精（jīng）密加（jiā）工（gōng）案例：T2銅套反（fǎn）向冷擠壓模具設計


編者按


結合T2銅套產品加工實例，開發了（le）一套反向冷擠壓模具，對實心銅棒進行反向冷擠壓，最（zuì）終（zhōng）達到設計要求。反向冷擠壓技術改變了銅套傳（chuán）統的加工製造方式，大幅度提升了產品生產效率（lǜ）和產品質量（liàng），原材料節省（shěng）超過50%。模具中創新性地設計了（le）小錐度（≤5°）圓台式結構的凸模和凹模，巧妙地解決了（le）銅套的脫（tuō）模問題和壓（yā）製過程中（zhōng）的排氣問題，有效保（bǎo）證了產品質量（liàng）的穩定（dìng）性。試驗中用反向冷擠壓模具壓製T2銅套，單件加工綜合成本僅為傳統方式的1.6%，極具推廣價值。


1    序言


金屬擠壓技術可以分為正向擠壓、反向擠壓（yā）和特殊擠壓三種[1]。我國對於（yú）正向擠壓技術開展研究的時間較早，可以追溯到20世紀60年代，不論是單動還是（shì）雙動，不論是擠壓鋁材還是銅材，都達到（dào）了較高的（de）水準，特（tè）別（bié）是近年來大型正向擠壓機的成功研製（zhì），更（gèng）是（shì）讓世界矚目，但是我國在反向擠壓方麵的研究起步較晚。受全球能源和（hé）人力資源短缺的影響，金屬冷擠壓製品的需求量（liàng）逐年增加（jiā），尤其（qí）是對精度高、批量大、原材料損耗多且費工費時的產品的需求，采用反（fǎn）向擠壓（yā）技術對我國經濟建設和節能減排政策落地實施有現實意義，開（kāi）展反向冷（lěng）擠壓技術研究對於解決人（rén）類能源危機和（hé）人（rén）力資源短缺有重要意義。


2    反（fǎn）向冷擠壓技術


反向擠壓技術是指金屬製品的擠出方向與所施（shī）加（jiā）擠壓（yā）力方向相反的一種金屬加工技術[2]。反向冷擠壓技術是指金屬材料在擠壓過（guò）程中不需要對擠壓（yā）金屬原（yuán）材料和擠壓工具進行（háng）加熱的一種金（jīn）屬鍛（duàn）壓加工方式（shì）。


（1）優點　與正向擠壓和特（tè）殊擠壓相（xiàng）比，反（fǎn）向擠壓具有多處較為明顯的優點。①擠壓力小，擠壓過程中錠坯與擠壓筒之間沒有摩擦，擠壓（yā）模具壽命長。②擠壓（yā）速度高，擠壓過程錠坯表麵溫度變化小。③擠壓質量比較穩定，擠壓過程中金屬變形抗力小，金屬橫斷麵的變形程度較均勻，幾乎沒有擠壓缺陷和晶粒粗大的趨勢，錠坯彈性（xìng）變形區大，不存在變形“死（sǐ）區”。④擠壓產生的廢料少（shǎo），能源消耗低，原材料浪費少。


（2）缺點　反向（xiàng）冷擠壓需要特製模（mó）具，模具改型成本（běn）高、周期長，因此反向冷擠壓技術主要應用在批量較大的場所。另外，由於利用模具加工，產品的尺寸精度和表麵質量無法達到高精密級別，所以反向冷擠壓（yā）技術一般應（yīng）用於表麵質量不高的零件加工。


3    T2銅套的生產工藝


（1）T2金屬屬性　我國純銅的牌號有（yǒu）T1、T2和T3三種，其中大量使用（yòng）的是T2銅。T2銅的銅含量高達99.90%以上，具有優良的（de）導電性﹑導熱性和良好（hǎo）的耐（nài）腐蝕性，適宜（yí）多種加工方式，主要用（yòng）作導電、導（dǎo）熱和耐（nài）腐蝕元器件等。


（2）銅套的工藝要求　某電（diàn）力設備上常用的導電銅（tóng）套實體如圖1所示，圖（tú）2為（wéi）其設計圖樣。該導電銅套（tào）外徑尺寸為45mm，內徑為35.4mm，外部長度（dù）為52mm，內部深度為45mm，外底部帶有一個φ22.3mm×4mm的凹坑。銅套外表麵的（de）表（biǎo）麵粗糙度值Ra為6.3μm，內表麵的（de）表麵粗糙度值Ra為3.2μm。


