熱壓成型復合材料鋼軌接頭夾板模具設計

蔣興雷，曾黎明

(武漢理工大學復合材料系，武漢 430070)

熱壓成型復合材料鋼軌接頭夾板模具設計

蔣興雷，曾黎明

(武漢理工大學復合材料系，武漢 430070)

對復合材料鋼軌接頭夾板的模具設計進行了理論上的分析，為了適應模壓成型工藝，對制件進行了一定的修改。以碳纖維/雙馬來酰亞胺預混料為原料，提出一套切實可行的模壓工藝參數，并根據工藝參數，對復合材料鋼軌接頭夾板模具進行設計，詳細地計算其各部分的尺寸，繪制CAD圖紙。

雙馬來酰亞胺；碳纖維；鋼軌接頭夾板；模壓成型；模具設計

1 引 言

目前，我國鐵路大部分為普通線路, 由于鋼軌接頭的存在,破壞了鋼軌的連續性,從而產生輪軌沖擊的附加力,使接頭區成為軌道上的薄弱環節,造成夾板的大量折損[1]。為了保證列車的正常運行，需要快速使用備用夾板進行替換，普通鋼鐵夾板因為極其笨重而不利于操作。纖維增強復合材料具有輕質高強、耐低溫、耐腐蝕等優異性能，并且具有獨特的可設計性，是制作備用鋼軌接頭夾板的理想材料。鋼軌接頭夾板的形狀較復雜，比較合適的成型方法就是模壓成型，而且模壓成型方法生產效率較高，制品尺寸準確，表面光潔，尤其對結構復雜的復合材料制品可一次成型，不會損壞復合材料制品性能。模壓成型的重要條件之一就是成型模具，因而設計一副簡單實用的成型模具是能否得到合格產品的首要條件。

2 設計依據

2.1 對模具的基本要求

對于模壓成型纖維增強復合材料制品，模具設計的優劣，很大程度上決定了其產品的質量，因而對纖維增強復合材料制品成型壓模有如下幾個方面的嚴格要求[2]：

(1)從模具使用的角度要求高效率、自動化、操作便利；

(2)從模具的制造角度要求結構合理、制造容易、盡量降低成本；

(3)從模具性能方面則要求能承受20～80 MPa的高壓，能耐成型時模壓料對模具的摩擦，在175～200℃下其硬度無顯著的降低，能耐模壓料及脫模劑的化學腐蝕；

(4)表面光滑，尺寸符合制品要求，在結構上要有利于模壓料的流動及制品的取出等等。

(5)一副壓模的費用十分昂貴，故當制品生產批量大時，才是經濟合算的，一副優良的壓模可生產25萬件以上的制品。

2.2 預混料工藝參數

復合材料鋼軌接頭夾板采用碳纖維/雙馬來酰亞胺預混料生產，其工藝指標[3]如表1。

3 設計分析與計算

3.1 產品圖紙的審查

制品形狀很不規則，其中有一些地方難以用模壓工藝成型，需要進行相應的修改。上表面的凹槽，在模壓成型中會使整個制件產生受力薄弱點，影響制品的質量，所以去掉凹槽，由后處理進行加工。制件側面的凹陷位置，會使制件無法脫模，而且修改后對制件的整個結構沒有影響，修改為兩側基本對稱的結構。

表1 碳纖維/雙馬來酰亞胺預混料工藝指標

圖1 60 kg/m接頭夾板的截面圖[4]

圖2 60 kg/m接頭夾板螺栓孔的位置和尺寸

圖3 修改后的60 kg/m接頭夾板的截面圖

圖4 修改后的60 kg/m接頭夾板俯視圖

3.2 壓模形式和壓制方向的選擇

碳纖維/雙馬來酰亞胺預混料的流動性不是很好，選用不溢式壓模較合適。從便于充模、脫模以及有利于壓力傳遞等諸多方面的因素綜合考慮，我們把成型方向定為：沿制品截面方向，從較寬面到窄面。這樣選擇具有以下幾個優點：上模結構簡單，有利于壓制時壓力傳遞均勻；采用閉式壓模，承壓面積大，則加料室高度可以降低，上模行程縮短，有利于模具制造和壓制時的工藝操作；下模成型面有一定斜度，有利于脫模。因為制品是狹長型的，為了充分利用液壓機，所以采用雙窩孔結構，兩個模具組合裝配。

