劉文波

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

中心錨結(jié)裝置是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要裝置之一，其作用是防止錨段在溫度變化等因素下發(fā)生整體竄動(dòng)或接觸懸掛斷線時(shí)縮小事故范圍，對(duì)保持接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常狀態(tài)與列車的安全運(yùn)行具有重要作用，中心錨結(jié)線夾一旦損壞，極易引發(fā)接觸網(wǎng)二次故障，因此中心錨結(jié)線夾本體鍛造工藝要求很高。傳統(tǒng)中心錨結(jié)線夾采用CuNi2Si材料制造，該材料具有較好的塑性，但強(qiáng)度相對(duì)較低，不能滿足高強(qiáng)度、大張力的發(fā)展需求。由于鋁青銅QAl10-4-4合金具有較高的強(qiáng)度和硬度，符合接觸網(wǎng)零部件的大張力、耐疲勞的要求，但是由于鋁青銅QAl10-4-4合金在鍛造時(shí)材料的流動(dòng)性不強(qiáng)，容易使鍛件出現(xiàn)填充不飽滿、內(nèi)應(yīng)力過大等問題。因此對(duì)接觸網(wǎng)用鋁青銅QAl10-4-4合金中心錨結(jié)線夾本體鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化勢(shì)在必行。

1 鍛件結(jié)構(gòu)分析

圖1 鍛造零件二維圖

線夾本體鍛件包容尺寸為108mm×29mm×8mm，材質(zhì)為QAl10-4-4鋁青銅，鍛件重約0.17kg。線夾整體呈梯形，梯形長(zhǎng)邊部位設(shè)計(jì)有一排均勻齒牙，用于夾持接觸線時(shí)增大摩擦，防止線夾與接觸線發(fā)生滑動(dòng)，線夾除兩處通孔和兩處螺紋孔之外，其余面均為非加工面，尺寸精度要求較高。圖1為中心錨結(jié)線夾二維圖。

2 鍛件工藝分析

2.1 確定鍛造坯料直徑

正確選擇符合產(chǎn)品要求的鍛造線夾坯料直徑，坯料直徑的適合與否關(guān)乎后續(xù)的鍛造質(zhì)量。坯料直徑過大容易產(chǎn)生折疊，降低模具壽命且造成不必要的浪費(fèi)。直徑過小易發(fā)生填充不滿現(xiàn)象而整體報(bào)廢。

在選擇中心錨結(jié)線夾鍛件坯料直徑時(shí)，考慮到便利性以及安全性，又要盡量減少棒料的高徑比。采用Deform-3D有限仿真軟件進(jìn)行鍛造過程仿真分析，綜合考慮設(shè)備、模具、鍛件成形效果等因素，初步選用Φ19mm×97的棒料，重量為0.21kg。

2.2 設(shè)備噸位的選擇

壓力機(jī)鍛造成型力按公式1進(jìn)行計(jì)算：

式中，P為鍛壓時(shí)的鍛造力，單位為kN；K為毛坯的變形抗力系數(shù)，主要由鍛件的復(fù)雜程度決定，單位為10kN/cm2；F為鍛件在分模面上的投影面積，包括毛邊和橋部面積，單位為cm2。對(duì)于形狀不復(fù)雜的鍛件，系數(shù)K一般取4～7.1，這里取K=7；投影面積F=350cm2，將以上數(shù)值帶入公式1計(jì)算得到P=2450kN，鍛壓機(jī)噸位數(shù)值必須大于鍛造力，結(jié)合公司實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備，故選用400噸熱模鍛壓力機(jī)。

2.3 模鍛工藝方案及加熱溫度

鍛壓工藝過程為下料→加熱→鍛壓→切邊→時(shí)效→拋丸→機(jī)加工→振動(dòng)研磨→入庫。在中心錨結(jié)線夾本體的鍛造過程中，加熱設(shè)備選擇了功率為300kW中頻加熱爐。線夾坯料的鍛造溫度需要達(dá)到860℃±15℃。鍛造前需要將鍛模預(yù)熱到120℃～180℃左右，對(duì)模具進(jìn)行加熱時(shí)，四周均勻加熱，QAl10-4-4鋁青銅需要在室溫時(shí)入爐，隨爐升溫至860℃±15℃具備鍛壓條件。模鍛時(shí)采用石墨潤滑劑對(duì)模具型腔進(jìn)行潤滑，便于起模，先上后下均勻潤滑上下模，對(duì)潤滑劑量的控制既要起到良好的潤滑作用，又不能有潤滑液殘留在模具型腔內(nèi)。鍛造溫度過高容易造成過燒缺陷，溫度過低材料流動(dòng)性差不易于成形，此外，需要注意的是在鍛造過程中一次裝爐量不宜過多，以此來保證升溫速度。

