精密加工案例：T2銅套反向冷擠壓模具設計


編者按


結合T2銅套產品加（jiā）工實例，開發了一套反向冷擠壓模具，對實心銅（tóng）棒進行反向冷擠壓，最終（zhōng）達到設計要求。反向冷擠（jǐ）壓技（jì）術改變（biàn）了銅套傳統的加（jiā）工製（zhì）造方式（shì），大幅度提（tí）升了產品生產效率和（hé）產品質量，原材料節省超過50%。模具中創新性地設計（jì）了小錐度（≤5°）圓台式結構的凸模和凹模，巧妙地解決了銅套（tào）的脫模問題和壓製過程中的排氣問題（tí），有效保證了產（chǎn）品質量的穩定性。試驗中用反向冷擠壓模具壓製T2銅套，單件加工綜合成本（běn）僅為傳統方式（shì）的1.6%，極具推廣（guǎng）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（sān）種[1]。我國對於正向擠壓技術開（kāi）展研究的時間較早，可以追溯到20世紀60年代，不論是單動還是雙動，不（bú）論是擠壓鋁材還是銅材，都達到了較（jiào）高的水準，特別是近年來大型正向擠壓機（jī）的成功研製，更是讓世界矚目，但是我（wǒ）國在反向擠（jǐ）壓方麵的研究起步較晚。受全球能源和人力資源短缺的（de）影響（xiǎng），金屬冷擠壓製品的需求（qiú）量逐年增加，尤其是對精（jīng）度高、批量大、原材料損耗多且費工費時的產品（pǐn）的需求，采用反向擠壓技術對我國經濟（jì）建設和節能（néng）減排政策（cè）落地實施有現實意義，開展反向冷（lěng）擠壓技術研究對於解決人類能源危機和人力資源（yuán）短缺（quē）有重要意（yì）義。


2    反（fǎn）向冷擠壓技術


反向擠壓（yā）技術是指金屬製品的擠出方向與所施加擠壓力方（fāng）向相反（fǎn）的一種金屬加工技術[2]。反（fǎn）向冷擠壓技術是指金屬材（cái）料在擠壓過程中不需要對擠壓金屬原材料和擠壓工具進行加熱的一（yī）種金屬鍛壓加工方式。


（1）優點　與正向擠壓和特殊擠壓相比，反向擠壓具有多處較為（wéi）明顯的優點。①擠壓力小，擠壓過程中錠坯與擠壓筒之間（jiān）沒有摩擦，擠壓模具壽命長。②擠壓速度高，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（jun1）勻，幾乎沒有擠壓缺陷和晶粒粗大的趨勢，錠坯彈（dàn）性變形區大（dà），不存在變形（xíng）“死區”。④擠壓產（chǎn）生的廢料（liào）少，能源消耗低，原材料浪費少。


（2）缺點　反向冷擠壓需（xū）要特製模（mó）具，模具改型成本高、周期長，因此反向（xiàng）冷擠壓技術主要應用在批量較大的場（chǎng）所。另外，由於（yú）利用模具加工，產品的尺寸（cùn）精度和表麵質量無法達到高精（jīng）密（mì）級別，所（suǒ）以反向冷擠壓技術一般應用（yòng）於表麵質（zhì）量不高的零件加工。


3    T2銅套的生產工藝


（1）T2金屬（shǔ）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（diàn）性﹑導熱性和良好的耐腐蝕性，適宜多種加工方式，主要用作導電、導熱和耐腐蝕元器件等。


（2）銅套的工藝要求　某電力設備（bèi）上常用（yòng）的導電銅套實體如圖1所（suǒ）示，圖2為其設計圖樣。該導電銅套（tào）外徑（jìng）尺寸為45mm，內徑為35.4mm，外部長（zhǎng）度為52mm，內部（bù）深度為45mm，外底部（bù）帶有一個φ22.3mm×4mm的凹坑。銅（tóng）套外表麵的表麵粗（cū）糙度值Ra為6.3μm，內表麵（miàn）的表麵粗糙度值Ra為（wéi）3.2μm。


該導電銅（tóng）套在高壓供配電線路中（zhōng）主要用於活連接高壓通電線路，類似於接觸（chù）開關。銅（tóng）套內（nèi）表麵為工作麵，銅套內部不允許存在諸如毛刺、凹坑、氧化皮、凸起及裂紋等表麵缺陷。此導電銅套常規工藝為車床加工，主要工序為銅棒（bàng）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（shí）折算約20min，產生的銅屑廢料（liào）約為原材料銅錠坯（pī）的1/2。


a）頂部    b）外部    c）底部（bù）
1　導電（diàn）銅（tóng）套實體




2　導線銅套（tào）設計圖樣


4   反向冷擠壓模（mó）具的設計


（1）模具設計思路　導電銅套原材料采用T2銅，T2銅具有較好的塑性，在拉壓情況下具有較好的金屬流動性和延（yán）展性，不易發生斷裂及表麵破損。隨著溫（wēn）度升高，T2銅的抗拉強度和屈服極（jí）限均會下降，更加有利於塑性變形。但是T2銅（tóng）在熱加工過程（chéng）中很容易發生氧化反應，特別是在銅棒表麵，很容易產生黑色較硬的氧化皮，這些氧化皮會大大降低製品的導電性能，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，對於銅材導電件應盡量避免采用熱加工工藝。


