铝型材车间设计

1、年产2.5万吨轨道交通用铝型材车间设计第一章总论1.1我国轨道交通用铝型材现状就目前国内轨道交通用铝型材行业来说，主要呈现以下几个特点：(1) 起步较晚，专业生产厂家少。我国轨道交通用铝型材生产最早为二十世纪九十年代末，是近十几年才 发展起来的产业，而之前轨道交通用铝型材生产一直被国外垄断。国外轨道 交通用铝型材发展早、技术成熟。时至今日，国内能够生产性能优良的轨道 交通铝型材的厂家也仅仅就辽宁忠旺控股有限公司、吉林麦达斯铝业有限公 司、山东丛林集团、西南铝等几家。(2) 受益于我国经济的持续发展和城市化进程的稳步推进，轨道交通用铝型 材技术渐趋成熟，但整体仍落后于发达国家。改革开放三十年特别

2、是近十年经济的高速发展，我国城镇化率的快速提 高，有资料显示，近十年我国城镇化率提高了约20个白分点。城镇化率提高带来了私家车的剧增而引起的交通拥堵问题，这在当今效率至上的社会是不 能忍受的。加之人们时间观念的强化、资源紧张、环境恶化，发展高效率大 容量交通运输方式势在必行。轨道交通是所有交通运输方式中最高效的方式 之一0轨道交通正是在这种背景下进入了高速发展期，同时也带来了对轨道交 通车辆需求的猛增。考虑到资源紧张、环境恶化的因素对轨道交通车辆的发 展提出了更高的要求。铝及铝合金材料具有质量轻、成型性优、强度高、耐 腐蚀、再生利用率高等特性从众多材料中脱颖而出，在一系列轨道交通装备 制造上，

3、铝化率不断提升。08年金融危机爆发后，国家推出4万亿救市计划 是轨道交通用铝型材的乂一个发展契机。4万亿资金项目中就包括我国高铁建 设、地铁建设、铁路升级扩能等轨道车辆项目。国内轨道交通用铝型材生产厂家多数拥有自己的生产研发基地，技术研 发和升级改进能力较强，在国际国内市场拥有一定影响力。大型生产厂家越 来越倾向于整套生产技术的研发，自主生产意识增强。但总体来看，我国轨 道交通用铝型材生产技术仍旧落后于发达国家。(3) 市场需求总体上还有一定缺口，部分厂商盲目重复投资导致部分产品产 能过剩，行业技术创新能力有待提高。歹0车厢体用铝型材市场总量并不大，包括动车和地铁在内，一年不过10万吨，而且轨

4、道交通用铝型材市场需求具有较强阶段性，年用量和年增长率 的持续性和稳定性都较差。据专家估计，目前全国在建轨道交通用铝型材项 目总生产能力约30万吨，已经远远超过当前10万吨年的市场需求量，高铁 用铝型材短期内生产能力过剩已成定局。尽管如此，许多铝型材生产厂家仍 看好轨道交通用铝型材市场，纷纷投资轨道交通用铝型材生产线，但相当一 部分厂家是重复投资，造成行业不良发展。如何提升产品竞争力，关键在于 做好质量关，即不断进行技术创新、技术改进，提高产品质量和产品性能稳 定性。主要有三个问题：(1) 成品率低，能耗高，技术工艺有待改进。国内很多轨道交通用铝型材加工厂家可能都有这样的疑惑：往往是产品 做出

5、来了，投入大于产出，十得越多亏损越大。这就是成品率低的问题，突 出表现在轨道交通车体铝型材的生产上，反映了我国轨道交通用铝型材生产 技术不成熟，还在摸索学习阶段，同时也说明我们进步空间很大。考虑到现 时处于轨道交通铝型材行业高速发展期，为了抢占市场，解决这个技术短板 最简便快捷的方法就是引进国外成熟技术或与国外成熟生产厂家共同研发新 技术。(2) 产品质量参差不齐，性能不稳定。类似国家经济的高速发展一样，这个行业在近几年快速发展之后也暴露 出许多不足：产品质量不稳定，各批次甚至同一批次的产品性能都可能不同， 顾客拿到合格产品很大程度上凭概率！不得不说，这是我国许多企业的通病。 其原因无外乎：没

