精密加工（gōng）案例：T2銅套反向冷擠壓（yā）模具設計


編者按


結合T2銅套產品加工實例，開發了一套反向冷擠壓模具，對實心銅棒進行反向冷擠壓，最終達（dá）到設計要（yào）求（qiú）。反向冷（lěng）擠壓技術改變了銅（tóng）套傳統的加工製造方式，大幅度提升了產品生產效（xiào）率和產品質量，原材料節省（shěng）超（chāo）過50%。模具中創新性地設計了（le）小錐度（≤5°）圓台式結構的凸（tū）模（mó）和凹模，巧妙地解決了銅（tóng）套的脫模問題和壓製過程中的排氣問（wèn）題（tí），有效保證了產品質量的穩定性。試驗中用（yòng）反向冷擠壓模具壓製T2銅套，單件加（jiā）工綜合成本僅為傳統方式（shì）的1.6%，極具推廣（guǎng）價值（zhí）。


1    序言


金屬擠壓技術可以分為正向擠壓、反向擠壓和特殊擠（jǐ）壓三種[1]。我國對於正向擠壓技術開展（zhǎn）研究的時（shí）間較（jiào）早，可以追溯到20世紀60年代，不論是單動還是雙動，不論是擠（jǐ）壓鋁材還是銅材，都達到了較高的水準，特別是近年來大（dà）型正（zhèng）向擠壓機（jī）的成功研製，更是讓世界（jiè）矚目，但是我國在（zài）反向擠壓方麵的（de）研究起（qǐ）步較晚。受全球能源和人力資源短缺的影（yǐng）響，金屬冷擠壓製品的需（xū）求量逐年增加，尤其是（shì）對精度高、批量大、原材料損耗多且費工費時的產（chǎn）品的需求，采用（yòng）反向擠壓技（jì）術對我國經濟建（jiàn）設和節能減排政策落地實施有現實意（yì）義，開展反向冷擠（jǐ）壓技術研究對（duì）於解決人類能（néng）源危機（jī）和人力資源短缺有重要意義。


2    反向（xiàng）冷擠壓技術


反向（xiàng）擠（jǐ）壓技（jì）術是指金屬製品的擠出方（fāng）向與所（suǒ）施加擠壓力方向相反的一種金屬加工技術[2]。反向冷擠壓（yā）技術是指金屬材料在擠壓過程（chéng）中不需（xū）要對擠壓金屬原材料和擠壓工具進行加（jiā）熱的一種金屬鍛壓（yā）加工方式。


（1）優點（diǎn）　與正向（xiàng）擠壓和特殊（shū）擠壓相（xiàng）比，反向擠壓具有多處較為明顯的優點。①擠壓力（lì）小，擠壓過程（chéng）中錠坯與擠壓筒（tǒng）之間沒有摩擦，擠壓模具壽命（mìng）長。②擠壓（yā）速度高，擠壓過程錠坯表麵溫（wēn）度（dù）變化小。③擠壓質量比較穩定，擠壓過程中金（jīn）屬變形抗力小，金屬橫斷麵的變形程度較均勻，幾乎（hū）沒有擠壓缺（quē）陷和晶粒粗大的趨勢，錠坯彈性變形區大（dà），不存在變形“死區”。④擠壓（yā）產生的廢料少，能源消（xiāo）耗低，原材料浪（làng）費少。


（2）缺（quē）點（diǎn）　反（fǎn）向冷擠（jǐ）壓需要特製模具，模具改型成本高（gāo）、周期長，因此反向冷擠壓技術主要應用在批量（liàng）較大的場所。另外，由於利用模具加工（gōng），產品的尺寸精度和表麵（miàn）質（zhì）量無（wú）法達到高精（jīng）密級別（bié），所（suǒ）以（yǐ）反向冷擠壓技術一般應用於表麵（miàn）質量（liàng）不高的零件加（jiā）工。


