接觸網用中心錨結線夾本體鍛造工藝研究

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系統的重要裝置之一，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，對保持接觸網系統的正常狀態與列車的安全運行具有重要作用，中心錨結線夾一旦損壞，極易引發接觸網二次故障，因此中心錨結線夾本體鍛造工藝要求很高。傳統中心錨結線夾采用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，容易使鍛件出現填充不飽滿、內應力過大等問題。因此對接觸網用鋁青銅QAl10-4-4合金中心錨結線夾本體鍛造工藝進行優化勢在必行。

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的鍛造質量。坯料直徑過大容易產生折疊，降低模具壽命且造成不必要的浪費。直徑過小易發生填充不滿現象而整體報廢。

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，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K一般取4～7.1，這里取K=7；投影面積F=350cm2，將以上數值帶入公式1計算得到P=2450kN，鍛壓機噸位數值必須大于鍛造力，結合公司實際生產設備，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。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、準確地擺放到既定的位置，才能鍛出合格的產品。由于棒材與模具的接觸面積小，故容易發生滾動，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，這樣棒料就不會發生滾動。結合產品形狀和鍛壓過程特點，在下模表面與產品孔徑相對應的位置加工了凹槽，這樣既不會改變產品外形，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400t鍛壓機鍛打成型后，經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，質量穩定，符合量產需求。

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，經過鍛造工藝優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定狀態時，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展，接觸網用中心錨結線夾的鍛造工藝也在不斷的優化。采用力學性能優良的QAl10-4-4鋁青銅材料，可獲得耐腐蝕、耐磨損、耐疲勞的接觸網產品，有效提高鐵路安全，延長接觸網使用壽命，降低鐵路運營成本，對于高速鐵路的發展具有重要的意義。