該導電銅套在高（gāo）壓供配電線路中主要用於活連接高壓通電線路，類似於接觸開關。銅套內表麵為工作麵，銅套內部不允許存在諸如毛刺、凹坑（kēng）、氧化皮、凸起及裂紋等表麵缺陷。此導電（diàn）銅套常規工（gōng）藝為車床加工，主要工序為銅棒車床鑽孔→精車內孔→掉頭車削加（jiā）工凹坑→車削工藝倒角。導電銅套車削工時折算約20min，產生的銅屑（xiè）廢料約為原材（cái）料銅錠坯的1/2。


a）頂部    b）外部    c）底部
1　導電銅套（tào）實體




2　導線銅套設計圖樣


4   反向冷擠壓模具的設計


（1）模具設計思路（lù）　導電銅套原材料采用T2銅，T2銅具有較好的塑（sù）性，在拉壓情（qíng）況下具有較好的金屬流動性和延展性，不易發生斷裂及表麵破（pò）損。隨著溫度（dù）升高，T2銅的抗拉強度和屈服極限均會下降（jiàng），更加有利於塑性變形。但是T2銅在熱加工過程中很容易發生氧化反應，特別是在銅（tóng）棒表麵，很容易產生黑色較硬的氧化皮，這些（xiē）氧化皮會大大降低製品（pǐn）的導電性（xìng）能，同時製品外觀也會出現很多黑色的氧化斑點，嚴重影響製品表麵質量。因此，對於銅材導（dǎo）電件（jiàn）應盡量避免采用熱加工工藝。


為（wéi）了不改變銅（tóng）套的導電、導熱性能及產品的外觀形狀，通常（cháng）銅材質的導電（diàn）件（jiàn）均采用（yòng）冷作加工。本文中導電（diàn）銅套的設計思路是利用金屬壓力機和成套模具，采用反向冷擠壓原理，對銅錠坯進（jìn）行冷作壓力加工，依靠壓力機驅動和上下模型配合，驅使銅錠坯發生反向塑性變形，從而達（dá）到製品工藝設計要求。


（2）成套模具（jù）的組成　T2銅套反向冷擠（jǐ）壓成套模具裝配如圖（tú）3所示（shì），模（mó）具裝配圖明細見表1。按照模具各部分所發揮的（de）作用，整套（tào）模具大致（zhì）可（kě）以分為凸模、凹模、脫模裝置和模具附屬裝置4個部分[3]。


凸模部分主要包括上模板、凸模墊板、凸模、凸模壓套及（jí）連接螺（luó）栓等（děng）零件。凸模（即模芯）設計是整套模（mó）具的（de）關鍵。凸模為1根階梯軸，按照功能（néng）可以分為3個部分——較細的頂端為工作部分，中間（jiān）為脫模裝置配合部分（fèn），較（jiào）粗的尾部為凸模與凸模壓套連接部分，即模芯的夾持部分。凸模材質為耐（nài）磨且強度（dù）、硬度較高的（de）冷作模（mó）具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端（duān）麵不允許有頂尖孔，支承端麵不允許（xǔ）有凹陷；凸模階梯（tī）軸各外徑回轉軸線的同軸度誤差≤0.01mm；凸（tū）模階梯軸安裝前需要進行（háng）淬（cuì）火＋回（huí）火處理，熱處理後凸模階梯軸硬度需達到61～63HRC；凸模工作部分在磨削加工前，表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，表麵不允許有凹凸不平現象，凸模留磨餘量≥0.1mm，磨削後還應研磨拋光（guāng），研磨量為0.01～0.02mm，研磨後的表麵粗糙度值Ra≤0.2μm。


