铁路锻造工艺及模具结构设计研究

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摘要：针对我国快速发展的电气化铁路，在简述其接触网的基础上，对接触网铝合金定位钩的锻造工艺和特点及锻造模具结构设计进行深入分析，为实际的锻造生产提供参考，保证锻造生产质量。

关键词：电气化铁路；铁路接触网；定位钩；铝合金锻造；锻造工艺；模具结构设计

如今，我国高铁事业正快速发展，为适应这种发展要求，对接触网各类零部件提出了更高的要求。对于铝合金锻件，由于其质量较轻、强度高且耐腐蚀能力强，所以在接触网中得到了广泛应用，如接触网定位钩。为满足接触网运行要求，一方面要确定适宜的锻造方法，另一方面则要做好模具结构设计。

1铁路接触网

接触网是电气化铁路重要组成部分，在钢轨的上方按照之字型进行架设，主要作用是为受电弓提供电流，属高压输电线范畴。在电气化铁路中，接触网是它的主构架，为电力机车提供电能，主要由五个部分组成，分别为基础、支柱、悬挂、支撑与定位。接触网承担将电能输送至机车的任务，基于此，其质量与实际工作状态对铁路运输能力有很大影响。接触网直接露天设置，且无备用，线路所有负荷伴随机车运行不断变化，所以接触网要满足以下要求：（1）机车高速运行且气候条件较为恶劣时，应能确保机车稳定取流，从机械结构角度讲，接触网应有足够弹性且始终保持稳定。（2）接触网上的设备与零件应有一定互换性，并且还要抗腐蚀与耐磨，以延长整体的使用寿命。（3）接触网对地要有良好的绝缘性，以保证安全可靠。（4）接触网设备的结构应尽可能简单，为施工提供方便，为之后的运营与维修创造良好条件。当发生事故时，应能立即开展抢修，尽快恢复正常送电。（5）尽量减少成本，尤其是要减少钢材和有色金属。（6）在任何条件下，接触网都必须稳定地为机车输送电能，使机车在线路上稳定、安全行驶，同时，在满足以上要求的基础上，还应减少投资，保证结构的合理性，为新技术的引入和应用奠定良好基础。伴随着中国铁路高速发展，接触网零部件作为铁路的重要组成部分，简统化零部件应运而生。简统化零部件最主要的变化在于改变了零件制造工艺，由原来的铸造工艺改成锻造工艺。

2锻造工艺与特点

2.1变形抗力较大，但塑性较低

对铝合金而言，其塑性主要受合金的成分及锻造时的温度直接影响，并且塑性对于变形发生速度的感知程度还会因合金元素实际含量的改变而变化，如果合金元素的实际含量增加，则塑性将明显降低，对变形发生速度的感知程度增强。基于此，相较于形状一致的钢锻件，采用铝合金锻造时，需要达到的吨位可以达到钢锻件150%左右。设计中，应充分考虑铝合金自身抗变形能力与热锻模对应的热收缩率，其中，收缩率以锻件形状为依据在0.6%～0.7%范围内选取，当变形量较大，且金属流动激烈的部位应取1.0%。另外，还要对锻模使用中的温度进行适当调整，当锻模的温度升高时，收缩率增加，若进行等温锻造，则收缩率可适当地减小。

2.2锻造温度范围相对较窄

不同类型的铝合金，其锻造温度不同，但都小于150℃，某些甚至低于70℃。可见，多火次和小变形是铝合金锻造的主要特点，生产中，生产的节拍可将生产要求作为依据来确定和调整。锻造对温度有着很高的要求，生产时，需要对炉温进行严格控制，炉温的均匀性不能超过±6℃，在温控过程中，精度要达到±3℃，测温可借助红外测温仪实现，根据实测温度，确定适宜的时间节拍，以保证出炉温度达到要求。

2.3多工序和小变形

这是铝合金锻造生产的主要特性，基于此，在锻造时应重点防止由于变形量过大而产生粗晶与裂纹。为达到这一目标，需要以锻造生产特性为依据，结合零件结构，确定适宜的工艺路线，一般情况下，工艺路线为：先进行连续加热，再进行弯曲和压扁预锻，然后进行切边与二次加热，最后进行终锻与切边校正。