為了不（bú）改變銅套的導電、導熱性能及產品的外觀（guān）形狀，通常銅材質的導（dǎo）電件均采用冷作加工（gōng）。本文中（zhōng）導電銅套（tào）的（de）設計思路是利用金屬壓力（lì）機和成套模具，采用反向冷擠壓原理，對銅錠（dìng）坯進行冷作壓（yā）力加工，依靠壓力機驅動和上下（xià）模型配合，驅使銅錠坯發生反向塑性變形，從而（ér）達到製品工藝設計要（yào）求。


（2）成套模具的組成（chéng）　T2銅套反向冷擠壓成套模具（jù）裝（zhuāng）配如圖3所示，模具裝配圖明細見表1。按照模具（jù）各部分所發揮的作用，整套模具大致（zhì）可以分為凸模、凹模、脫模裝置和模（mó）具附屬裝置4個部分（fèn）[3]。


凸模部分主（zhǔ）要包括上模板、凸模墊板、凸模、凸模壓（yā）套（tào）及連接螺栓等零件。凸模（即模（mó）芯（xīn））設計是（shì）整套模（mó）具的關鍵。凸模為1根階梯軸（zhóu），按照功能可以（yǐ）分為3個部（bù）分——較細的頂（dǐng）端為工作部分，中間為脫（tuō）模裝（zhuāng）置配合部分，較粗的尾部為凸（tū）模與凸模壓套連接部分，即模芯（xīn）的（de）夾持部分。凸模材質為耐磨且（qiě）強度、硬度較高的冷作模具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端麵不（bú）允許（xǔ）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（qián）需要進行淬火＋回火（huǒ）處理，熱處理後凸模階梯軸硬度需達（dá）到61～63HRC；凸模工作（zuò）部分在磨削加（jiā）工前，表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，表麵不允許有凹凸（tū）不平現象，凸模留磨餘量≥0.1mm，磨（mó）削後還應研磨拋光，研磨量（liàng）為0.01～0.02mm，研（yán）磨（mó）後（hòu）的表麵粗糙度值Ra≤0.2μm。


凹模部分主要包括下模（mó）板、凹模墊板、凹模墊塊、凹模座、凹模（擠壓筒）和（hé）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中，凹模與凹模座為緊（jǐn）配合連接，有效避免了（le）製品與凸模上行時把凹模（mó）一起帶出。凹模內徑的基本尺寸比製品設計的外徑基本尺寸大0.5mm，且為正向偏（piān）差，可以避（bì）免錠（dìng）坯在擠壓過程中製品與凹模（mó）內壁發生摩擦，降低了擠壓力，延（yán）長了模（mó）具使用壽命（mìng）。凹模材質也是冷作模具鋼Cr12MoV，且經過淬火＋回火（huǒ）工藝，磨削加工後表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）Ra≤3.2μm，留磨餘量0.1mm，研磨後的表麵粗糙度值Ra必須≤0.2μm。頂料（liào）杆裝配在凹模（mó）底部，與（yǔ）凹模間隙配合（hé），間隙為0.050～0.081mm，作用是支撐（chēng）錠坯受壓變形，保證銅套底部形狀及尺（chǐ）寸，同時與頂出杆配合（hé）一起推動擠壓完成銅套（tào）製品（pǐn）上行，實現與（yǔ）凹模（mó）的分離。


3　模具裝配


1—上模板　2—導（dǎo）套　3—導柱　4、10、12、14、23、29—內六角螺釘　5—導套壓板　6—凸（tū）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—矩形彈簧　19—外預應力圈　20—凹（āo）模座　21—頂（dǐng）料杆　22、24—凹模墊塊（kuài）　25—導柱壓板　26—下模板　27—定位銷　28—頂出杆


表1 導電銅套冷（lěng）擠壓模具裝配圖明細


（3）確定擠壓錠坯尺寸　要計算擠壓坯（pī）料尺寸，首先應計算坯料的體積。按照（zhào）金屬塑性成型原理的體積（jī）（或質量（liàng））不變定律（lǜ）[4]，即坯料（liào）的體積V坯應該和製品（pǐn）的（de）體積V製相等，可表示為：V坯＝V製。V製可（kě）以根據工藝設計尺寸計算（suàn），考慮到製品中有一些圓弧、棱角等結構，在實際計算中很不方便，因此采用近似計算，將銅套製品簡化為圖4所示形狀，按（àn）照圖4中標注（zhù）的尺寸（cùn）近似計算（suàn）製品體積（jī）。


V製＝V總－V1－V2，體積的計算公式為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（liào），經過模具擠壓出來的銅套製品尺寸很難達到設計（jì）要求，這是因（yīn）為在實際設計工藝圖樣中，銅套製品結構中還存在圓（yuán）角、倒角等細微結構（gòu），鑒（jiàn）於零件結構（倒（dǎo）角、圓角等工藝）的細小改變，在經過20餘次（cì）反複（fù）試模試驗後，最終確定擠壓前銅棒的（de）長度應該為圖片mm。


