分析鐵路接觸網鍛造工藝及模具結構設計

牛致森

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

如今，我國高鐵事業正快速發展，為適應這種發展要求，對接觸網各類零部件提出了更高的要求。對于鋁合金鍛件，由于其質量較輕、強度高且耐腐蝕能力強，所以在接觸網中得到了廣泛應用，如接觸網定位鉤。為滿足接觸網運行要求，一方面，要確定適宜的鍛造方法；另一方面，則要做好模具結構設計。

1 鐵路接觸網

接觸網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，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，接觸網是它的主構架，為電力機車提供電能，主要由五個部分組成，分別為基礎、支柱、懸掛、支撐與定位。

接觸網承擔將電能輸送至機車的任務，基于此，其質量與實際工作狀態對鐵路運輸能力有很大影響。接觸網直接露天設置，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，應能確保機車穩定取流，從機械結構角度講，接觸網應有足夠彈性且始終保持穩定。（2）接觸網上的設備與零件應有一定的互換性，并且還要抗腐蝕與耐磨，以延長整體的使用壽命。（3）接觸網對地要有良好的絕緣性，以保證安全可靠。（4）接觸網設備的結構應盡可能簡單，為施工提供方便，為之后的運營與維修創造良好條件。當發生事故時，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，接觸網都必須穩定地為機車輸送電能，使機車在線路上穩定、安全行駛，同時，在滿足以上要求的基礎上，還應減少投資，保證結構的合理性，為新技術的引入和應用奠定良好基礎。

伴隨著中國鐵路的高速發展，接觸網零部件作為鐵路的重要組成部分，簡統化零部件應運而生。簡統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

對于鋁合金而言，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在0.6%～0.7%范圍內選取，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，則收縮率可適當地減小。

2.2 鍛造溫度范圍相對較窄

不同的類型的鋁合金，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，生產中，生產的節拍可將生產要求作為依據來確定和調整。鍛造對溫度有著很高的要求，生產時，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，根據實測溫度，確定適宜的時間節拍，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生粗晶與裂紋。為達到這一目標，需要以鍛造生產特性為依據，結合零件結構，確定適宜的工藝路線，一般情況下，工藝路線為：先進行連續加熱，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 模具結構設計

以零件結構的主要特點為依據，采用彎曲工裝按照工藝要求對坯料實施彎曲，結合對工藝流程進行的安排，需將彎曲模具設置于高能螺旋壓機其中一側，由此完成彎曲的工序。

3.1 壓扁預鍛模具結構設計

對于預鍛模具，其結構設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，所以預鍛并不會產生太大的變形，能防止粗晶的產生和避免折疊。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進行準確計算，然后，根據計算的結果對用料進行調整，某些部位不出飛邊也能滿足要求。旋轉平雙耳如圖1所示。

圖1 旋轉平雙耳

3.2 終鍛模具結構設計

考慮到鋁合金對溫度十分敏感，而且鍛造的溫度區間也很狹窄，故終鍛過程中應在切邊以后再進行二次加熱，借助網帶形式的連續加熱裝置，其生產節拍可調整與控制，以不同的零件類型為依據進行調整。如前所述，在對鋁合金進行鍛造時，溫度區間很窄，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℃。對終鍛的模具結構進行設計時，應借助DEFORM實施模擬分析，然后，以模擬分析后得到的結果為依據，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，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 模鍛斜度設計與潤滑特點

相比之下，鋁合金有更大的摩擦系數，但容易發生粘模的現象，所以鋁合金的模段斜度要略大于鋼鍛件，此外，由于接觸網各個零部件鍛件通常情況下，外形不加工或實際加工量很少，所以一般而言，外模鍛的斜度需控制在3°～7°范圍內，而內模鍛的斜度則需要控制在2°～3°范圍內。潤滑主要采用油基石墨HYKOGEEN AL 2931MBA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的稀釋處理，保證模具型腔達到潤滑，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，避免模具被嚴重磨損，達到良好的潤滑效果。

圖2 銅合金終端錨固

3.4 飛邊槽結構設計

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，對飛邊槽結構進行設計時，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，還能在保證生產的基礎上，適當縮小一定坯料的體積，以節省更多的原材料。

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生變形，所以為了順利地取出鍛件，在設計過程中，一般要將復雜面留在下模，同時，設計專門的取鍛件槽。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，以此有效加快生產效率。

4 結語

綜上所述，當前的鋁合金鍛造生產正處在初期的摸索階段，無論是生產工藝還是生產效率，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蓬勃發展，對鋁合金鍛造件提出了迫切的需求，為鋁合金鍛造生產及發展帶來了新契機。