3模具结构设计

以零件结构的主要特点为依据，采用弯曲工装按照工艺要求对坯料实施弯曲，结合对工艺流程进行的安排，需将弯曲模具设置于高能螺旋压机其中一侧，由此完成弯曲的工序。

3.1压扁预锻模具结构设计

对于预锻模具，其结构设计虽然与钢锻件相似，但因为铝合金锻造过程中的温度范围很窄，所以预锻并不会产生太大的变形，能防止粗晶的产生和避免折叠。在定位钩中，预锻模具作用在于粉料与预成型，并对分边槽进行设计。相较于普通的钢锻件，预锻模具飞边槽厚度略大，而且无须使所有位置都出飞边，待预锻完成后，实施冷切边即可。由于有二次加热的工序，所以能以实际情况为依据进行准确计算，然后，根据计算的结果对用料进行调整，某些部位不出飞边也能满足要求。旋转平双耳如图1所示。

3.2终锻模具结构设计

考虑到铝合金对温度十分敏感，而且锻造的温度区间也很狭窄，故终锻过程中应在切边以后再进行二次加热，借助网带形式的连续加热装置，其生产节拍可调整与控制，以不同的零件类型为依据进行调整。如前在对铝合金进行锻造时，温度区间很窄，对温度控制提出了很高的要求，炉温的均匀性不能超过±6℃，在温控过程中，精度要达到±3℃。对终锻的模具结构进行设计时，应借助DEFORM实施模拟分析，然后，以模拟分析后得到的结果为依据，没有出飞边的位置由于工件储料相对较多，而且温度也很高，所以进行终锻时能使型腔达到饱满的状态，整个定位钩上的不同部位也有较好的充型。铜合金终端锚固如图2所示。

3.3模锻斜度设计与润滑特点

相比之下，铝合金有更大的摩擦系数，但容易发生粘模的现象，所以铝合金的模段斜度要略大于钢锻件，此外，由于接触网各个零部件锻件通常情况下外形不加工或实际加工量很少，所以一般而言，外模锻的斜度需控制在3°～7°内，而内模锻的斜度则需要控制在2°～3°内。润滑主要采用油基石墨HYKOGEENAL2931MBA脱模剂，这种脱模剂主要用于锻造难度相对较大的合金。采用涂抹与喷洒两种方法进行，但在使用前需要利用石油进行适当的稀释处理，保证模具型腔达到润滑，在整个成型过程中，如果采用脱模剂进行润滑，则能有效减小实际的流动阻力，使充型达到饱满的状态，避免模具被严重磨损，达到了良好的润滑效果。

3.4飞边槽结构设计

对于飞边槽而言，其主要功能在于提高金属流动时的阻力，使金属能够充满整个模腔。通过以上分析可知，铝合金具有很大的抗变形能力，自身流动性较差，对飞边槽结构进行设计时，应将桥部的实际厚度确定为2.5mm，而宽度则确定为12mm，同时，出口部位的圆角需要从钢模的R1更改成R2；针对成形难度较大的锻件，需在设计中将桥部的深度确定为4mm，宽度为3mm，以此形成一个阻尼槽，起到对局部金属流动进行有效控制的作用，保证金属能够充满整个模膛，防止多余的物料进入飞边处，此外，还能在保证生产的基础上，适当缩小一定坯料的体积，以节省更多的原材料。由于铝合金锻件的温度降低速度很快，在出模的过程中容易发生变形，所以，为了顺利地取出锻件，在设计过程中一般要将复杂面留在下模，同时，设计专门的取锻件槽。通过这样的处理，能减小取锻件过程中的变形，此外，对于比较复杂的零件，可借助顶出装置来脱模，以此有效加快生产效率。

4结语

综上所述，当前的铝合金锻造生产正处在初期的摸索阶段，无论是生产工艺还是生产效率，都需要进行不断的升级和改进。然而，由于我国的高速铁路事业蓬勃发展，对铝合金锻造件提出了迫切的需求，为铝合金锻造生产及发展带来了新契机。

参考文献：

[1]曹兵,邢西沙,迮继亮.高速铁路接触网检测技术的探讨及应用[J].科技视界,2015(04):402-402.

[2]刘志刚,宋洋,刘煜铖.电气化高速铁路接触网微风振动特性[J].西南交通大学学报,2015(01):44-46.

作者：牛致森 单位：中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司