高鐵鋁合金腕臂系統鑄鋁件重力鑄造技術

摘 要：近年來，隨著我國高鐵事業的迅速發展，作為供電系統的核心部件接觸網零件應用廣泛，文章主要介紹了鋁合金腕臂系統鑄鋁件產品、制造工藝、裝備三者相結合的關系，論述了現代重力鑄造工藝技術的開發、現代重力鑄造裝備技術的應用，提出通過產學研相結合的運作模式，為鋁合金重力鑄造車間提供最一流的服務方案。

關鍵詞：鋁合金鑄鋁件產品；重力鑄造技術；工藝；裝備；產學研

引言

進入21世紀，隨著社會經濟的發展，環境和能源問題的日益嚴峻，以高速度、大容量、低污染、低能耗、安全可靠著稱的高速鐵路作為適應現代文明和社會進步的高科技產品將大大降低交通運輸的社會成本，縮短了時空距離，從而產生巨大的社會經濟效益。

接觸網是鐵路客運專線和高速鐵路牽引供電系統的主體和關鍵，在接觸網中鋁合金零部件又是其核心技術產品，它直接關系到客運專線和高速鐵路的可靠性、穩定性和安全性，輕量化、耐腐蝕是鋁合金鑄鋁件發展的強大動力，發展鋁合金鑄造是順應高速電氣化鐵路發展的必然所在。

1 工藝為產品服務

1.1 系統分析開發鋁合金零部件鑄造工藝

科學的鑄造技術見圖1

圖1 科學的鑄造技術

1.2 鑄造凝固模擬技術的應用

在進行重力鑄造模具設計的時候，傳統鑄件的生產設計往往依靠技術人員的實際工作經驗，缺乏科學的理論依據，特別是對于復雜件及重要受力的鋁合金腕臂系統鑄鋁件，生產中往往要反復的修改鑄件結構或鑄造工藝來達到最終的技術要求，這種“經驗+試驗”的工藝方法，導致出現研制周期長、成本高、質量不穩定等弊端，運用鑄造專業模擬軟件可以對鑄件凝固過程進行數值模擬，根據鑄件的需要，輸入合適的邊界參數，對鑄件充型、排氣、凝固狀態進行模擬，直觀預測鑄件的質量及可能發生的缺陷，以幫助獲得最終的最優秀的工藝設計，如圖2所示。

圖2 典型鑄鋁件定位制作凝固模擬澆鑄及有限元分析

1.3 模具溫度場的控制調節

模具與鋁液之間熱交換關系非常密切，模具溫度場的分布和穩定與否，對鑄件質量、模具壽命和生產效率等都有著重要的影響，直接關系到鑄造生產的生產成本和經濟效益，鋁合金重力鑄造可采用天然氣加熱系統，溫度控制在300～350℃左右，通過手持式熱電偶可以測模具實時溫度，但是由于季節因素模具溫度容易受周圍環境溫度影響，為了防止鑄鋁件產生氣孔、冷隔、澆不足和縮孔缺陷，在模具上建立可人為調控的模具溫度場，通過設置風冷及水冷系統、控制加熱系統，用于模具的加熱冷卻。

傾轉澆注是模具在傾轉重力澆鑄機上進行傾轉澆注的一種先進的澆注工藝，由于傾轉澆注時合金液流平穩，對模具型腔的沖刷力小，避免了合金液流在澆道中或型腔內的紊流或飛濺，能實現合金液流在模具型腔中的層流充填，因而可得到組織致密、機械性能較高的鑄件，目前如腕臂系統關鍵受力件70支撐線夾本體、42-55定位支座本體等鑄鋁件，通過傾轉工藝的實施，鋁合金液體在模具中的充型和排氣良好，有效的減少了氣孔和縮孔現象的發生。

2 裝備為產品服務

2.1 傾轉式鑄機與產品的融合

針對鋁合金腕臂系統鑄鋁件結構的需要和工藝的需求，要求重力鑄造設備的設計制造能夠滿足不同產品工藝需要，目前鑄造車間使用的是傾轉重力鑄造機，其主要由底座、床身、左右開合型及頂出機構、下頂出機構、前后抽芯機構、液壓控制系統、電氣控制系統及冷卻系統等組成，在傾轉機構的作用下，床身可整體向前傾轉最大45角度的隨意傾轉，主界面可實現多種鑄造工藝、自動模溫控制、快速裝卸模具等各項功能。

2.2 高質量的模具設計與制造技術

準確全面的CAD設計是模具制造技術的基礎，采用三維造型與斷面剖析技術，能準確地反映出產品的幾何要求，將砂芯的三維造型組裝在模具結構的三維造型中，能直觀準確地設計出符合設備及產品要求的模具結構。用專業的CAM編程軟件對模具的流道裝置及型腔進行編程計算，并采用世界先進的多軸高速銑和高速雕刻加工中心等現代化設備，制造出高質量的優質模具。

