高鐵鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件重力鑄造技術(shù)

摘 要：近年來，隨著我國高鐵事業(yè)的迅速發(fā)展，作為供電系統(tǒng)的核心部件接觸網(wǎng)零件應(yīng)用廣泛，文章主要介紹了鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件產(chǎn)品、制造工藝、裝備三者相結(jié)合的關(guān)系，論述了現(xiàn)代重力鑄造工藝技術(shù)的開發(fā)、現(xiàn)代重力鑄造裝備技術(shù)的應(yīng)用，提出通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的運作模式，為鋁合金重力鑄造車間提供最一流的服務(wù)方案。

關(guān)鍵詞：鋁合金鑄鋁件產(chǎn)品；重力鑄造技術(shù)；工藝；裝備；產(chǎn)學(xué)研

引言

進入21世紀(jì)，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)峻，以高速度、大容量、低污染、低能耗、安全可靠著稱的高速鐵路作為適應(yīng)現(xiàn)代文明和社會進步的高科技產(chǎn)品將大大降低交通運輸?shù)纳鐣杀荆s短了時空距離，從而產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益。

接觸網(wǎng)是鐵路客運專線和高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的主體和關(guān)鍵，在接觸網(wǎng)中鋁合金零部件又是其核心技術(shù)產(chǎn)品，它直接關(guān)系到客運專線和高速鐵路的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，輕量化、耐腐蝕是鋁合金鑄鋁件發(fā)展的強大動力，發(fā)展鋁合金鑄造是順應(yīng)高速電氣化鐵路發(fā)展的必然所在。

1 工藝為產(chǎn)品服務(wù)

1.1 系統(tǒng)分析開發(fā)鋁合金零部件鑄造工藝

科學(xué)的鑄造技術(shù)見圖1

圖1 科學(xué)的鑄造技術(shù)

1.2 鑄造凝固模擬技術(shù)的應(yīng)用

在進行重力鑄造模具設(shè)計的時候，傳統(tǒng)鑄件的生產(chǎn)設(shè)計往往依靠技術(shù)人員的實際工作經(jīng)驗，缺乏科學(xué)的理論依據(jù)，特別是對于復(fù)雜件及重要受力的鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件，生產(chǎn)中往往要反復(fù)的修改鑄件結(jié)構(gòu)或鑄造工藝來達到最終的技術(shù)要求，這種“經(jīng)驗+試驗”的工藝方法，導(dǎo)致出現(xiàn)研制周期長、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端，運用鑄造專業(yè)模擬軟件可以對鑄件凝固過程進行數(shù)值模擬，根據(jù)鑄件的需要，輸入合適的邊界參數(shù)，對鑄件充型、排氣、凝固狀態(tài)進行模擬，直觀預(yù)測鑄件的質(zhì)量及可能發(fā)生的缺陷，以幫助獲得最終的最優(yōu)秀的工藝設(shè)計，如圖2所示。

圖2 典型鑄鋁件定位制作凝固模擬澆鑄及有限元分析

1.3 模具溫度場的控制調(diào)節(jié)

模具與鋁液之間熱交換關(guān)系非常密切，模具溫度場的分布和穩(wěn)定與否，對鑄件質(zhì)量、模具壽命和生產(chǎn)效率等都有著重要的影響，直接關(guān)系到鑄造生產(chǎn)的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益，鋁合金重力鑄造可采用天然氣加熱系統(tǒng)，溫度控制在300～350℃左右，通過手持式熱電偶可以測模具實時溫度，但是由于季節(jié)因素模具溫度容易受周圍環(huán)境溫度影響，為了防止鑄鋁件產(chǎn)生氣孔、冷隔、澆不足和縮孔缺陷，在模具上建立可人為調(diào)控的模具溫度場，通過設(shè)置風(fēng)冷及水冷系統(tǒng)、控制加熱系統(tǒng)，用于模具的加熱冷卻。