2.4 鍛件模具設(shè)計(jì)

中心錨結(jié)線夾本體鍛造模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于棒料擺放位置的設(shè)計(jì)、齒形朝向設(shè)計(jì)、橋部及倉部設(shè)計(jì)。鍛壓成型過程中，只有將棒料平穩(wěn)、準(zhǔn)確地?cái)[放到既定的位置，才能鍛出合格的產(chǎn)品。由于棒材與模具的接觸面積小，故容易發(fā)生滾動(dòng)，這時(shí)需要在下模放料位置設(shè)計(jì)一道圓形凹槽，并保證該凹槽表面和棒料圓柱面相吻合，這樣棒料就不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)。結(jié)合產(chǎn)品形狀和鍛壓過程特點(diǎn)，在下模表面與產(chǎn)品孔徑相對(duì)應(yīng)的位置加工了凹槽，這樣既不會(huì)改變產(chǎn)品外形，又能防止棒料滾動(dòng)。圖2（a）為中心錨結(jié)線夾帶有凹槽的下模。

中心錨結(jié)線夾鋸齒數(shù)量多而形狀小，鍛打時(shí)存在不易填充飽滿的可能，為了使線夾鍛壓出完整的齒部，在模具設(shè)計(jì)階段充分考慮了填充問題，確定了齒形朝上的方針。鍛壓過程中，壓力機(jī)帶動(dòng)上模向下運(yùn)動(dòng)，棒料受到上模向下的沖擊力，反之，上模則受到棒料向上的反作用力，故帶有齒形的上模型腔容易填充飽滿。

圖2（a）為鍛模設(shè)計(jì)圖，為使坯料在鍛壓階段流動(dòng)受阻力限制，容納多余金屬并起排泄作用，模具飛邊槽橋口和倉部需要合理設(shè)計(jì)，熱模鍛模具飛邊槽橋口與倉部關(guān)鍵尺寸主要根據(jù)鍛壓機(jī)噸位確定，當(dāng)選用400T鍛壓機(jī)時(shí)，飛邊槽寬度選15mm，橋部高度選5mm。如圖2（b）所示。

圖2 鍛模的阻力墻結(jié)構(gòu)示意圖

3 試制驗(yàn)證及試驗(yàn)

3.1 工藝試制及質(zhì)量控制

經(jīng)400t鍛壓機(jī)鍛打成型后，經(jīng)測(cè)量各項(xiàng)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求且無折疊裂紋等缺陷，下料重量為0.21kg，鍛件重量為0.17kg，材料利用率達(dá)到了81%。鍛件精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，符合量產(chǎn)需求。

圖3 切邊后的中心錨結(jié)線夾

3.2 金相實(shí)驗(yàn)

在該鍛造工藝下，Cu-Al合金中析出了大量的K相組織，如圖4所示。這種細(xì)小均勻的合金相排布比較致密，微觀組織中各個(gè)方向的位錯(cuò)交叉分布，合金的塑性和延伸率得以提高。另一方面，經(jīng)該工藝加工的鍛件，基體組織ɑ相中滲入了硬而脆的共析體組織（ɑ+）相，這種分布均勻、硬度較高的組織使得合金強(qiáng)度和硬度有所提高。從圖4可以看出，經(jīng)過鍛造工藝優(yōu)化后的新型中心錨結(jié)線夾的表面磨痕明顯變細(xì)和淺，幾乎沒有凹坑，磨損程度較優(yōu)化前減輕，耐磨損性能增強(qiáng)。

圖4 鍛件金相圖

3.3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)參照《銅及銅合金加工材殘余應(yīng)力檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，在腐蝕性介質(zhì)中，中心錨結(jié)線夾在緊固力矩達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定狀態(tài)時(shí)，使用恒載荷試驗(yàn)、斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求。

4 結(jié)語

隨著鍛造工藝的不斷發(fā)展，接觸網(wǎng)用中心錨結(jié)線夾的鍛造工藝也在不斷的優(yōu)化。采用力學(xué)性能優(yōu)良的QAl10-4-4鋁青銅材料，可獲得耐腐蝕、耐磨損、耐疲勞的接觸網(wǎng)產(chǎn)品，有效提高鐵路安全，延長(zhǎng)接觸網(wǎng)使用壽命，降低鐵路運(yùn)營成本，對(duì)于高速鐵路的發(fā)展具有重要的意義。