6、有好的生产工艺，厂家为缩减成本擅自减少或更改生产工 序，工人不规范操作，技术研发技术研发投入不足。企业必须摒弃偷工减料、 投机取巧、不规范操作等恶习，持续稳步加大科研投入，我国轨道交通用铝 型材业才能健康长久地发展。(3) 行业发展欠规范，产生了许多不良竞争。得益于国家经济政策和市场需求，陆陆续续有厂家加入到轨道交通用铝 型材行业中，但相当一部分是重复投资，导致了不良竞争。中国有色金届加 工工业协会秘书长马世光说，地铁车体铝型材产品在建产能已经过剩。因此 转入这个行业要考虑到市场需求，另外也要看自身的技术实力，切勿盲目跟 风投资！我要说的是投资有风险，投资需谨慎。据此，我认为应建立行业准 入机

7、制，确保行业健康发展。1.3产品市场分析近年来铝及铝合金因质轻价廉、比强度高、刚度好、耐腐蚀等优良性能在轨道 交通装备的应用获得长足的发展，行业经济、行业技术条件也有也从无到有，从 有到精，我国轨道交通用铝型材已形成一定规模和影响力，但与欧美日等发达工 业国家相比，还存在着一定的差距，但这也意味着我国轨道交通用铝材还有较大 的发展空间。我国轨道交通用铝材方兴未艾，机遇与挑战共存。(1) 中国步入高铁时代，动车组铝材需求增加随着城市经济快速运转，人员 流动日益频繁，城际高速铁路将成为未来区域发展的重要推动力，我国已经 进入了高铁建设的高峰期。根据铁道部发布的数据，到 2012年，中国已投入营运的

8、高速铁路网络 总长13000公里，长度居全球之首。到 2020年，我国将建设规划建成 四纵 四横”的城际快速客运系统，客运专线 1.6万公里以上。蓄势待发的中国高铁 前途光明，中国步入了高铁时代。除了国内，中国的高速铁路也在向国外延 伸。北京交通大学教授、中国工程院院士王梦恕曾表示：中国计划将在国内 高铁网延伸到俄罗斯、中业以及东业 17个国家，以期能在2025年内完工。 高速铁路的建设带来了对动车组的需求。目前中国铁路客运专线动车组采用的 CRHI、CRH2、CRH3、CRH5四种 类型中，除CRHI型车体采用的是不锈钢材外，其余3种动车组车体均为铝合 金材质。由于材料的特性与焊接方式的现代

9、化，时速250公里以上的高速列 车必须采用铝合金材质。城际客运系统的建设及高铁网络向国外的不断延伸， 动车组铝材的需求也将不断增加。随着中国高铁、动车技术的发展，中国高 铁已经走出了国门，承接世界高铁工程。中国铁道部已经与俄罗斯、美国 GE 公司等签署了合作备忘录。中国动车也出口到了澳大利业、菲律宾、突尼斯、 加纳等国。相信未来随着中国高铁及动车技术向国外的输出，动车组铝材的 需求也将不断上升。(2) 铁道车辆重载化趋势，轨道交通用铝型材发展潜力巨大。近年来中国经济的发展对煤炭，有色金届等大宗商品的需求猛增，中国C80运煤敞车铝材应用具有非常大的潜力。由于我国资源分布和工业布局不平 衡，大宗原

10、材料的运输主要依靠铁路，造成了铁路物资运力的紧张。高速化、 重载化是今后铁路运输的发展方向。而铁道车辆轻量化则是实现高速重载的 重要途径。铝无疑是轻量化最好的材料。世界上较发达的国家大多数采用铝合金材料来制造铁路车辆。研究数据表明，铝煤车相比钢煤车具有十分明显的优势。我国 C80铝合金运煤敞车较 C76型钢浴盆敞车车体减轻了 5吨，较C63A型敞车减轻了 19吨，在车辆总 重不变的情况下，大大提高了车辆有效载重。此外，铝合金运煤敞车还有节 省燃料、减少温室气体排放、寿命长、腐蚀轻、运营维护费用低等优势。根 据测算，尽管相比碳钢制运煤敞车，C80铝合金运煤敞车造价稍贵，前期投入 较高，但由于其具

