鐵路鍛造工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究
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摘要：針對我國快速發(fā)展的電氣化鐵路，在簡述其接觸網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對接觸網(wǎng)鋁合金定位鉤的鍛造工藝和特點及鍛造模具結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入分析，為實際的鍛造生產(chǎn)提供參考，保證鍛造生產(chǎn)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；鐵路接觸網(wǎng)；定位鉤；鋁合金鍛造；鍛造工藝；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
如今，我國高鐵事業(yè)正快速發(fā)展，為適應這種發(fā)展要求，對接觸網(wǎng)各類零部件提出了更高的要求。對于鋁合金鍛件，由于其質(zhì)量較輕、強度高且耐腐蝕能力強，所以在接觸網(wǎng)中得到了廣泛應用，如接觸網(wǎng)定位鉤。為滿足接觸網(wǎng)運行要求，一方面要確定適宜的鍛造方法，另一方面則要做好模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1鐵路接觸網(wǎng)
接觸網(wǎng)是電氣化鐵路重要組成部分，在鋼軌的上方按照之字型進行架設(shè)，主要作用是為受電弓提供電流，屬高壓輸電線范疇。在電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)是它的主構(gòu)架，為電力機車提供電能，主要由五個部分組成，分別為基礎(chǔ)、支柱、懸掛、支撐與定位。接觸網(wǎng)承擔將電能輸送至機車的任務，基于此，其質(zhì)量與實際工作狀態(tài)對鐵路運輸能力有很大影響。接觸網(wǎng)直接露天設(shè)置，且無備用，線路所有負荷伴隨機車運行不斷變化，所以接觸網(wǎng)要滿足以下要求：（1）機車高速運行且氣候條件較為惡劣時，應能確保機車穩(wěn)定取流，從機械結(jié)構(gòu)角度講，接觸網(wǎng)應有足夠彈性且始終保持穩(wěn)定。（2）接觸網(wǎng)上的設(shè)備與零件應有一定互換性，并且還要抗腐蝕與耐磨，以延長整體的使用壽命。（3）接觸網(wǎng)對地要有良好的絕緣性，以保證安全可靠。（4）接觸網(wǎng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)應盡可能簡單，為施工提供方便，為之后的運營與維修創(chuàng)造良好條件。當發(fā)生事故時，應能立即開展搶修，盡快恢復正常送電。（5）盡量減少成本，尤其是要減少鋼材和有色金屬。（6）在任何條件下，接觸網(wǎng)都必須穩(wěn)定地為機車輸送電能，使機車在線路上穩(wěn)定、安全行駛，同時，在滿足以上要求的基礎(chǔ)上，還應減少投資，保證結(jié)構(gòu)的合理性，為新技術(shù)的引入和應用奠定良好基礎(chǔ)。伴隨著中國鐵路高速發(fā)展，接觸網(wǎng)零部件作為鐵路的重要組成部分，簡統(tǒng)化零部件應運而生。簡統(tǒng)化零部件最主要的變化在于改變了零件制造工藝，由原來的鑄造工藝改成鍛造工藝。
2鍛造工藝與特點
2.1變形抗力較大，但塑性較低
對鋁合金而言，其塑性主要受合金的成分及鍛造時的溫度直接影響，并且塑性對于變形發(fā)生速度的感知程度還會因合金元素實際含量的改變而變化，如果合金元素的實際含量增加，則塑性將明顯降低，對變形發(fā)生速度的感知程度增強。基于此，相較于形狀一致的鋼鍛件，采用鋁合金鍛造時，需要達到的噸位可以達到鋼鍛件150%左右。設(shè)計中，應充分考慮鋁合金自身抗變形能力與熱鍛模對應的熱收縮率，其中，收縮率以鍛件形狀為依據(jù)在0.6%～0.7%范圍內(nèi)選取，當變形量較大，且金屬流動激烈的部位應取1.0%。另外，還要對鍛模使用中的溫度進行適當調(diào)整，當鍛模的溫度升高時，收縮率增加，若進行等溫鍛造，則收縮率可適當?shù)販p小。
2.2鍛造溫度范圍相對較窄
不同類型的鋁合金，其鍛造溫度不同，但都小于150℃，某些甚至低于70℃。可見，多火次和小變形是鋁合金鍛造的主要特點，生產(chǎn)中，生產(chǎn)的節(jié)拍可將生產(chǎn)要求作為依據(jù)來確定和調(diào)整。鍛造對溫度有著很高的要求，生產(chǎn)時，需要對爐溫進行嚴格控制，爐溫的均勻性不能超過±6℃，在溫控過程中，精度要達到±3℃，測溫可借助紅外測溫儀實現(xiàn)，根據(jù)實測溫度，確定適宜的時間節(jié)拍，以保證出爐溫度達到要求。
2.3多工序和小變形
這是鋁合金鍛造生產(chǎn)的主要特性，基于此，在鍛造時應重點防止由于變形量過大而產(chǎn)生粗晶與裂紋。為達到這一目標，需要以鍛造生產(chǎn)特性為依據(jù)，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)，確定適宜的工藝路線，一般情況下，工藝路線為：先進行連續(xù)加熱，再進行彎曲和壓扁預鍛，然后進行切邊與二次加熱，最后進行終鍛與切邊校正。
