铁路双曲线桥墩墩帽圆弧模具成型工艺研究

Research Findings | 研究成果 |
·23·
（湖南远东钢模有限公司，湖南 湘潭 411300）
摘 要：铁路双曲线桥墩墩帽圆弧模具目前应用较为广泛，高铁项目几乎都会用到该类型的模具。

未接触过的人对于该模具的制作工艺会较为陌生，甚至无从下手。

本文结合不同的施工经验，不同的设备和不同的下料软件介绍三种铁路双曲线桥墩墩帽圆弧模具的制作工艺。

不同的工艺有不同的特点，对设备和下料有不同的要求，效果也会不一样，可根据自身的情况和客户的要求选取不同的工艺。

关键词：模具成型工艺；桥墩；双曲线；墩帽中图分类号：U448 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）06-0023-03
作者简介：沈承福（1982—），男，本科，助理工程师，研究方向：路桥钢模具设计与制造。

目前高铁项目中最为常见的桥墩形式为铁道部颁发的通桥（2009）4301-Ⅱ-05和通桥（2009）4301-Ⅱ-06两种墩型，这两种墩型外形类似，只是尺寸不一样，其墩帽都被称为双曲线花瓶墩帽。

这两种墩型适用于不同的墩高，前者主要适用于墩高小于等于14m 的桥墩，其墩颈尺寸为长×宽=6m ×2m ，墩顶尺寸为长×宽=7.8m ×3m ，墩身坡比为1∶0；后者主要适用于墩高大于14m 的桥墩，其墩颈尺寸为长×宽=6m ×2.3m ，墩顶尺寸为长×宽=7.8m ×3m ，墩身坡比为45∶1。

无论哪种墩型的墩帽，其模具的制作工艺具有相似性，而模具在制作过程中钣金的下料与成型尤为关键，本文就通桥（2009）4301-Ⅱ-05双曲线花瓶墩墩帽的钣金下料与成型工艺作一解说。

通桥（2009）4301-Ⅱ-05双曲线花瓶墩帽的外形结构尺寸图如图1所示，该墩型的圆弧部位表面为双曲线曲面，双曲线曲面在钣金中是非展开曲面，无法用钣金软件或者三维软件直接展开下料，必须人为地以直代曲做近似处理后才能够展开下料。

图1 墩帽外形结构尺寸图
图2 弦高控制示意图
图3 单元面板分块示意图
图4 单元结构示意图
图5 单元块展开图
1 以直代曲工艺
1.1 确定面板单元分块数
为了保证浇筑出来混凝土外表的流线型，确定双曲线顶帽的分块数是关键，根据施工要求以直代曲中直线与曲线之间的最大弦高应控制在3mm 以内，（如图2所示，d ＜3mm ）否则浇筑出来的混凝单元面板接口位置就会有明显的折印，直接影响混凝土的美观。

根据这一控制因素需要把2.75m 高的墩帽分成10
个小单元才能够满足施工要求，如图3所示。

1.2 单元块展开
单元块数确定好以后就得对每个单元块进行展开下料，取1单元块进行分析，每个单元块的结构如图4所示。

该结构可以通过钣金展开软件或者SolidWorks
三维软件直接展开下料，展开以后每个单元块的平面图如图5所示。

1.3 单元块的下料成型
由图5可知，每个单元块展开的平面图形为异形结构，需采用数控机床切割下料，下好料后再参照图4中R1和R2数据用卷板机对每个单元面板进行弯曲成型。

1.4 胎膜的制作
根据墩帽的混凝土外形尺寸在大的型钢上定点放样制作工装胎具，如图6所示，然后根据图纸编号A1
～A10
，从下往上把每个单元面板铆焊在工装胎具上。

2019年第6期
1.5 组焊
单元面板在工装胎具上锚固好后进行下一道工序——加筋加肋焊接：该工序焊接量较大，为减少焊接受热变形影响模具的外形尺寸从而导致拼装困难，需要遵循先铆焊后加焊、先外围焊后中间焊，尽量采用对称施焊的原则。