傾轉(zhuǎn)澆注是模具在傾轉(zhuǎn)重力澆鑄機上進行傾轉(zhuǎn)澆注的一種先進的澆注工藝，由于傾轉(zhuǎn)澆注時合金液流平穩(wěn)，對模具型腔的沖刷力小，避免了合金液流在澆道中或型腔內(nèi)的紊流或飛濺，能實現(xiàn)合金液流在模具型腔中的層流充填，因而可得到組織致密、機械性能較高的鑄件，目前如腕臂系統(tǒng)關(guān)鍵受力件70支撐線夾本體、42-55定位支座本體等鑄鋁件，通過傾轉(zhuǎn)工藝的實施，鋁合金液體在模具中的充型和排氣良好，有效的減少了氣孔和縮孔現(xiàn)象的發(fā)生。

2 裝備為產(chǎn)品服務(wù)

2.1 傾轉(zhuǎn)式鑄機與產(chǎn)品的融合

針對鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件結(jié)構(gòu)的需要和工藝的需求，要求重力鑄造設(shè)備的設(shè)計制造能夠滿足不同產(chǎn)品工藝需要，目前鑄造車間使用的是傾轉(zhuǎn)重力鑄造機，其主要由底座、床身、左右開合型及頂出機構(gòu)、下頂出機構(gòu)、前后抽芯機構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等組成，在傾轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下，床身可整體向前傾轉(zhuǎn)最大45角度的隨意傾轉(zhuǎn)，主界面可實現(xiàn)多種鑄造工藝、自動模溫控制、快速裝卸模具等各項功能。

2.2 高質(zhì)量的模具設(shè)計與制造技術(shù)

準(zhǔn)確全面的CAD設(shè)計是模具制造技術(shù)的基礎(chǔ)，采用三維造型與斷面剖析技術(shù)，能準(zhǔn)確地反映出產(chǎn)品的幾何要求，將砂芯的三維造型組裝在模具結(jié)構(gòu)的三維造型中，能直觀準(zhǔn)確地設(shè)計出符合設(shè)備及產(chǎn)品要求的模具結(jié)構(gòu)。用專業(yè)的CAM編程軟件對模具的流道裝置及型腔進行編程計算，并采用世界先進的多軸高速銑和高速雕刻加工中心等現(xiàn)代化設(shè)備，制造出高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)模具。

2.3 精確零活的制芯設(shè)備

隨著熱芯盒制芯工藝在有色鑄造上的成熟普遍應(yīng)用，近幾年熱芯盒制芯工藝在鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件的鑄造上得到了很大發(fā)展，通過將由液態(tài)熱固性樹脂黏結(jié)劑和催化劑配置成的覆膜砂，填入加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其黏結(jié)劑在很短時間即可縮聚而硬化，而且只要砂芯的表層有數(shù)毫米結(jié)成硬殼即可自芯盒取出，中心部分的砂芯利用余熱和硬化反應(yīng)放出的熱量可自行硬化。

2.4 工業(yè)機器人自動化重力鑄造

目前高鐵鋁合金腕臂系統(tǒng)零部件基本采用重力鑄造進行產(chǎn)品生產(chǎn)，澆注仍采用手工澆注，工作環(huán)境較艱苦，產(chǎn)品工藝與人員的技能經(jīng)驗關(guān)聯(lián)密切。

未來采用工業(yè)機器人代替人工澆注能給企業(yè)的成本、人力資源、安全生產(chǎn)、品質(zhì)管理帶來幫助，能使企業(yè)在激烈的市場競爭處于相對優(yōu)勢地位，同時也是自動化發(fā)展的必然要求，采用現(xiàn)代化的重力鑄造技術(shù)，實現(xiàn)機器人的下芯、澆注、取件三個功能，還可與鑄件輸送冷卻系統(tǒng)等外圍設(shè)備組成自動生產(chǎn)線。

2.5 外圍設(shè)備的配套開發(fā)技術(shù)

為滿足高鐵鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件重力鑄造工藝的需要，鑄造車間不僅要大力推廣應(yīng)用上述的先進核心重力鑄造裝備，還需使用一些配套的先進技術(shù)裝備，貫穿所有鑄造環(huán)節(jié)，形成完善、實用的重力鑄造生產(chǎn)線。目前已引進和聯(lián)系廠家制造出下述的外圍配套設(shè)備：引進鋁合金旋轉(zhuǎn)凈化儀，用于鋁液的精煉及除氣，引進德國IDECO公司鋁合金密度當(dāng)量測試儀，通過采用缺陷放大原理，測試終端試驗密度從而可以反映出鋁合金的缺陷程度；引進德國IDECO公司鋁合金熱分析儀，用于全自動分析和檢測鋁合金的變質(zhì)和晶粒細化程度；引進美國GE公司無損X射線探傷機；協(xié)助開發(fā)熔煉保溫爐快接插頭，快速轉(zhuǎn)換保溫爐體，確保用電安全；協(xié)助開發(fā)多功能傾轉(zhuǎn)鑄機，未來可考慮引進砂芯除芯機等設(shè)備從而減少人工除芯帶來環(huán)境、安全及質(zhì)量問題。