3    T2銅套的生產工藝


（1）T2金屬屬性　我國純銅的牌號有T1、T2和T3三種，其中大量使用的是T2銅。T2銅的銅含量高達99.90%以上，具有優良的導電性﹑導熱性（xìng）和良好的耐腐蝕（shí）性，適宜（yí）多種（zhǒng）加工方式，主要用作導電、導熱和耐腐蝕元器件（jiàn）等。


（2）銅套的工（gōng）藝要求　某電力設（shè）備上常（cháng）用的導電銅套實體如圖1所示，圖2為（wéi）其設計圖樣。該導（dǎo）電銅套外徑尺寸為45mm，內徑為35.4mm，外部長（zhǎng）度為52mm，內部深度為（wéi）45mm，外底部帶有一個φ22.3mm×4mm的（de）凹坑。銅套外表麵的表麵粗糙度值Ra為6.3μm，內表麵的表麵粗（cū）糙度值Ra為3.2μm。


該導電銅套在高壓供配電線路中主要用於活連接（jiē）高壓通電線路，類（lèi）似於接觸開（kāi）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、氧（yǎng）化皮（pí）、凸起及裂紋等（děng）表麵（miàn）缺陷。此導電銅套常（cháng）規工藝為車（chē）床加工（gōng），主要工序為（wéi）銅棒車床鑽孔→精車內孔→掉頭車削加工凹坑→車削工藝倒角。導電銅套車削工時折算約20min，產生的銅（tóng）屑（xiè）廢料約為原材料銅錠坯的1/2。


a）頂部    b）外部    c）底部
1　導電銅套實體




2　導線銅套設（shè）計圖樣（yàng）


4   反向冷擠壓模具的（de）設計


（1）模具設計思路　導電銅套原材料采用T2銅（tóng），T2銅具有較好的塑性，在拉壓情況下具有較（jiào）好的金屬流動性和延展性，不易發生斷裂及（jí）表麵破損。隨著（zhe）溫度升高，T2銅的抗拉強度和屈服極限均會下降，更加有利於塑性（xìng）變形。但是T2銅在熱加工過程中很容易發生氧化反應，特（tè）別是在銅（tóng）棒表麵，很（hěn）容（róng）易產（chǎn）生黑色較硬的（de）氧化皮，這些氧化皮會大大降低製品的導電性能，同時製品（pǐn）外觀也會（huì）出現很多黑色的氧化斑點，嚴重影響製品（pǐn）表麵質量。因此，對於銅材導電件應盡量避免采用熱（rè）加工工藝。


為了不改變銅套的導電、導熱性（xìng）能及產品的外觀形狀，通（tōng）常銅材質的導電件均（jun1）采用冷作加（jiā）工。本文中導（dǎo）電銅套的設計思路是利用（yòng）金屬壓力機（jī）和成套模具，采用反向冷擠壓原理，對銅錠坯進行冷作壓力加工，依靠壓（yā）力機驅動和上下模型配合，驅使銅錠坯（pī）發生反向塑性變形，從而達到製品工藝設計要求。


（2）成（chéng）套模具的組成　T2銅套反向（xiàng）冷擠壓成套模具裝配如圖3所示，模具裝配圖明（míng）細見表（biǎo）1。按照模具各部分所發揮的作（zuò）用，整套模具大（dà）致可以分為凸模、凹模、脫模裝置和模具附屬裝置（zhì）4個（gè）部分[3]。


凸模部分主要包括上模板、凸模墊板、凸模、凸模壓套及連接（jiē）螺栓等零件。凸模（即模芯）設計是整套模（mó）具的關鍵。凸模為1根階（jiē）梯軸，按照功能可以分（fèn）為3個部分——較細的頂端為工作（zuò）部分（fèn），中間為脫模裝（zhuāng）置（zhì）配合部分，較粗的尾部為凸模與凸（tū）模壓套連接部分，即模芯的夾持部分。凸模材質為（wéi）耐磨且強度、硬度較高的冷作模具鋼（gāng）Cr12MoV；凸模下頂部工作端麵不允許有頂尖孔，支承端麵不允許有凹陷；凸模階梯軸各外徑回轉軸線的同軸度誤差≤0.01mm；凸模階梯軸安裝前需要進行淬火（huǒ）＋回火處理，熱處理後凸模階（jiē）梯軸硬（yìng）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（xǔ）有凹凸不平現象（xiàng），凸模留磨餘量≥0.1mm，磨削後還應研磨拋光，研磨量為0.01～0.02mm，研磨後的（de）表麵粗糙度值（zhí）Ra≤0.2μm。