3模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
以零件結(jié)構(gòu)的主要特點為依據(jù)，采用彎曲工裝按照工藝要求對坯料實施彎曲，結(jié)合對工藝流程進行的安排，需將彎曲模具設(shè)置于高能螺旋壓機其中一側(cè)，由此完成彎曲的工序。
3.1壓扁預鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
對于預鍛模具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然與鋼鍛件相似，但因為鋁合金鍛造過程中的溫度范圍很窄，所以預鍛并不會產(chǎn)生太大的變形，能防止粗晶的產(chǎn)生和避免折疊。在定位鉤中，預鍛模具作用在于粉料與預成型，并對分邊槽進行設(shè)計。相較于普通的鋼鍛件，預鍛模具飛邊槽厚度略大，而且無須使所有位置都出飛邊，待預鍛完成后，實施冷切邊即可。由于有二次加熱的工序，所以能以實際情況為依據(jù)進行準確計算，然后，根據(jù)計算的結(jié)果對用料進行調(diào)整，某些部位不出飛邊也能滿足要求。旋轉(zhuǎn)平雙耳如圖1所示。
3.2終鍛模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
考慮到鋁合金對溫度十分敏感，而且鍛造的溫度區(qū)間也很狹窄，故終鍛過程中應在切邊以后再進行二次加熱，借助網(wǎng)帶形式的連續(xù)加熱裝置，其生產(chǎn)節(jié)拍可調(diào)整與控制，以不同的零件類型為依據(jù)進行調(diào)整。如前在對鋁合金進行鍛造時，溫度區(qū)間很窄，對溫度控制提出了很高的要求，爐溫的均勻性不能超過±6℃，在溫控過程中，精度要達到±3℃。對終鍛的模具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應借助DEFORM實施模擬分析，然后，以模擬分析后得到的結(jié)果為依據(jù)，沒有出飛邊的位置由于工件儲料相對較多，而且溫度也很高，所以進行終鍛時能使型腔達到飽滿的狀態(tài)，整個定位鉤上的不同部位也有較好的充型。銅合金終端錨固如圖2所示。
3.3模鍛斜度設(shè)計與潤滑特點
相比之下，鋁合金有更大的摩擦系數(shù)，但容易發(fā)生粘模的現(xiàn)象，所以鋁合金的模段斜度要略大于鋼鍛件，此外，由于接觸網(wǎng)各個零部件鍛件通常情況下外形不加工或?qū)嶋H加工量很少，所以一般而言，外模鍛的斜度需控制在3°～7°內(nèi)，而內(nèi)模鍛的斜度則需要控制在2°～3°內(nèi)。潤滑主要采用油基石墨HYKOGEENAL2931MBA脫模劑，這種脫模劑主要用于鍛造難度相對較大的合金。采用涂抹與噴灑兩種方法進行，但在使用前需要利用石油進行適當?shù)南♂屘幚恚ＷC模具型腔達到潤滑，在整個成型過程中，如果采用脫模劑進行潤滑，則能有效減小實際的流動阻力，使充型達到飽滿的狀態(tài)，避免模具被嚴重磨損，達到了良好的潤滑效果。
3.4飛邊槽結(jié)構(gòu)設(shè)計
對于飛邊槽而言，其主要功能在于提高金屬流動時的阻力，使金屬能夠充滿整個模腔。通過以上分析可知，鋁合金具有很大的抗變形能力，自身流動性較差，對飛邊槽結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應將橋部的實際厚度確定為2.5mm，而寬度則確定為12mm，同時，出口部位的圓角需要從鋼模的R1更改成R2；針對成形難度較大的鍛件，需在設(shè)計中將橋部的深度確定為4mm，寬度為3mm，以此形成一個阻尼槽，起到對局部金屬流動進行有效控制的作用，保證金屬能夠充滿整個模膛，防止多余的物料進入飛邊處，此外，還能在保證生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，適當縮小一定坯料的體積，以節(jié)省更多的原材料。由于鋁合金鍛件的溫度降低速度很快，在出模的過程中容易發(fā)生變形，所以，為了順利地取出鍛件，在設(shè)計過程中一般要將復雜面留在下模，同時，設(shè)計專門的取鍛件槽。通過這樣的處理，能減小取鍛件過程中的變形，此外，對于比較復雜的零件，可借助頂出裝置來脫模，以此有效加快生產(chǎn)效率。
4結(jié)語
綜上所述，當前的鋁合金鍛造生產(chǎn)正處在初期的摸索階段，無論是生產(chǎn)工藝還是生產(chǎn)效率，都需要進行不斷的升級和改進。然而，由于我國的高速鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，對鋁合金鍛造件提出了迫切的需求，為鋁合金鍛造生產(chǎn)及發(fā)展帶來了新契機。
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作者：牛致森 單位：中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司