11、有无可比拟的优势，在使用至第5年以后，C80铝合金运煤 敞车的综合效益就超过了碳钢运煤敞车。再加上铝制运煤车有30年的使用寿命，相比钢制车可多使用10年，其带来的经济效益十分明显。目前中国C80铝合金运煤敞车的总拥有量仅1万辆左右，仅为美国2009 年一年交货量的62%。铝合金运煤敞车在美国的大量使用已经验证了其优越 性，相信随着铝合金运煤敞车在使用中优势的不断体现，业界对其认识的不 断深入，铝合金运煤敞车在国内将有很大的发展空间。(3) 中国城轨交通发展带动铝材需求增长随着中国经济的飞速发展和城市化 进程的加快，我国的城市轨道交通行业步入一个跨越式发展的新阶段。住房和城乡建设部地铁与轻轨中心

12、主任、中国城市规划设计院院长李晓7工表示：截至2009年底，国家批准了 25个城市的轨道交通近期建设规划。目前内地正在建设轨道交通的线路总长是 1400公里，将要开工的新轨道交通 线路达2610公里。十二五”期间，轨道交通建设投入可能超过 7000亿元，总 资金投入仅次于铁路和高速公路。预计中国城轨交通里程在 2010年达到1500公里，2015年将达到2100公 里,2020年有望达到3000-3500公里。目前，国内轨道交通车辆铝材已基本实 现国产化，麦达斯铝业、忠旺控股、丛林铝业、南山铝业等均能生产此类高 性能铝材。未来10年将是我国大中城市轨道交通建设发展的 10年，随着轨道交通 建设

13、的突飞猛进，轨道交通用铝材也将迎来发展的机遇。铝材的优异特性及 国内铝材生产应用技术的提高使得工业铝型材在车辆轻量化领域的发展前景 十分乐观，可以预见，轨道交通用铝型材将在中国蓬勃发展的轨道交通市场 大有所为。1.4设计目的和任务车间设计的目的与任务车间设计的目的就是为了建设新的企业、扩建或改建老企。设计的任务就是对需建设的企业做出技术与经济的详细规划，确定出企业 的生产经济状况，技术经济指标及施工的组织方法等。设计文件是编制基本建设 计划和拨付投资的依据。因此，企业在建设中能否加快速度，保证质量和节约投 资，在建成后能否达到最好的经济效果，设计工作是起决定性作用的。要想很好 的完成一个工厂和

14、车间的设计任务，除了要学习和掌握专业基本理论外，还要深 入生产实际，总结和推广科研成果，并吸收国内外先进的技术，只有这样才能做 出经济上合理，技术上先进的设计来。一个完整的金届压力加工车间设计，其内 容包括生产工艺、设备，土建、供水和排水、供气、供电、运输、采暖与通风等 设计。它们之间是一个完整的不可分割的整体，要求各个不同的设计部门互相协 作，紧密配合，其中车间工艺设计是整个车间设计的主体。工艺设计工程师是一 个组织者，他的主要任务是根据上级机关确定的任务书，进行工艺设计，确定生 产方案、选择设备、画出车间工艺平面布置图，确定车间劳动组织与技术经济指 标等，并提出对水、电、动力，热力，通风，

15、照明，采暖、厂房建筑等设计的要 求及其所需的资料。1.5车间设计指导思想和要求本设计为年生产能力为2.5万吨轨道交通用铝型(6xxx)材车间设计，遵循以 下指导思想：(1) 遵守国家的法律、法规，贯彻执行国家的经济建设方针与政策，提高经 济效益与社会效益，为社会主义现代化建设服务。(2) 从全局出发，服从国家或地区对产品的需要。(3) 从实际出发，确定设计标准，对生产工艺，主要设备和主体工程设计要 做到先进、合理、可靠。对非生产性的建设，；应坚持适用，经济，在可能 的条件下注意美观。(4) 注意综合利用与环境保护，造福人民。(5) 节约能源。(6) 合理使用劳动力。(7) 节约建厂用地，应尽量