凹模部分主要包括下模板、凹（āo）模墊板（bǎn）、凹模墊塊、凹模（mó）座、凹模（擠壓筒）和頂料杆等。凹模即為模具擠壓筒部分，外部結構采用下粗上細的圓錐台式結構，裝配時將凹模嵌到凹模座（zuò）中，凹模與（yǔ）凹模座為緊配（pèi）合（hé）連（lián）接（jiē），有效避免了製品與凸模上行時把凹模一起帶出。凹模內徑的基本尺寸比製品設計的外（wài）徑基本尺寸大0.5mm，且為正向偏差（chà），可以避免錠坯（pī）在擠壓過程中製品與凹模內壁（bì）發生摩擦，降（jiàng）低（dī）了擠壓（yā）力，延（yán）長了模具使用壽命。凹模材質也是冷作模具鋼Cr12MoV，且經過淬（cuì）火＋回火工藝，磨削加工後表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，留磨餘量0.1mm，研磨後的表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）Ra必須≤0.2μm。頂料杆裝配在凹模底部，與凹模間隙配合，間隙為0.050～0.081mm，作用是（shì）支（zhī）撐錠坯受（shòu）壓變形，保（bǎo）證銅套底部形狀及尺寸，同時與頂出杆配合一起推（tuī）動擠壓完成銅套製（zhì）品上行，實現與（yǔ）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（liù）角螺釘　5—導套壓板　6—凸模墊板　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　17—內預應力圈　18—矩（jǔ）形彈簧　19—外預應（yīng）力圈　20—凹模座　21—頂料（liào）杆　22、24—凹模墊（diàn）塊　25—導（dǎo）柱壓板　26—下模（mó）板　27—定位銷（xiāo）　28—頂出杆


表1 導電（diàn）銅套冷擠壓（yā）模具裝配圖明細


（3）確定擠壓（yā）錠坯尺寸　要計算擠壓坯料尺寸，首先應計算坯料的體積。按照（zhào）金屬塑性成型（xíng）原理的體（tǐ）積（或質量）不變定律[4]，即坯料的體積V坯應（yīng）該和製（zhì）品的體積V製相等，可表示為：V坯＝V製。V製可以根據工（gōng）藝設計尺寸（cùn）計算，考慮到製品中有一些圓弧、棱（léng）角等結（jié）構，在實際計算中很不（bú）方便，因此采（cǎi）用近似計算，將銅套製品簡化為圖4所示（shì）形狀，按照圖4中標注的尺寸近似計算製品體積。


V製（zhì）＝V總（zǒng）－V1－V2，體積的計算（suàn）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）。錠坯擠壓前後外圓（yuán）直徑沒有（yǒu）變化，為（wéi）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，經過模具擠壓出（chū）來的銅套製品尺寸很難達到設計要（yào）求，這是因為在實（shí）際設計工藝圖樣中，銅（tóng）套製（zhì）品結構中還存在圓角、倒角等細微結構，鑒於零件結構（gòu）（倒角、圓角（jiǎo）等工藝）的細小改變，在經過20餘次反複試模試驗後，最終（zhōng）確定擠壓（yā）前銅棒的長度應該為圖片mm。


4　導（dǎo）電銅套（tào）體（tǐ）積折（shé）算示意


5    模具設計的創新之處


（1）排出擠壓氣體　錠（dìng）坯在擠壓過程中，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，還有可能被擠入銅套製品中，在製品的表麵形成鼓（gǔ）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（yǐ）在錠坯擠壓過程中必須合理導出擠壓氣體。