4　導電銅套體（tǐ）積折算示意


5    模具設計的創新之處


（1）排出擠壓氣體　錠坯在擠壓過程中，在封閉的（de）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（pǐn）中，在製品的表麵形成鼓包等，氣體壓力過大（dà）還可能引起銅套製品變形甚至（zhì）凹模（擠壓筒）炸裂，所以在錠坯擠壓過程中（zhōng）必須合理導出擠壓氣體。


為了解決這一難題，在凸模的設計上采用（yòng）下粗上細的擠壓頭結構，工作頭下部尺寸與銅套（tào）內徑尺寸相同，為φ35.4mm，凸（tū）模工作（zuò）頭上部尺（chǐ）寸為（wéi）φ35.3mm。根（gēn）據相關（guān）行業經驗，在凸模工作部（bù）分的上（shàng）下（xià）端各設（shè）計約5°的錐度，可以避免（miǎn）錠坯在反向冷擠壓過程中過度向外圍延伸，出現製品與模具（jù）內模腔緊配合到一起的情況，不利於排（pái）氣和製品（pǐn）脫模；其次模具凹模設計時，擠壓筒的內徑尺寸略大於錠坯尺寸，有利於擠（jǐ）壓氣體順利排出，同時也避免了錠坯（pī）與（yǔ）擠壓（yā）筒之間的接觸摩擦。凸模結構設計如圖5所示。


5　凸模結構


（2）銅套形狀回彈問題（tí）　整套模具（jù）設計有內、外預應力圈（quān）結構，有效避免了銅材在擠壓過程中（zhōng）發生應力集中現象，防止銅套形狀回彈。這（zhè）些結構設計有效解決了銅套製品在反向冷擠壓過程中產品的缺陷問題，大大降低了擠壓（yā）力，提高了（le）擠壓速度，並且金（jīn）屬流動均（jun1）勻，製品質量穩定、一致性高。


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（fàng）進（jìn）凹模擠壓前必（bì）須去除毛刺（cì）並（bìng）做倒角C1工藝處理（lǐ），以防（fáng）劃傷（shāng）凹模內壁。②T2錠坯擠壓前（qián）進行退火處理，加熱溫度710～720℃，保溫4h，隨爐冷卻，熱處理後銅棒（bàng）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（xǐ）3個清潔（jié）環節，同時還要把錠坯放入濃度為400～800g/L的工（gōng）業硝酸溶液（yè）中去除銅棒氧化皮（pí），最後利用濃度為（wéi）40～60g/L的工業氫氧化（huà）鈉溶液（yè）衝洗錠坯，對其表麵進行氧（yǎng）化處（chù）理（lǐ），處理溫度50～70℃，處理時間3～5min[5]。④三層組（zǔ）合凹模壓合時，在常溫下用液壓機冷壓合。各圈的壓合次序為自外向內，即先將內預應力圈壓入外預應（yīng）力圈中，再將凹模壓（yā）入內預應力圈中，壓出次（cì）序則與之相（xiàng）反（fǎn）。壓合後的內凹模（mó）的型腔尺寸有所收縮，必須進行修正，使得壓入後（hòu）內凹模型腔尺寸為所需的尺寸。⑤模（mó）具裝配時（shí）上（shàng）模板與下模板的上下平（píng）麵平行（háng）度公差應為0.05mm，導柱與模板的垂直（zhí）度公差應≤0.05mm，導套與模板的垂直度（dù）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拉伸專用油。


7    結束語


T2銅（tóng）套反向冷擠壓與常規車削加工績效（xiào）對（duì）比見表2。由（yóu）表2可知，利（lì）用反向（xiàng）冷擠壓模具大約5s即可生產（chǎn）出1個銅套製品（pǐn），考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（zài）17s以內（nèi），而利用傳統車削加工方式生產1個銅套的時間（jiān）約為1200s。同時，車削方式還會產生50%以上的廢料（liào）損耗，消耗的人（rén）工工時（shí）和能源動力是模具擠壓（yā）方式（shì）的179倍。模具反向（xiàng）擠壓產品（pǐn）的質量穩定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠（jǐ）壓模具生產銅套（tào）製品是對機（jī）械零部件生產工藝的創新，大大提升了產（chǎn）品的生產效率和質量穩定性，同時還（hái）可以減少原材料的損（sǔn）耗和能源的消費，單件（jiàn）加工綜合（hé）成本（běn）僅為常（cháng）規車削加工的6.32%。


該案例（lì）可（kě）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（lǐ）念正在逐步（bù）應用到不同牌號的鋼製產（chǎn）品中，隨著研究的深入，反（fǎn）向冷（lěng）擠壓技術未來的應用領域也一定會越來越寬。

文章出處：精密加工（gōng）  T2銅套http://www.dxqiumoji.com/cn/info_15.aspx?itemid=691