16、利用荒地、劣地，少占耕地，总平面图的布置要 紧凑合理。(8) 立足于自力更生。本设计的要求：(1) 技术要求：确定产品品种、规格、质量标准及年产量；确定产品的生产 方案及生产工艺过程，选取主要设备并确定其必要的数量；选择与计算辅助 设备；计算完成年计划产量所需要的原料、材料及动力消耗；提出动力，运 输、照明、采暖、通风、供水排水等各项设计要求；计算车间所需面积，车 间内主要设备与辅助设备的布置；确定厂房形式和主要尺寸，画出车间平面 布置图，提出安全，环保等措施。(2) 组织要求：研究车间的生产劳动组织，确定职工人数及编制，制订劳动 定额等。(3) 经济任务：计算及制订基本建设投资额，生产预算，

17、计划单位产品成本 及综合技术经济指标等内容。1.6车间概况轨道交通用铝型材车间平面应满足如下要求:(1) 车间和其它构筑物的布置应符合产品生产工艺流程的要求，以使材料、 半成品和成品运输线最短，防止交义和往返运输。(2) 动力车间应尽量接近主要用户，但同时要考虑它对其它服务车间的动力 供应。(3) 工厂与外部铁路，公路，供水与排水、高压线路以及煤气管道等管线铺 设要合理。(4) 考虑职工的生活、工作等方面的安全与方便，注意环境保护：1) 考虑风向条件：对厂前区的布置要放在上方风向，放射有害气体的 车间宜放在下风向；2) 按照生产性质、防火及卫生条件，将同类性质的车间及辅助设施放 在同一区域；3

18、) 根据防火规程，在规定地点设消防站；4) 生活福利设施应靠近生产车间；5) 厂区内原则上不可建筑住宅或职工宿舍。总之，考虑总图布置时首先要满足生产操作及安全的要求，其次是节省投资， 既要做到技术上的可行性，乂要达到经济上的合理性，另外要考虑施工方便，同 时要留有发展余地。1.7厂址选择本设计厂址选择主要考虑两方面：建厂地区、建厂地址。建厂地区选择应考虑下述要求：(1) 必须符合国家工业布局的基本原则。充分利用各地区的丰富资源和 各方面的有利条件，合理使用人力和物力，使生产出来的产品能够合理 的分配，从而使所设计的厂在最少的投资条件下，获得最大的经济效果, 并且使全国务大区的工业系统迅速建立起

19、来，逐步改变我国工业布局不 合理的状态；(2) 原料、燃料、动力的来源与运输条件。要能够得到生产所需的足够 原材料，要有能满足生产和生活的水质和水量；(3) 适当靠近产品销售地区；(4) 自然条件好，有适宜的气候环境；(5) 能就近取得足够的建筑材料；(6) 与其它企业协作方便；(7) 满足国防上的要求。建厂地址的选择，就是在指定的建厂地区内，选择一块地方，它在自然和地 理特点，运输条件、水电供应、布置工厂厂区及生活区等方面，都能最大限度地 得到满足。具体要求如下：(1) 厂区面积与外形满足总平面布置的要求；(2) 工程地质和水文地质满足建厂的要求；(3) 厂址选择适应城市的总体规划。厂址一般

20、设在城市的水运下游，厂 区与城市之间应有一定距离的卫生防护带；从经济方面来看，厂址应靠 近城市，以便充分利用城市的交通工具与线路，充分利用城市的供排水 设施和动力设施，利用城市住宅和文化福利设施；(4) 运输条件满足工厂生产要求。大型企业多采用铁路运输，因此应该 铁路支线最短；中、小型企业多为汽车运输，厂址应靠近汽车运输千线;(5) 距电源、水源最近；(6) 在公用设施与生产方面，尽可能和有关工厂协作，并有一定的环保 措施，不致造成环境污染；(7) 选择合适的居民点，作为职工生活区。综合考虑以上要求：选择湖南醴陵市作为厂址地区，首先醴陵市距离南车集 团株洲所较近，靠近消费市场；再者这里地价便宜