2.3 精確零活的制芯設備

隨著熱芯盒制芯工藝在有色鑄造上的成熟普遍應用，近幾年熱芯盒制芯工藝在鋁合金腕臂系統鑄鋁件的鑄造上得到了很大發展，通過將由液態熱固性樹脂黏結劑和催化劑配置成的覆膜砂，填入加熱到一定溫度的芯盒內，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其黏結劑在很短時間即可縮聚而硬化，而且只要砂芯的表層有數毫米結成硬殼即可自芯盒取出，中心部分的砂芯利用余熱和硬化反應放出的熱量可自行硬化。

2.4 工業機器人自動化重力鑄造

目前高鐵鋁合金腕臂系統零部件基本采用重力鑄造進行產品生產，澆注仍采用手工澆注，工作環境較艱苦，產品工藝與人員的技能經驗關聯密切。

未來采用工業機器人代替人工澆注能給企業的成本、人力資源、安全生產、品質管理帶來幫助，能使企業在激烈的市場競爭處于相對優勢地位，同時也是自動化發展的必然要求，采用現代化的重力鑄造技術，實現機器人的下芯、澆注、取件三個功能，還可與鑄件輸送冷卻系統等外圍設備組成自動生產線。

2.5 外圍設備的配套開發技術

為滿足高鐵鋁合金腕臂系統鑄鋁件重力鑄造工藝的需要，鑄造車間不僅要大力推廣應用上述的先進核心重力鑄造裝備，還需使用一些配套的先進技術裝備，貫穿所有鑄造環節，形成完善、實用的重力鑄造生產線。目前已引進和聯系廠家制造出下述的外圍配套設備：引進鋁合金旋轉凈化儀，用于鋁液的精煉及除氣，引進德國IDECO公司鋁合金密度當量測試儀，通過采用缺陷放大原理，測試終端試驗密度從而可以反映出鋁合金的缺陷程度；引進德國IDECO公司鋁合金熱分析儀，用于全自動分析和檢測鋁合金的變質和晶粒細化程度；引進美國GE公司無損X射線探傷機；協助開發熔煉保溫爐快接插頭，快速轉換保溫爐體，確保用電安全；協助開發多功能傾轉鑄機，未來可考慮引進砂芯除芯機等設備從而減少人工除芯帶來環境、安全及質量問題。

3 產學研為鑄造車間提供一流的解決方案

隨著我國高速電氣化鐵路事業的蓬勃發展，接觸網零部件制造企業已全面實現高速電氣化鐵路接觸網關鍵零件的國產化，但企業在試制開發生產鋁合金鑄鋁件和新建車間過程中面臨諸多困難，例如企業缺乏建造鋁合金重力鑄造車間的知識、缺乏國外牌號鋁合金鑄鋁件重力鑄造生產經驗、不熟悉現代化的重力鑄造先進技術、沒有鑄件試制開發能力或手段、不能和研發設計單位同步開發鑄件等等。因此這就需要通過企業、科研院所和高等學校之間的合作，高校和企業自主聯合科技攻關與人才培養，共建研究中心、研究所和實驗室，一方面不僅為企業用戶提供信息咨詢和策劃重力鑄造車間的建造，而且還可以提供一流的熔煉設備、制芯設備、重力鑄造設備、模具設計、工藝制造為一體的核心解決方案；另一方面是利用鑄件樣件的試制開發手段和技術，為企業搭建鋁合金重力鑄造的孵化器，提供生產工藝培訓、小批量生產供貨服務。

為了推動鋁合金腕臂系統鑄鋁件重力鑄造事業的發展，通過產學研的戰略合作模式，可以為重力鑄造企業提供如下的一流的完美解決方案：（1）提供新產品的工藝開發咨詢服務——解決小批量產品試制問題，為產品設計研發提供同步開發服務，國外零件國產化的試制開發；（2）提供批量化生產的全套工藝與裝備的交鑰匙工程服務，實現產品快速批量化投產； （3）提供增值服務為導向的多種合作模式——小批量試生產合作，試制開發費用的合資與合作，批量生產車間的同步規劃與提供。

4 結束語

近年來，通過引進消化吸收再創新國外先進設計制造管理技術，我們已全面實現了高速電氣化接觸網關鍵零件國產化，鋁合金腕臂系統鑄鋁件重力鑄造工藝產品質量已經比較成熟，同時和國內一些高校科研院所進行了多種模式的合作，取得了良好的效果，特別是上百萬件鑄鋁件大規模批量投產并廣泛應用于國內眾多線路如京滬、哈大等高速鐵路的腕臂裝置、定位裝置等，提升了我國電氣化鐵道牽引供電系統設備質量水平，為實現我國高鐵事業的宏偉藍圖做出了一定的貢獻。

參考文獻

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