热压成型复合材料钢轨接头夹板模具设计

蒋兴雷，曾黎明

(武汉理工大学复合材料系，武汉 430070)

热压成型复合材料钢轨接头夹板模具设计

蒋兴雷，曾黎明

(武汉理工大学复合材料系，武汉 430070)

对复合材料钢轨接头夹板的模具设计进行了理论上的分析，为了适应模压成型工艺，对制件进行了一定的修改。以碳纤维/双马来酰亚胺预混料为原料，提出一套切实可行的模压工艺参数，并根据工艺参数，对复合材料钢轨接头夹板模具进行设计，详细地计算其各部分的尺寸，绘制CAD图纸。

双马来酰亚胺；碳纤维；钢轨接头夹板；模压成型；模具设计

1 引 言

目前，我国铁路大部分为普通线路, 由于钢轨接头的存在,破坏了钢轨的连续性,从而产生轮轨冲击的附加力,使接头区成为轨道上的薄弱环节,造成夹板的大量折损[1]。为了保证列车的正常运行，需要快速使用备用夹板进行替换，普通钢铁夹板因为极其笨重而不利于操作。纤维增强复合材料具有轻质高强、耐低温、耐腐蚀等优异性能，并且具有独特的可设计性，是制作备用钢轨接头夹板的理想材料。钢轨接头夹板的形状较复杂，比较合适的成型方法就是模压成型，而且模压成型方法生产效率较高，制品尺寸准确，表面光洁，尤其对结构复杂的复合材料制品可一次成型，不会损坏复合材料制品性能。模压成型的重要条件之一就是成型模具，因而设计一副简单实用的成型模具是能否得到合格产品的首要条件。

2 设计依据

2.1 对模具的基本要求

对于模压成型纤维增强复合材料制品，模具设计的优劣，很大程度上决定了其产品的质量，因而对纤维增强复合材料制品成型压模有如下几个方面的严格要求[2]：

(1)从模具使用的角度要求高效率、自动化、操作便利；

(2)从模具的制造角度要求结构合理、制造容易、尽量降低成本；

(3)从模具性能方面则要求能承受20～80 MPa的高压，能耐成型时模压料对模具的摩擦，在175～200℃下其硬度无显著的降低，能耐模压料及脱模剂的化学腐蚀；

(4)表面光滑，尺寸符合制品要求，在结构上要有利于模压料的流动及制品的取出等等。

(5)一副压模的费用十分昂贵，故当制品生产批量大时，才是经济合算的，一副优良的压模可生产25万件以上的制品。

2.2 预混料工艺参数

复合材料钢轨接头夹板采用碳纤维/双马来酰亚胺预混料生产，其工艺指标[3]如表1。

3 设计分析与计算

3.1 产品图纸的审查

制品形状很不规则，其中有一些地方难以用模压工艺成型，需要进行相应的修改。上表面的凹槽，在模压成型中会使整个制件产生受力薄弱点，影响制品的质量，所以去掉凹槽，由后处理进行加工。制件侧面的凹陷位置，会使制件无法脱模，而且修改后对制件的整个结构没有影响，修改为两侧基本对称的结构。

表1 碳纤维/双马来酰亚胺预混料工艺指标

图1 60 kg/m接头夹板的截面图[4]

图2 60 kg/m接头夹板螺栓孔的位置和尺寸

图3 修改后的60 kg/m接头夹板的截面图

图4 修改后的60 kg/m接头夹板俯视图

3.2 压模形式和压制方向的选择

碳纤维/双马来酰亚胺预混料的流动性不是很好，选用不溢式压模较合适。从便于充模、脱模以及有利于压力传递等诸多方面的因素综合考虑，我们把成型方向定为：沿制品截面方向，从较宽面到窄面。这样选择具有以下几个优点：上模结构简单，有利于压制时压力传递均匀；采用闭式压模，承压面积大，则加料室高度可以降低，上模行程缩短，有利于模具制造和压制时的工艺操作；下模成型面有一定斜度，有利于脱模。因为制品是狭长型的，为了充分利用液压机，所以采用双窝孔结构，两个模具组合装配。