凹（āo）模部分（fèn）主要包括下模板、凹模墊板、凹模墊塊、凹模座（zuò）、凹模（擠壓（yā）筒）和頂料杆等。凹模即為模具擠壓筒部分，外部結構采用（yòng）下粗（cū）上細的圓錐台式結構，裝配時將凹模嵌（qiàn）到凹模座中，凹模與（yǔ）凹（āo）模（mó）座為緊配合連接，有效避免了製品與凸模上行時把凹模一起帶出（chū）。凹模內徑的基本尺寸比製品（pǐn）設（shè）計的外徑基本尺寸大0.5mm，且為正向偏差，可以避免錠坯在擠壓過程中製品與凹模內壁發生摩（mó）擦，降低了擠壓力，延長了模（mó）具使用壽命。凹模材質也是冷作模具鋼Cr12MoV，且（qiě）經過淬火（huǒ）＋回火工藝，磨削加工後表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，留磨餘量0.1mm，研磨後（hòu）的表麵粗糙度值Ra必須≤0.2μm。頂料杆裝配在凹（āo）模（mó）底部，與凹模間隙配合，間隙為0.050～0.081mm，作用是（shì）支撐錠（dìng）坯受壓變（biàn）形，保證銅套底部形（xíng）狀及尺寸，同時與頂（dǐng）出杆配合一起推（tuī）動擠壓完成銅套製品上行，實現與凹模的分離。


3　模具裝配


1—上模板　2—導套　3—導柱　4、10、12、14、23、29—內六角螺釘　5—導套壓板（bǎn）　6—凸模墊（diàn）板（bǎn）　7—定位銷　8—凸模壓套　9—凸模　11—卸料環　13—卸件板　15—銅套製品　16—凹模（mó）　17—內預應力圈　18—矩形彈簧　19—外預應力圈　20—凹模座　21—頂料杆　22、24—凹模墊塊　25—導柱壓板　26—下模板（bǎn）　27—定位銷　28—頂（dǐng）出杆


表1 導電銅套冷（lěng）擠壓模具裝（zhuāng）配圖明細


（3）確定擠壓錠坯（pī）尺（chǐ）寸　要計算擠壓坯料尺寸，首先應計算坯料的體積。按照金屬塑性成型（xíng）原（yuán）理的體積（或（huò）質量）不（bú）變定律[4]，即坯料（liào）的體積V坯應該和製品的體積V製相等，可表示為：V坯＝V製。V製可以根據工藝設計尺寸計算，考慮到製品（pǐn）中有一些圓（yuán）弧、棱角等結構，在實際（jì）計算中很不方便，因此采用近似（sì）計算，將銅套製品簡化為圖4所示形狀（zhuàng），按照圖（tú）4中標注的尺寸近似計算（suàn）製品體積。


V製＝V總－V1－V2，體（tǐ）積（jī）的計算公式為V＝πr²h，則V製≈3.14×22.5²×52－3.14×17.7²×45－3.14×11.15²×4＝36831.1324（mm³）。錠坯擠壓前後外（wài）圓直徑沒有變化，為φ45mm，則錠坯高度H＝V坯/（πr²）＝V製/（πr²）≈36831.1324/（3.14×22.5²）＝23.17（mm）。


如果按照理論計算的尺寸23.17mm進行下料，經（jīng）過（guò）模具擠壓出來的銅套製品（pǐn）尺寸（cùn）很難達到設計要求，這是因為在實（shí）際設計工藝圖樣中（zhōng），銅（tóng）套製品（pǐn）結構中（zhōng）還存在（zài）圓角（jiǎo）、倒角等細微結構（gòu），鑒於零件結構（倒角、圓（yuán）角等工藝（yì））的細小改變，在（zài）經過20餘（yú）次反複試模試驗後，最終確定擠（jǐ）壓前銅棒的長度（dù）應該為圖片mm。


4　導電銅套體積折算（suàn）示意


5    模具設計的創新之處


（1）排出擠壓氣體（tǐ）　錠坯在擠壓過程中（zhōng），在封閉的擠壓筒內會產生氣體，這些氣體的存在會增大擠壓力，還有（yǒu）可能被擠入銅套製品中，在製品的表麵形成鼓包等，氣體壓力過大還可能引起銅套製品變形甚至凹模（擠壓筒）炸裂，所以在錠坯擠壓過程中必須合理導出擠壓氣體。


為了解決這一難題，在凸（tū）模的設計上（shàng）采（cǎi）用下粗（cū）上細的擠壓頭（tóu）結構，工作頭下部尺寸與銅套內徑尺寸相同，為φ35.4mm，凸模工作頭上部尺（chǐ）寸為φ35.3mm。根據相關行業經驗，在凸模工作部分的上下端各設計約5°的錐度，可以避免錠坯在反向冷擠壓過（guò）程中過度向（xiàng）外圍延伸，出現（xiàn）製品與模具內模腔緊配（pèi）合到一起的情況，不利於排氣和製品脫模；其次模具凹模設計時，擠（jǐ）壓筒的內（nèi）徑尺寸略大於錠坯（pī）尺寸，有利於擠壓氣體（tǐ）順利排出，同（tóng）時也避免了錠（dìng）坯與擠壓筒（tǒng）之間的接觸摩擦。凸模結（jié）構設計如圖5所（suǒ）示。