3.3 確定分模面

采用封閉模分割法，對制品各個型面進行分析，確定壓模的簡單結構，然后對包容面進行分割，最后得到一具有水平分模面的壓模，其結構如圖5所示，A-A為分型面，Ⅰ為上模，Ⅱ為下模。

圖5 分模面示意圖

3.4 壓力計算及壓機選型

(1)壓力計算：

=4669 kN

(1)

式中，N為成型總壓力(kN)；P為單位面積成型壓力(MPa)；F為制品沿壓制方向的投影面積(mm2)。

(2)開模力計算：

P開=K·N=0.2×4669=934 kN

(2)

式中，P開為開模力(kN)；K為壓力系數，一般取20%～30%，本文取20%。

(3)壓機的選擇：

根據成型總壓力、開模力和制品的尺寸，選擇YQ32-500A型四柱液壓機，該機主要技術參數為：公稱力5 000 kN，頂出力1 000 kN，滑塊行程900 mm，工作臺面1 260×1 160 mm2。

3.5 模具零件尺寸計算

(1)加料室高度計算：

對于預混料，加料室與型腔體積之比可取為2∶1。

(3)

式中，V制品為制品體積(mm3)。

(2)下模壁厚計算：

確定下模或者模套的壁厚尺寸，須依據兩個因素：(1)強度計算；(2)模壁剛度。

本次設計選用45號鋼，鍍鉻厚度為0.015 mm。

[σ]b=203.3 MPa，安全系數大于3。

=27.6 mm

(4)

式中：[σ]b為45號鋼的許用應力(MPa)；C為下模壁厚(mm)；P為制品的單位成型壓力(MPa)；a為模壁橫斷面長邊長度(mm)；b為模壁橫斷面短邊長度(mm)。

復雜形狀的下模或模套壁厚尺寸的計算十分復雜，一般情況下都由設計者憑經驗確定。在玻璃鋼成型壓模設計中，往往為了延長壓模的使用壽命和考慮下模成型零件的安裝，在大多數情況下，都確定具有較大安全系數的下模壁厚尺寸。

所以依據設計要求，下模壁厚取30mm。

3.6 加熱功率的計算

W=0.24G(T2-T1)=0.24×630×(160-25)=20.4 kW

(5)

式中，W為加熱功率(W)；G為模具質量(kg)；T2熱壓溫度(℃)；T1為室溫(℃)。

4 繪制圖紙

根據設計內容繪制零件圖合裝配圖[5-7]。模具形狀及主要部件如圖6所示。

圖6 模具主要部件

[1] 劉麗東,高春平.我國鋼軌接頭夾板的使用現狀與急需解決的問題[J].中國鐵路科學,1999,20(1):96-101.

[2] 汪水平，曾黎明.GRP球閥體壓模設計[C]//玻璃鋼學會第十一屆全國玻璃鋼/復合材料學術年會論文集. 1995:276-278.

[3] 馬利鋒，胡曙輝.增強雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料研究[J].化工新型材料，2005,33(7):1-3.

[4] TB/T 2345-2008，43kg/m～75kg/m 鋼軌接頭夾板訂貨技術條件[S].2008.

[5] 梁淑君.塑料壓制成型速查手冊[M].北京：機械工業出版社，2010：161-200.

[6] 楊黎明，黃凱，李恩至，等.機械零件設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1986：20-114.

[7] 洪慎章.實用壓塑模具結構圖集[M].北京：化學工業出版社，2010:18-35.

Hot Press Forming Mold Design of Composite Rail Joint Plate

JIANG Xinglei, ZENG Liming

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Theoretical analysis of hot press forming mold design of composite rail joint plate is given. In order to meet the needs of mould pressing craft, the products was modified. With carbon fiber/bismaleimide premix as raw material, the paper put forward a set of reasonable technological parameters based on the actual application, and the moulds of composite rail joint plate has carried on the detailed calculation.

bismaleimide; carbon fiber; rail joint plate; hot press forming ; mold design

向小波(1975-)，男，湖北人，工程師。研究方向：復合材料應用。E-mail：xxb43suo@163.com.

2015-08-10)

曾黎明(1952-)，男，湖北人，教授。研究方向：功能復合材料。電話：13871436020， E-mail：lmzeng@whut.edu.cn.

作者簡介: 蔣興雷(1992-)，男，湖南人，碩士研究生。研究方向：聚合物基復合材料。E-mail：729405989@qq.com.