21、，铁路交通发达，附近有株冶 等有色金届加工企业，原材料来源丰富，成本低。1.8本车间设计的特点本车间设计力求做到简单全面、经济实用，经济可持续发展环境保护结合， 尽可能的提高投入产出比。1.9本车间设计中存在的问题第二章生产方案2.1生产方案编制原则本设计的生产方案编制原则：(1) 达到经济要求原则。正如前文所讲，铁道车辆重载轻量化发展趋势，国家庞大的“四纵四横” 高铁建设计划，各个城市的地铁计划，城际轻轨计划无一不说明轨道交通用 铝型材在今后一段时间具有持续强劲的市场需求，而国内对应的高铁、轻轨、 地铁列车车体及配件铝型材仍有较大缺口，因此选择轨道交通用铝型材(6xxx)市场前景乐观。国内能

22、轨道交通用铝型材专业生产厂家总共四家，其中有三家在北方，而中国两车生产研发基地南北平衡，这就大大增加了造车成本。选择在相对 靠近整车生产基地的地方建厂并生产车体型材、车内饰型材是合理的。(2) 达到组织要求原则。组织要求即生产方案的编制要兼顾各生产部门的能力和产品需求，使团 队协作效率最大化。(3) 达到生产任务要求原则。根据设计要求，须使年产能达到 2.5万吨，生产方案应符合生产要求。2.2计算产品的选择产品方案是车间今后组织生产的依据，因为产品方案不但规定了车间的类型, 同时也规定了车间生产品种的方向。车间拟生产的产品品种、规格及状态组合起 来可能有数十种，数白种以上。但是，在设计中不可能

23、对每种合金的每一个品种、 规格及状态都进行详细的工艺计算。为了减少设计工作量，加快进度，同时乂不 影响整个设计质量，可以将各类产品进行分类编组，从中选择典型产品作为计算 产品。计算产品应具有以下特点：(1) 计算产品从全车间总体来说，在合金、品种、规格、状态、产量和工艺 特点等方面有代表性。(2) 通过所有的工序。指所选的所有计算产品要通过各工序，但不是说每一 种计算产品都通过各工序，而是对所有计算产品综合来看的，若拟生产的所 有产品中均有某工序，而计算产品不通过此工序，在此情况下，就要重新选 择计算产品。还应指出所选典型产品的产量之和为总产量。（3）所选的计算产品要与实际相接近（4）计算产品

24、主要留一它的调整余量?根据计算产品进行工艺计算、选择没各、确定了工艺、确定车间人力与物 力的消耗及技术经济指标等所获得的结果，应该与按所有品种进行设计和投产后 的实际相一致或相接近。因此，编制产品方案、确定计算产品及共产量分配乃是 工艺设计中的主导。？产品方案与计算产品确定之后，应按产品名称、合金牌号、 状态、规格范围、产量等列成表。？本设计计算产品根据以上计算产品选择要求选择，具体情况如下。表1: 产品方案表）丁与产品名称合金 牌号交货状 态年产量/吨产品规格1列车座椅卜部铝型 材6063T66000如图1a2列车桌子包边铝型 材6063O1000如图1b3行李架6063T65000如图1c

25、4列车侧顶板6061T64000如图1d5地板铝型材6061T69000如图1e产品规格图（图1a：列车座椅下部铝型材）（图1b:列车桌子包边铝型材）（图1c：行李架）（图1d：列车侧顶板）?61（图1e：地板铝型材）2.3工艺性能与参数本设计中计算产品主要合金牌号为 6061和6063,其合金成分控制按照我国轨 道交通用铝型材合金成分标准（GBT 19347 2003和GBT-3190 2008）执行。具体 成分如表2。表2:计算产品合金成分（质量分数 %）牌号SiFeCuMnMgCrNi60610.400.80.70.150.400.150.81.20.040.35-60630.200.6

