铜包钢接触线坯连续挤压包覆成形的实验研究

作者：东北大学 运新兵 宋宝韫 刘元文

欢迎访问e展厅 展厅 10 锻压/冲压/轧制设备展厅 压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ... 摘要：采用连续挤压包覆法生产铜包钢接触线坯是连续挤压技术的一次飞跃，铜能成功包覆在钢芯周围的关键是成形模具结构，本文通过实验研究，探讨了不同模具结构对铜包钢线坯成形的影响，分析了包覆成形失败的原因，并得到了优化的模具工艺参数，为铜包钢接触线坯的连续挤压包覆生产提供了技术依据。 关键词：接触线；铜包钢线坯；连续挤压包覆；模具结构 1 前 言 随着我国铁路向高速、电气化方向的发展，对接触线提出了更高的性能要求，即进一步提高接触线的张力，以提高接触线网的稳定性、波动传播速度和机车受流质量[1]。这就要求接触线在具有良好的导电性的同时还应具有较高的机械强度以及耐软化性能。铜包钢接触线在性能上兼备了钢的高强度、耐高温软化的机械性能和铜导电率高、接触电阻小的电性能，因而具有传导效率高、材料成本低、抗拉断力大、重量轻、耐磨损的特点，适应列车高速运行的要求。 铜包钢接触线的加工工艺是先制造铜包钢线坯，然后经多道次拉拔成形。铜包钢线坯的生产方法通常有铸造热压法、电镀法、包覆焊接法、浸涂上引法等。而能够用于铜包钢接触线坯生产的，目前只有日本采用浸涂上引法[2]。但是，这种方法每次浸涂的铜层很薄，需要反复浸涂，难以一次加工出适于作接触线坯的厚包覆层产品，并且其最高生产速度只有20m/min。为此，本文提出了一种新的铜包钢线生产工艺──连续挤压包覆。 本文对铜包钢线坯的连续挤压包覆成形进行了实验研究，该实验在自行研制的连续挤压包覆机上完成，通过不同模具结构及工艺参数的实验，探讨了包覆成形中金属的流动规律，获得了优化的模具工艺参数。 2 连续挤压包覆原理 连续挤压包覆的基本原理是利用摩擦力作为动力进行挤压。在连续挤压工艺方法的基础上，将靴座置于挤压轮的上部，这样允许芯线穿过型腔，从而使包覆材料直接或间接地包覆在芯线上，并与芯线同时从模口挤出，形成包覆产品，其工作原理如图1所示。这种工艺使金属处于热塑性三向压应力状态，组织致密，缺陷少，依靠模具成形，尺寸精度高，被誉为“有色金属成形技术的重大突破”。 金属直接挤压包覆在芯线上的工艺称为直接包覆。铜包钢线坯的生产采用的就是这种直接包覆工艺。该工艺具有工艺简单，可连续生产；铜杆料无须加热；变形金属受力状态好，组织致密；材料利用率高；包覆层厚度可在较大范围内任意调节等一系列优点[3]。 3 实验准备 3.1 实验装置 实验采用自行研制的SLJB350连续挤压包覆机，并配备芯线放线机、芯线校直机、芯线预热装置、铜杆放线机、铜杆校直机、产品冷却系统和产品牵引机等辅助设备。 3.2 实验模具 铜包钢线连续包覆成形所用的工装模具如图2所示，由模腔、导向模和凹模组成。为了研究模具结构对包覆成形的影响，本实验采用两种导向模结构形状（如图3）。 3.3 试样 覆层材料为99.95％的上引无氧纯铜杆，直径为Φ12.5mm；芯线为高碳钢，直径为Φ5.6mm。 4 实验结果与分析 4.1 导向模结构对包覆成形的影响 在采用I型导向模时，其结构使金属易于流向模口，金属流动阻力小，设备扭矩只有3.76吨•米，温度460℃。这种情况下，十分有利于挤压成形，但对于包覆成形，由于进入模腔的金属无均流过程，因此无法包覆在钢芯周围，而是直接冲击在钢芯上，使其弯曲甚至折断（如图4），导致包覆成形不能实现。 在采用II型导向模时，进入模腔的金属被导向模劈刀分流为两股料后再在钢芯周围汇合，经凹模实现包覆成形，如果工艺参数合适，可以获得表面质量光亮，焊合性能良好的铜包钢线。然而，这种结构由于增加了流动接触面积，从而在一定程度上增加了变形阻力，使设备扭矩加大。 4.2 导向模与凹模间隙对包覆成形的影响 采用II型导向模时，导向模与凹模间隙是一个重要的工艺参数，它不但影响变形抗力，而且关系到包覆成形能否实现。 图5是不同间隙下设备变形扭矩变化曲线。按照最小阻力定律，金属总是向着阻力最小的方向流动。当导向模与凹模间隙很小时，金属流向此处的阻力很大，于是沿导向模劈刀向两侧分流，使金属均匀包覆在钢芯周围，有利于实现包覆成形，但同时会增加变形阻力，从而使设备扭矩增加。随着间隙的增加，变形扭矩不断减小，这是因为间隙处的阻力逐渐减小，从模腔口进来的坯料更容易流向间隙处，而向导向模两侧流动的金属减少，于是有更多的金属直接流向凹模，冲击在钢芯上，使钢芯弯曲甚至折断。 由实验可知，当导向模与凹模间隙小于0.4时，变形扭矩急剧上升，工模具承受较大的载荷，严重时会破坏工模具，也会使设备过载；当间隙值大于1时，钢芯被冲到一边，难以完成包覆成形。因此，间隙值取0.4～1之间为宜。图6是采用II型导向模，间隙值取0.5时，经过连续挤压包覆成形获得的铜包钢线坯。 5 结论 （1）II型导向模由于具有分流金属的作用，因此更适合用于铜包钢线坯的连续挤压包覆成形。 （2）采用II型导向模时，导向模与凹模的间隙是决定包覆成形的关键因素。间隙太小，会降低工模具寿命；间隙太大，难以实现包覆成形。 （3）在连续挤压包覆过程中，变形扭矩随着导向模与凹模间隙的增加而降低。 参考文献 [1] 黄崇祺. 轮轨高速电气化铁路接触网用接触线的研究[J]. 中国铁道科学, 2001,22(1)：1-5 [2] 赵永清. 日本高速铁路接触网简介[J]. 电气化铁道，1998，(1)：32-38 [3] 高飞,宋宝韫,张新宇等. 连续挤压包覆技术在铝包钢丝生产上的应用[J]. 金属制品, 1999,25(1)：20-23 国家自然科学基金资助项目（50175012）。 运新兵 E-mail：yunxb@dlru.edu.cn(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/8/2006)