5　凸模（mó）結（jié）構


（2）銅套形狀回彈問題　整套模具設計有內、外預應力圈結構，有效避免了銅材在擠壓過程中發生應力集中現象，防止銅套（tào）形（xíng）狀回彈。這些結構設計有效解決了銅套製（zhì）品（pǐn）在反（fǎn）向冷（lěng）擠壓過程中產品的缺（quē）陷問題，大大降低了擠壓力，提高了（le）擠壓速度，並（bìng）且（qiě）金屬流（liú）動均勻，製品質量穩定、一致性高。


6    模具使用時的注意事項


此（cǐ）套模具在使用時還有以下注意事項：①T2錠坯放進凹模擠壓前必須去除毛刺並做倒角C1工（gōng）藝處理，以防劃傷凹模內壁。②T2錠坯擠壓前進行退火處理，加熱溫度（dù）710～720℃，保溫4h，隨爐冷卻，熱處理後銅棒硬度控製在38～42HB，1次退火處理約1萬件。③T2錠坯退火處理後進行汽油清洗、60～100℃熱水洗、冷水衝洗3個（gè）清潔環節，同時（shí）還要把錠坯放入濃度為400～800g/L的（de）工業硝酸溶液中去除（chú）銅棒氧化皮，最後利用濃度為40～60g/L的工業氫氧化鈉溶液衝洗錠坯，對（duì）其表麵（miàn）進行（háng）氧化處理，處理（lǐ）溫度50～70℃，處理時間3～5min[5]。④三層組合凹模壓合時，在常溫下用液壓機（jī）冷壓合。各圈的壓（yā）合次序（xù）為自外（wài）向內，即先將內預應力（lì）圈壓入外預應力圈中，再（zài）將凹（āo）模壓入內預應力圈中，壓出次序則（zé）與之（zhī）相（xiàng）反。壓合後（hòu）的內凹模的型腔尺寸有所收縮，必須進行修正，使得壓入後內凹模型腔尺寸為所需的尺寸。⑤模具裝配時上模板與下（xià）模板的上下平（píng）麵平行度公（gōng）差應為0.05mm，導（dǎo）柱與模（mó）板的垂直度（dù）公差應≤0.05mm，導套與模板的垂直（zhí）度公差應≤0.02mm。⑥凸模、凹模表麵在擠壓工作時，每（měi）一（yī）次擠壓（yā）都需要刷一次拉伸專（zhuān）用（yòng）油。


7    結束語


T2銅（tóng）套反向冷擠（jǐ）壓與常規車削（xuē）加工績效對比見表2。由表2可知，利用反向（xiàng）冷擠壓模（mó）具大約5s即可（kě）生產出1個（gè）銅套製品，考（kǎo）慮到錠坯的熱處理和清潔環節，綜合平均下來生產（chǎn）1個T2銅套的時間也在17s以內，而利用傳統車削加工方式生產1個銅套的時間約為1200s。同時，車削方式還會產（chǎn）生50%以上的廢料損耗，消耗的人工工時和能源動力是模具（jù）擠壓方式（shì）的179倍。模具反向擠壓產品的質量穩定，幾乎沒（méi）有廢品（pǐn）。利用反向冷擠壓模具生產銅套製（zhì）品是對機械零部（bù）件生產工藝的創新（xīn），大大提升了產品的生產效（xiào）率和質量穩定性（xìng），同時還可以減（jiǎn）少原材料的損耗和能源的消（xiāo）費，單件加（jiā）工綜（zōng）合成本僅為常規車削加工的6.32%。


該案例可以作為當代企業減能增效的典型案例，這種反向冷擠壓的加工理念正在逐步（bù）應用到（dào）不同牌號的鋼製產品（pǐn）中，隨著研究的深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域也一定（dìng）會越來越（yuè）寬。

文章出處：精密加工  T2銅套http://www.dlzxxx.cn/cn/info_15.aspx?itemid=691