劉文波

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

中心錨結裝置是接觸網(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)生整體竄動或接觸懸掛斷線時縮小事故范圍，對保持接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常狀態(tài)與列車的安全運行具有重要作用，中心錨結線夾一旦損壞，極易引發(fā)接觸網(wǎng)二次故障，因此中心錨結線夾本體鍛造工藝要求很高。傳統(tǒng)中心錨結線夾采用CuNi2Si材料制造，該材料具有較好的塑性，但強度相對較低，不能滿足高強度、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合金在鍛造時材料的流動性不強，容易使鍛件出現(xiàn)填充不飽滿、內(nèi)應力過大等問題。因此對接觸網(wǎng)用鋁青銅QAl10-4-4合金中心錨結線夾本體鍛造工藝進行優(yōu)化勢在必行。

1 鍛件結構分析

圖1 鍛造零件二維圖

線夾本體鍛件包容尺寸為108mm×29mm×8mm，材質為QAl10-4-4鋁青銅，鍛件重約0.17kg。線夾整體呈梯形，梯形長邊部位設計有一排均勻齒牙，用于夾持接觸線時增大摩擦，防止線夾與接觸線發(fā)生滑動，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乎后續(xù)的鍛造質量。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。直徑過小易發(fā)生填充不滿現(xiàn)象而整體報廢。

在選擇中心錨結線夾鍛件坯料直徑時，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有限仿真軟件進行鍛造過程仿真分析，綜合考慮設備、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 設備噸位的選擇

壓力機鍛造成型力按公式1進行計算：

式中，P為鍛壓時的鍛造力，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。對于形狀不復雜的鍛件，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計算得到P=2450kN，鍛壓機噸位數(shù)值必須大于鍛造力，結合公司實際生產(chǎn)設備，故選用400噸熱模鍛壓力機。

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→時效→拋丸→機加工→振動研磨→入庫。在中心錨結線夾本體的鍛造過程中，加熱設備選擇了功率為300kW中頻加熱爐。線夾坯料的鍛造溫度需要達到860℃±15℃。鍛造前需要將鍛模預熱到120℃～180℃左右，對模具進行加熱時，四周均勻加熱，QAl10-4-4鋁青銅需要在室溫時入爐，隨爐升溫至860℃±15℃具備鍛壓條件。模鍛時采用石墨潤滑劑對模具型腔進行潤滑，便于起模，先上后下均勻潤滑上下模，對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 鍛件模具設計

中心錨結線夾本體鍛造模具設計的重點在于棒料擺放位置的設計、齒形朝向設計、橋部及倉部設計。鍛壓成型過程中，只有將棒料平穩(wěn)、準確地擺放到既定的位置，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，這時需要在下模放料位置設計一道圓形凹槽，并保證該凹槽表面和棒料圓柱面相吻合，這樣棒料就不會發(fā)生滾動。結合產(chǎn)品形狀和鍛壓過程特點，在下模表面與產(chǎn)品孔徑相對應的位置加工了凹槽，這樣既不會改變產(chǎn)品外形，又能防止棒料滾動。圖2（a）為中心錨結線夾帶有凹槽的下模。

中心錨結線夾鋸齒數(shù)量多而形狀小，鍛打時存在不易填充飽滿的可能，為了使線夾鍛壓出完整的齒部，在模具設計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，壓力機帶動上模向下運動，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）為鍛模設計圖，為使坯料在鍛壓階段流動受阻力限制，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計，熱模鍛模具飛邊槽橋口與倉部關鍵尺寸主要根據(jù)鍛壓機噸位確定，當選用400T鍛壓機時，飛邊槽寬度選15mm，橋部高度選5mm。如圖2（b）所示。

圖2 鍛模的阻力墻結構示意圖

3 試制驗證及試驗

3.1 工藝試制及質量控制

經(jīng)400t鍛壓機鍛打成型后，經(jīng)測量各項尺寸滿足設計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，材料利用率達到了81%。鍛件精度高，質量穩(wěn)定，符合量產(chǎn)需求。

圖3 切邊后的中心錨結線夾

3.2 金相實驗

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。這種細小均勻的合金相排布比較致密，微觀組織中各個方向的位錯交叉分布，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線夾的表面磨痕明顯變細和淺，幾乎沒有凹坑，磨損程度較優(yōu)化前減輕，耐磨損性能增強。

圖4 鍛件金相圖

3.3 應力腐蝕試驗

應力腐蝕試驗參照《銅及銅合金加工材殘余應力檢驗方法》進行，在腐蝕性介質中，中心錨結線夾在緊固力矩達到設計規(guī)定狀態(tài)時，使用恒載荷試驗、斷裂力學實驗等方法對其進行應力腐蝕試驗，實驗結果均符合技術要求。

4 結語

隨著鍛造工藝的不斷發(fā)展，接觸網(wǎng)用中心錨結線夾的鍛造工藝也在不斷的優(yōu)化。采用力學性能優(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，延長接觸網(wǎng)使用壽命，降低鐵路運營成本，對于高速鐵路的發(fā)展具有重要的意義。