3 產(chǎn)學(xué)研為鑄造車間提供一流的解決方案

隨著我國高速電氣化鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，接觸網(wǎng)零部件制造企業(yè)已全面實現(xiàn)高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵零件的國產(chǎn)化，但企業(yè)在試制開發(fā)生產(chǎn)鋁合金鑄鋁件和新建車間過程中面臨諸多困難，例如企業(yè)缺乏建造鋁合金重力鑄造車間的知識、缺乏國外牌號鋁合金鑄鋁件重力鑄造生產(chǎn)經(jīng)驗、不熟悉現(xiàn)代化的重力鑄造先進技術(shù)、沒有鑄件試制開發(fā)能力或手段、不能和研發(fā)設(shè)計單位同步開發(fā)鑄件等等。因此這就需要通過企業(yè)、科研院所和高等學(xué)校之間的合作，高校和企業(yè)自主聯(lián)合科技攻關(guān)與人才培養(yǎng)，共建研究中心、研究所和實驗室，一方面不僅為企業(yè)用戶提供信息咨詢和策劃重力鑄造車間的建造，而且還可以提供一流的熔煉設(shè)備、制芯設(shè)備、重力鑄造設(shè)備、模具設(shè)計、工藝制造為一體的核心解決方案；另一方面是利用鑄件樣件的試制開發(fā)手段和技術(shù)，為企業(yè)搭建鋁合金重力鑄造的孵化器，提供生產(chǎn)工藝培訓(xùn)、小批量生產(chǎn)供貨服務(wù)。

為了推動鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件重力鑄造事業(yè)的發(fā)展，通過產(chǎn)學(xué)研的戰(zhàn)略合作模式，可以為重力鑄造企業(yè)提供如下的一流的完美解決方案：（1）提供新產(chǎn)品的工藝開發(fā)咨詢服務(wù)——解決小批量產(chǎn)品試制問題，為產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)提供同步開發(fā)服務(wù)，國外零件國產(chǎn)化的試制開發(fā)；（2）提供批量化生產(chǎn)的全套工藝與裝備的交鑰匙工程服務(wù)，實現(xiàn)產(chǎn)品快速批量化投產(chǎn)； （3）提供增值服務(wù)為導(dǎo)向的多種合作模式——小批量試生產(chǎn)合作，試制開發(fā)費用的合資與合作，批量生產(chǎn)車間的同步規(guī)劃與提供。

4 結(jié)束語

近年來，通過引進消化吸收再創(chuàng)新國外先進設(shè)計制造管理技術(shù)，我們已全面實現(xiàn)了高速電氣化接觸網(wǎng)關(guān)鍵零件國產(chǎn)化，鋁合金腕臂系統(tǒng)鑄鋁件重力鑄造工藝產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)比較成熟，同時和國內(nèi)一些高?？蒲性核M行了多種模式的合作，取得了良好的效果，特別是上百萬件鑄鋁件大規(guī)模批量投產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于國內(nèi)眾多線路如京滬、哈大等高速鐵路的腕臂裝置、定位裝置等，提升了我國電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量水平，為實現(xiàn)我國高鐵事業(yè)的宏偉藍圖做出了一定的貢獻。

參考文獻

[1]田榮璋.鑄造鋁合金[M].湖南：中南大學(xué)出版社，2006.

[2]耿浩然，姜青河，李長龍，等.實用鑄件重力成形技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]聶小武.實用有色合金鑄造技術(shù)[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[4]王寧國.金屬型重力鑄造條件下的鋁合金鑄件生產(chǎn)技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2011（11）：174-177.

[5]江玉華.鋁合金重力鑄造行業(yè)機器人代替人工進行澆注作業(yè)的可行性研究[J].鑄造設(shè)備與工藝，2009（1）：28-30.