3.3 确定分模面

采用封闭模分割法，对制品各个型面进行分析，确定压模的简单结构，然后对包容面进行分割，最后得到一具有水平分模面的压模，其结构如图5所示，A-A为分型面，Ⅰ为上模，Ⅱ为下模。

图5 分模面示意图

3.4 压力计算及压机选型

(1)压力计算：

=4669 kN

(1)

式中，N为成型总压力(kN)；P为单位面积成型压力(MPa)；F为制品沿压制方向的投影面积(mm2)。

(2)开模力计算：

P开=K·N=0.2×4669=934 kN

(2)

式中，P开为开模力(kN)；K为压力系数，一般取20%～30%，本文取20%。

(3)压机的选择：

根据成型总压力、开模力和制品的尺寸，选择YQ32-500A型四柱液压机，该机主要技术参数为：公称力5 000 kN，顶出力1 000 kN，滑块行程900 mm，工作台面1 260×1 160 mm2。

3.5 模具零件尺寸计算

(1)加料室高度计算：

对于预混料，加料室与型腔体积之比可取为2∶1。

(3)

式中，V制品为制品体积(mm3)。

(2)下模壁厚计算：

确定下模或者模套的壁厚尺寸，须依据两个因素：(1)强度计算；(2)模壁刚度。

本次设计选用45号钢，镀铬厚度为0.015 mm。

[σ]b=203.3 MPa，安全系数大于3。

=27.6 mm

(4)

式中：[σ]b为45号钢的许用应力(MPa)；C为下模壁厚(mm)；P为制品的单位成型压力(MPa)；a为模壁横断面长边长度(mm)；b为模壁横断面短边长度(mm)。

复杂形状的下模或模套壁厚尺寸的计算十分复杂，一般情况下都由设计者凭经验确定。在玻璃钢成型压模设计中，往往为了延长压模的使用寿命和考虑下模成型零件的安装，在大多数情况下，都确定具有较大安全系数的下模壁厚尺寸。

所以依据设计要求，下模壁厚取30mm。

3.6 加热功率的计算

W=0.24G(T2-T1)=0.24×630×(160-25)=20.4 kW

(5)

式中，W为加热功率(W)；G为模具质量(kg)；T2热压温度(℃)；T1为室温(℃)。

4 绘制图纸

根据设计内容绘制零件图合装配图[5-7]。模具形状及主要部件如图6所示。

图6 模具主要部件

[1] 刘丽东,高春平.我国钢轨接头夹板的使用现状与急需解决的问题[J].中国铁路科学,1999,20(1):96-101.

[2] 汪水平，曾黎明.GRP球阀体压模设计[C]//玻璃钢学会第十一届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集. 1995:276-278.

[3] 马利锋，胡曙辉.增强双马来酰亚胺树脂基复合材料研究[J].化工新型材料，2005,33(7):1-3.

[4] TB/T 2345-2008，43kg/m～75kg/m 钢轨接头夹板订货技术条件[S].2008.

[5] 梁淑君.塑料压制成型速查手册[M].北京：机械工业出版社，2010：161-200.

[6] 杨黎明，黄凯，李恩至，等.机械零件设计手册[M].北京：国防工业出版社，1986：20-114.

[7] 洪慎章.实用压塑模具结构图集[M].北京：化学工业出版社，2010:18-35.

Hot Press Forming Mold Design of Composite Rail Joint Plate

JIANG Xinglei, ZENG Liming

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Theoretical analysis of hot press forming mold design of composite rail joint plate is given. In order to meet the needs of mould pressing craft, the products was modified. With carbon fiber/bismaleimide premix as raw material, the paper put forward a set of reasonable technological parameters based on the actual application, and the moulds of composite rail joint plate has carried on the detailed calculation.

bismaleimide; carbon fiber; rail joint plate; hot press forming ; mold design

向小波(1975-)，男，湖北人，工程师。研究方向：复合材料应用。E-mail：xxb43suo@163.com.

2015-08-10)

曾黎明(1952-)，男，湖北人，教授。研究方向：功能复合材料。电话：13871436020， E-mail：lmzeng@whut.edu.cn.

作者简介: 蒋兴雷(1992-)，男，湖南人，硕士研究生。研究方向：聚合物基复合材料。E-mail：729405989@qq.com.