组焊完成后可下胎具进入后期处理过程，至此即完成了双曲线墩帽圆弧板的制作过程。

2 以直代曲压弧工艺
以直代曲压弧工艺是在以直代曲工艺基础上的一种革新，该工艺的面板单元分块由原来的10块变为了5块，如图7所示。

但是为了保证模具的精度要求和单元块之间的平顺过渡，该工艺增加了1道压弧的工序，同时也需要多配备1套自制的压弧设备，该工艺分为6个步骤。

2.1 确定面板单元分块数
为减少单元面板拼缝和单元面板之间的焊接，2.75m 高的墩帽参照图7所示依据以直代曲的原理把墩帽按5个单元面板进行分块。

图6 工装胎具示意图
图7 单元面板分块示意图
2.2 单元块展开
单元块数确定好以后，对每个单元块进行展开下料。

取1单元块进行分析，结构如图8所示。

该结构可以通过钣金展开软件或者SolidWorks三维软件直接展开下料，展开以后每个单元块的平面图如图9所示。

2.3 单元面板的下料和初成型
由图9可知，每个单元块的展开平面图形为异形，
图8 单元块结构示意图
图9 单元块展开图
需采用数控机床切割下料，下好料后再参照图4中R1和R2数据用卷板机对每个单元面板进行初次弯曲成型。

2.4 单元面板压弧成型
由于该工艺的单元面板的分块较大，如果直接铆焊会达不到模具的精度要求，单元面板之间无法实现平顺过渡。

为了解决该问题，对单元面板竖向进行二次压弧，使单元面板之间的直线对接变为弧形对接，如图10所示。

为了实现该工艺需要另外制作1套专用的压弧设备，该设备横向纵向都需要带弧形。

图10 压弧与不压弧单元板对接对比
2.5 胎膜的制作
该工序同以直代曲工艺工序，只是单元面板由10块变为了5块。

2.6 组焊
该工序及注意事项同以直代曲工艺。

3 整体成型工艺
整体成型工艺结合前两种工艺的优点来实现，分为6个步骤。

3.1 面板的分块和下料
整体成型工艺不能直接利用以直代曲单块整体展开下料，这样下出来的料与实际成型以后的料误差太大。

为了使下出来的料更精准更接近成型后的外形，我们采取工艺1中10块面板单元进行展开，再将10块面板整合成1块面板进行数控切割下料，如图11所示，当然这样下出来的料还是会比实际成型后的偏大，后期再做
适当的处理。

3.2 面板的成型
由于面板需要两个方向成弧，卷板机无法实现该效果，采用专用的压弧设备进行压弯成型。

压弧设备需要双向带弧，压弧过程根据图4中R1和R2的数据逐步压制。

同时，需要注意下口和1/4圆弧对接的方向是螺栓
Research Findings | 研究成果 |
·25·
图11 面板近似下料图
连接，这两个方向为控制方向。

这两个方向压弧到位后，把法兰和竖向对接边安装好并焊好，防止变形，其他两个方向为焊接边，尺寸稍微有些出入可人为修整，不会影响整体外表美观。

3.3 后期修整
由于下料时整合单元块面板An 与An-1之间存在缝隙，下料时取的是最大外轮廓下的料，且圆弧压制过程中面板会有拉伸，所以压制成型之后外形轮廓会比实际的高且长，成型后与图12的外形较为接近。

如图12所示，人为修整掉多余尺寸部分，由于需修整的位置后期还需要与加高层和三角板焊接，所以不会影响美观。

可以收集好修整的数据，下次下料时人为进行前期处理就可实现成型后期的修整环节。

该工艺有诸多不可控因素，首次制作不一定会很理想，但该工艺可实现墩帽整体无缝对接，对于外观质量是一大提升。

3.4 组焊
该工序根据筋的布置位置计算出相应的半径，数控下好料制作为小的单元件，最后再铆焊到成型的面板单元上，铆焊过程可以进一步消除压弧过程中存在的误差。

为避免焊接受热变形影响模具的外形尺寸从而导致拼装困难，需要遵循先铆焊后加焊、先外围焊后中间焊，尽量采用对称施焊的原则。

组焊完成后可进入后期处理过
图12 成型后期处理示意图
程，至此即完成整体成型双曲线墩帽圆弧板的制作过程。

4 结论
以上3种工艺可行性总结：首先，在误差允许范围内对模型的简化采用了近似取值法，既保证了工程质量的要求，又保证了可行性；其次，下料借助三维软件建模展开再采用数控机床切割下料，整个过程都是通过电脑控制，保证了异形构件的精准下料；最后，通过常规设备和专用设备进行卷弧压制成型，保证了双曲线圆弧墩帽模具的形成。

通过长吉高铁项目，沪昆高铁项目，大西高铁项目，商合杭高铁项目，赣深高铁项目等多个工程项目的实践验证，以上3种工艺均是可行的。

参考文献：
[1]厉军.QJ 10型自行式桥梁检测作业车液压传动系统[J].液
压与气动,1999(1):10-11.[2]刘园.新型自行式桥梁检修平台的研究与开发[D].济南:
山东大学,2012.[3]龚栋梁.桥梁检测车的研究与开发[D].
武汉:
武汉理工大
学,2009.。