使用寿命，是未来发展趋势[1]。

1 基础条件

要想生产合格的超大规格铝合金挤压型材，简单来说要具备以下三个基础技术条件：

（1）大型铝合金模具设计制造技术。

（2）大规格优质铝合金锭坯制备技术。

（3）超大型挤压机及挤压成套技术。

2 生产技术

2.1 大型铝合金模具设计制造技术

采用焊合区网格重构、质点逆向追踪等方法，通过多场耦合有限元模拟，建立温度场、速度场、应变场等与挤压参数、模具结构的映射关系，开发出大型铝合金挤压模具设计制造技术[2]。

模具制造工艺流程为：原材料→下料→粗车→划线→粗加工→热处理→精加工→配模→总检。主要流程简述如下：

（1）原材料：采用H13合金工具钢为挤压模具原材料。

（2）下料：采用锯床下料，保证端面与棒料轴线相互垂直，预留3～4mm车削余量。

（3）粗车：使用数控车床进行粗车，注意内外径留量、平面留量等工艺参数设置。

（4）划线：平台划线。

（5）粗加工：包括钻孔和铣削等。铣削加工采用加工中心进行，是模具加工非常重要的工序，其主要用于加工模具的工作带、分流孔、焊合室、模芯、前室等。

（6）热处理：将模具钢加热至临界点Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却淬火，再将淬火钢在500～650℃温度下加热，并以空冷方式冷却到室温。

（7）精加工：主要包括精磨、精车、精铣、线切割和电火花、抛光、研磨等。

（8）配模：使上下模组合到一起，用相应的螺栓进行定位。

（9）总检：按设计图纸要求检查合模，包括壁厚、封闭高度、表面光洁度、平行度、外圆尺寸、桥对称度、桥清根、顺料、打硬度等。

2.2 大规格优质铝合金锭坯制备技术

通过结晶器设计、电磁铸造系统适用性改造、铸造过程的精确数值模拟，同时采用电磁搅拌技术、热顶油滑铸造技术及区域过冷技术相结合，开发出大规格优质铝合金锭坯制备技术。

铸造工艺流程为：配料、装炉→熔炼→搅拌、扒渣、快速取样化验→调整成分→转炉→精炼、调温、静置→（铝-钛-硼丝）→晶粒细化、在线除气、过滤→铸造→均质→锯切→检验。主要流程简述如下：

（1）配料装炉：精确计算各种材料（包括铝锭、镁锭、硅锭及各种中间合金等）用量和配料。

（2）熔炼：使用固定式天然气熔铝炉进行熔炼。熔炼过程开启电磁搅拌器，将铝液搅拌均匀，使熔体的化学成分及温度均匀化，同时可减少氧化渣的形成，缩短熔炼时间。

（3）扒渣：将浮渣扒到炉门口，轻轻搓动，尽量使铝与渣分离，控净铝液。

（4）静置取样化验：静置40～50min后，取样品进行化学成分分析，合格后方可转入保温炉。

（5）铝熔体在线处理：保温炉配置炉内精炼装置，对铝液进行初步精炼。精炼过程中加入铝-钛-硼丝以细化晶粒，将高纯氩气注入铝液中，排出铝水中多余的溶解在铝液中的氢气，减少固化过程中气泡的形成。