26、0.350.100.100.450.90.10-牌号ZnTiZr其它(单个)其它(合计)Al60610.25-0.15-0.050.15余量60630.10-0.10-0.050.15余量计算产品物理性能由所选合金种类和加工工艺决定，则其物理机械性能如表3。表3:所选材料物理机械性能牌号密度g/cm3熔点c焊接性能硬度a %60612.70580650好95HB 1415WB1260632.69568652好73HB(T6)60HB(T5) 810WB10牌号0- b/Mpa0- s/Mpa弹性模量Gpa泊松比6061310276800.3306063240200750.330表3中可看出所选

27、材料满足轨道交通用铝合金型材产品力学性能标准(GBT 193472003)。2.4基本品种和用途本设计选择6063和6061作为合金材料，主要考虑到其力学性能符合铁道车 辆性能要求，挤压成型性能较好。A.6063届低合金化的Al-Mg-Si系高塑性合金，具有加工性能极佳、优良的可 焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易丁抛光、上色膜，阳极氧 化效果优良，是典型的挤压合金。6063具有诸多可贵特点：(1) 热处理强化，冲击韧性高。（2）有极好的热塑性，可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材， 或锻造成结构复杂的锻件。淬火温度范围宽，淬火敏感性低，挤压和锻造脱 模后，只要温度高于淬

28、火温度，即可用喷水或穿水的方法淬火。薄壁件（a <mm）还可以实行风淬。（3）焊接性能和耐蚀性优良，无应力腐蚀开裂倾向，在热处理可强化型铝合 金中，Al-Mg-Si系合金是唯一没有发现应力腐蚀开裂现象的合金。（4）加工后表面十分光洁，且容易阳极氧化和着色。其缺点是淬火后，若在室温停放一段时间，在时效上会对强度带来不利影响（停放效应）。6063铝合金型材以其良好的塑性、适中的热处理强度、良好的焊接性能以及 阳极氧化处理后，表面华丽的色泽等诸多优点而被广泛应用于建筑型材、灌溉管 材、供车辆、台架、家具、升降机、栅栏等用的管、棒、型材。本次设计用6063铝合金挤制列车座椅下部铝型材（T6 ）、

29、列车桌子包边铝型 材（O）、行李架（T6）分别用作轨道车辆座椅下部骨架结构、车厢小桌边沿装饰 材料、行李架结构型材。B. 6061铝合金对应旧牌号是LD30,届于镁硅合金，具有良好的可成型性。可焊接性，抗腐蚀性、氧化效果良好。产品状态有H112/T5/T6/T651等。T6处理后的6061硬度得到极大的提高，适合用作各种工业结构件，如制造卡车、塔式建 筑、船舶、电车、铁道车辆、家具等。T6处理后6061机加工性能变差，故应减少 机加工提高材料利用率。6061相比6063热处理后强度等力学性能提高，可满足铁道车辆车体型材力学 性能要求，6061由于含其他金届比例较低，因此可以通过异型，各种处理来

30、增加 它的强度和减低车体的风阻。本设计选择 6061作为列车侧顶板、地板铝型材作为 车体结构件。第三章生产工艺流程合理的生产工艺流程是保证规定产品质量和数量的条件下，具有较低的消耗、 生产成本，较小的车间面积，较少的生产设备，并且利于生产技术的改进升级， 具有较好的经济效果和较好的劳动条件。（1）列车座椅下部铝型材生产工艺流程锭坯，铸锭尺寸 K?450x 120 0m m /'./加热（工频感应加热，加热温度420-470C）淬火（水淬）挤压（80000KN挤压机，挤压速度20mm/s）矫直（1000KN八辗矫直机列,矫直变形量2-3%）人工时效（2500T时效炉，人工时效温度190-220E，保温时间2.5-3小时）（2）列车桌子包边铝型材生产工艺流程w iP 加热(工频感应加(?200x500m D 热炉，锭坯加热温 m)度 450-500 C)退火(箱式退火炉，退火温 度120-150 C,保温时问2-2.5小挤 压(20000 KN挤压 机，四孔 模挤压， 挤压速 度35mm/s矫直(200KN矫直机，矫直 变形量2-4%)活洗干燥|锯切定尺检验匚二包装入库(3)行李架生产工艺流程锭 坯（?450x120匚 0mm）加热（工频感应加热炉，加热锭温460-520C）挤压（8000 0KN挤压 机，挤 压速度20m