為了解（jiě）決（jué）這一難（nán）題，在凸模的設計上采用下粗上細的擠（jǐ）壓頭結構，工作頭下部尺寸與銅套內徑尺寸相同，為（wéi）φ35.4mm，凸模工作頭上部尺寸為φ35.3mm。根據相關行業（yè）經驗，在（zài）凸模工作部分的上下端各設計約5°的錐度（dù），可以（yǐ）避免錠坯在反向冷（lěng）擠壓過程中過度向外圍延伸，出現（xiàn）製品與模具內模腔緊配合到一起的情（qíng）況，不利於排氣和製品脫模；其次模具凹模設計時，擠（jǐ）壓筒的內徑尺寸略大於錠坯尺寸，有利於擠壓氣體順利排出，同時也避免（miǎn）了錠坯與擠壓筒之間的接觸（chù）摩擦（cā）。凸模結構設計如圖5所示。


5　凸模（mó）結構


（2）銅套（tào）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，防止銅套形狀回彈。這些結構設計有效解決了銅套製品（pǐn）在反（fǎn）向（xiàng）冷擠壓過程中產（chǎn）品的缺陷（xiàn）問題，大大降低了擠壓力，提高（gāo）了擠壓速度，並且金屬（shǔ）流動（dòng）均勻，製品質量穩定、一致性（xìng）高。


6    模具使用時的注意事項


此套模具在使用時還有以下注意事項：①T2錠坯放進凹模擠（jǐ）壓前必須去除毛刺並做倒角C1工藝處理，以防劃（huá）傷凹模內壁。②T2錠坯擠壓前進行退火處理，加熱溫度710～720℃，保溫4h，隨爐冷（lěng）卻，熱處理（lǐ）後銅棒硬度控（kòng）製在38～42HB，1次退火處理約1萬件。③T2錠坯退火（huǒ）處理後進行汽油清洗、60～100℃熱水洗、冷水（shuǐ）衝洗（xǐ）3個清潔環節，同時還要把錠坯放入濃度為400～800g/L的工業硝酸溶液中去除銅棒氧化皮，最後利用濃度（dù）為40～60g/L的工業氫氧化鈉溶液衝洗錠坯，對其（qí）表麵進行氧化處理，處理溫度50～70℃，處理時間（jiān）3～5min[5]。④三層組合凹模壓合時，在常溫下用液壓機冷壓合。各圈（quān）的（de）壓合次序為自外向內，即先將內預應力（lì）圈壓入外預應力圈中，再將（jiāng）凹模壓入內預應力圈中，壓出次序則與之相反。壓合後的內凹模（mó）的型腔尺寸（cùn）有所收縮（suō），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模板的上下平麵平行度公差應為0.05mm，導柱與模板的垂直度公差應≤0.05mm，導套與模板的垂（chuí）直（zhí）度公差應≤0.02mm。⑥凸模、凹模表麵在擠壓工作時，每一次擠壓都需要刷一次（cì）拉（lā）伸專用油。


7    結（jié）束語


T2銅套（tào）反向（xiàng）冷擠壓與常規車削加工績效對比見表2。由表2可知，利用反向冷擠壓模具大（dà）約5s即可生產出1個銅套製品，考慮到錠坯（pī）的熱處理和清潔環節，綜合平均下來生產1個T2銅（tóng）套的時間也在17s以內，而利用傳統車（chē）削加（jiā）工方式生產1個銅套的時間（jiān）約為1200s。同時，車削方式（shì）還會產生50%以上的廢料損耗，消耗的人工工（gōng）時和能源動力是模（mó）具擠（jǐ）壓方式的179倍。模具（jù）反向擠壓（yā）產品的質量穩定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓模具生產銅套製品是對機械零部件生產工藝的創新，大（dà）大（dà）提升（shēng）了產品的生產效率和質量穩定性，同（tóng）時還可以減少原材料的損耗和（hé）能源的消費，單件加工綜合成本僅為常規車（chē）削（xuē）加工的6.32%。


該案例可以作（zuò）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應用到不同牌號（hào）的鋼製產品中，隨著研究的深入，反向冷擠壓技術未來的應（yīng）用領（lǐng）域也一定（dìng）會越來越寬。

文章出（chū）處：精密加工  T2銅套http://www.dgszm.com/cn/info_15.aspx?itemid=691