（6）铸造：利用半连续铸造机铸造铝棒，铝水通过导水盘进入各个结晶器，升降平台根据铝液的流速及冷却水的流速来控制下降速度，随着升降平台的下降，逐渐形成铝棒。

（7）圆铸锭检验：包括表面质量、低倍检验、超声波探伤等。

（8）均质：根据不同合金设定温度、时间进行均质处理，以减少铝棒中的晶内偏析及铸锭在凝固时产生的内应力，使后续挤压更易于进行。

（9）锯切：控制锯切长度偏差和切斜度等。

我公司现已成功开发出了6005A和7N01φ784mm大规格优质铝合金锭坯，经检测其铸锭表面光洁，化学成分和组织均匀，低倍晶粒度1级。

2.3 超大规格铝合金型材挤压技术

通过铸棒的精密梯度升温、模具的精密控温、精密水雾气在线淬火技术的有机结合，开发超大规格铝合金型材等温等速挤压技术。

挤压一般工艺流程为：铸锭加热→挤压→在线淬火→张力矫直→时效→锯切→理化检验。主要流程简述如下：

（1）铸锭加热：采用铸锭梯度加热技术对铝合金铸棒进行加热。

（2）挤压：采用225MN超大型铝挤压机装大型铝合金挤压模具后，再将φ784mm大规格铸锭装入挤压筒内，通过挤压机主柱塞的力，将铸锭挤压变形成超大规格铝合金型材。

（3）在线淬火：采用水、雾、气相结合的方式进行在线淬火，提高型材张力强度性能。

（4）中断：超大规格铝型材可挤出10～80m长，按规定定尺要求进行切断。

（5）拉伸矫直：用大吨位拉伸机进行拉伸矫直。

（6）人工时效：进行人工时效以进一步提高铝材性能。

（7）理化检验：对铝型材进行化学成分、力学、弯曲、疲劳、低倍、高倍等理化性能检验。

3 应用前景

3.1 大规格铝合金挤压型材应用现状

大规格铝合金挤压型材主要用于制造轨道交通车辆车体结构。目前，我国用于制造轨道交通车体的铝合金主要是5×××系、6×××系和7×××系三个系列，主要用来生产侧墙、顶棚、地板、底架、引梁、横梁、枕梁、裙板、端墙、吸能件、设备舱、车体内饰等部件[1]。据了解，目前时速大于200 km/h的动车组、磁悬浮及中低速磁悬浮车体和大约30%左右的轻轨及地铁车辆均采用铝合金车体，而且大部分是大型铝合金挤压型材。

图1为我国某型号全铝轨道车辆车体铝合金挤压型材组合示意图。

图1 某型号轨道车辆车体型材组合示意图

3.2 超大规格铝合金挤压型材应用前景

现代交通运输用大型铝合金特种型材的品种越来越多，对性能和质量的要求特别是轻量化的要求也越来越高[2]。“十三五”期间我国提出的高速铁路增速至400km/h以上的发展规划，对轨道交通车体用铝型材更是提出了更高的技术要求。而超大规格高性能复杂截面铝合金型材及大部件结构的研制与应用，可以在保证整车强度的前提下减少车体焊缝数量，减轻车体重量，提升整车综合性能10%左右，很好地满足了轻量化和整车质量的技术要求，同时还可大大提升车辆整体的安全性能和使用寿命。

表1 超大规格铝合金挤压型材主要应用领域

以图1为例，该型号轨道车辆车体有23条焊缝，而未来通过采用一次性挤压成型的超大规格铝型材生产后，可以直接越过通过两个较小型材进行焊接的工序，使车体焊缝数量有望最少可减少至11条，进一步提升轨道车体的安全系数。因此，未来超大规格高性能复杂截面铝合金挤压型材在轨道交通车体上的大量应用将前景可期。表1列出了超大规格铝合金挤压型材的主要应用领域和应用部位。

4 结束语

（1）超大规格铝合金挤压型材的试制生产需要具备大型铝合金模具设计制造技术、大规格铝合金锭坯制备技术和超大型铝挤压机及其挤压成套技术等基础条件。

（2）在中国城镇化高速发展和“一带一路”战略理念的推动下，未来我国轨道交通及公路货运车辆等对超大规格铝合金挤压型材的需求将非常大。

（3）我公司已掌握大型铝合金模具设计制造技术，并成功开发出了6005A和7N01φ784mm大规格优质铝合金圆铸锭，首台225MN超大型铝挤压机也已经正式投产，将形成超大规格铝型材产业化生产的能力。