精密加工案例：T2銅套反向冷擠壓模具設計


編者按


結合T2銅套產品加工實例，開發了一套反向冷擠壓模具，對實（shí）心銅棒進行反向冷（lěng）擠壓，最終達到設計要求。反向冷擠壓技（jì）術改變了銅套傳統的加工製造方式，大幅（fú）度提升（shēng）了產品（pǐn）生產效率和產品質量，原材料節（jiē）省超過50%。模具中創新性地設計了小錐（zhuī）度（≤5°）圓台（tái）式結構的凸模和凹（āo）模，巧妙地解（jiě）決了銅套的脫模問題和壓製過程中的排（pái）氣問題，有效保證了產品質量的穩定性。試驗中（zhōng）用反向冷擠壓模具壓（yā）製T2銅套，單件加工綜合成本僅為傳統方式的1.6%，極具（jù）推廣價值。


1    序言（yán）


金屬擠壓技術可以分為正向擠壓、反向擠壓和特（tè）殊擠壓三種（zhǒng）[1]。我國對於正向擠壓技術開展研究的時間較早，可以追（zhuī）溯到20世紀60年代，不論是單動還（hái）是雙動，不論是擠壓鋁材還是銅材，都（dōu）達到了（le）較高的水（shuǐ）準，特別是近年來大型正向擠壓機的成功研製，更是讓世界矚目，但是我國（guó）在反（fǎn）向擠壓方麵的研究起（qǐ）步較（jiào）晚。受全（quán）球能源和人力資源短缺的影（yǐng）響，金屬冷擠壓製品的（de）需求量逐（zhú）年增加，尤其是對（duì）精度高、批量大、原材料損耗多且費工（gōng）費時的產品的需求，采用（yòng）反（fǎn）向擠壓技術對我（wǒ）國經濟建設和節能減排政策落地實施有現實意（yì）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短缺有重要意義。


2    反向冷擠壓技術


反向（xiàng）擠壓（yā）技術是指金屬製品的擠出方向與所施加擠壓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程中不需要對（duì）擠壓金屬原材料（liào）和擠壓工（gōng）具進（jìn）行加熱的（de）一種金屬鍛壓加工方式。


（1）優點　與（yǔ）正向擠壓和特殊擠壓相比，反向擠壓（yā）具有多處較為明顯的優點。①擠壓力小，擠壓（yā）過（guò）程中錠坯與擠壓（yā）筒之間沒有摩擦，擠壓模具（jù）壽命長。②擠壓速度（dù）高，擠壓（yā）過程錠坯表（biǎo）麵溫度變化小（xiǎo）。③擠壓質量（liàng）比較穩定，擠壓過程（chéng）中金屬變形抗力小，金屬橫斷麵的變形程度較均勻，幾（jǐ）乎沒有擠壓（yā）缺陷和晶粒粗大（dà）的趨勢，錠坯彈性變形（xíng）區大，不（bú）存在變形“死區”。④擠壓（yā）產（chǎn）生的（de）廢料少，能源消耗低，原材料浪費少。


（2）缺點　反向冷擠壓需要（yào）特製模具，模具改型成本高、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（yóu）於利用模具加工，產品的尺寸精度和表麵質量無法達到高（gāo）精密級別（bié），所以反向（xiàng）冷擠壓技術一般應用於表麵質（zhì）量不（bú）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，其中大量使用的是T2銅。T2銅（tóng）的銅含量高達99.90%以上，具有優良的導電性﹑導熱（rè）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　某電力設備上常用的導電銅套實體如圖1所示，圖2為其設計圖樣。該導電銅套外徑尺寸為45mm，內徑為35.4mm，外部（bù）長度為52mm，內部（bù）深度為45mm，外（wài）底（dǐ）部帶有一個φ22.3mm×4mm的凹坑。銅套外表（biǎo）麵的表麵粗糙度值Ra為（wéi）6.3μm，內表（biǎo）麵的表麵粗糙度值Ra為3.2μm。


該導電銅（tóng）套在（zài）高壓（yā）供配電線（xiàn）路中主要用於活連接（jiē）高壓通電線路，類似於接觸開（kāi）關。銅套內表麵（miàn）為工作麵，銅套內部（bù）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（jiā）工，主要工序為銅棒（bàng）車床鑽孔→精車內孔→掉頭（tóu）車（chē）削（xuē）加工凹坑→車削工藝倒角（jiǎo）。導電銅套車削工時折算約20min，產生的銅屑廢料約（yuē）為原（yuán）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（dǎo）線銅套設計圖樣（yàng）


4   反向冷擠壓（yā）模具的設計


（1）模具設計思路　導電（diàn）銅套原材料采用（yòng）T2銅，T2銅具有較好的塑性，在拉壓（yā）情況下具有較好的金（jīn）屬流動性和延展（zhǎn）性，不易發生斷裂及表麵破損。隨著溫度（dù）升高，T2銅的抗拉強度（dù）和屈服極限均會下降，更加有利（lì）於塑性（xìng）變形。但是T2銅（tóng）在熱加工過（guò）程中很容（róng）易發生氧化（huà）反應，特別（bié）是在銅（tóng）棒表（biǎo）麵，很（hěn）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（de）導電性能，同時製品外觀也（yě）會出現很（hěn）多黑色的氧化斑點，嚴重影響（xiǎng）製品表麵質量。因此，對於銅材（cái）導電件（jiàn）應（yīng）盡量避免（miǎn）采用熱加工工藝。


為了不改（gǎi）變銅套的導電、導熱性能及（jí）產品的外觀形狀（zhuàng），通常（cháng）銅材質的導電件均采用（yòng）冷作加（jiā）工（gōng）。本文中導電銅（tóng）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（yuán）理，對銅錠坯進行冷作壓力加工，依靠壓力機驅動和上下模（mó）型配合，驅使銅錠坯發生（shēng）反向塑性變形，從而達到製品工藝設計要（yào）求。


（2）成套模具的組成　T2銅套反向冷（lěng）擠壓成套模具裝（zhuāng）配如（rú）圖3所示，模具裝配圖明細（xì）見表1。按照模具（jù）各部分所發揮的作（zuò）用，整套（tào）模具大致可以（yǐ）分為凸模、凹模（mó）、脫模裝置和模具附屬裝置4個部分[3]。


凸模部分主（zhǔ）要包括上模板、凸模墊（diàn）板（bǎn）、凸（tū）模、凸模壓套及連接螺栓等零件。凸模（即模芯）設計是整套模具的關鍵。凸模為1根階梯軸，按照功能可以分（fèn）為3個部分——較細的頂端為工作部分，中間為脫模裝置配（pèi）合部（bù）分，較粗的尾部為凸（tū）模（mó）與凸模壓套連（lián）接部分，即模芯的（de）夾持部分。凸模材質為耐磨且強度、硬度（dù）較高的冷作模具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端麵不允許有（yǒu）頂尖孔，支承端麵不允許有凹陷；凸模階梯軸各外徑回（huí）轉軸線（xiàn）的同（tóng）軸（zhóu）度誤（wù）差（chà）≤0.01mm；凸（tū）模階梯軸安裝前需要進行（háng）淬火＋回火處（chù）理，熱處理後凸模階梯軸硬度需達到（dào）61～63HRC；凸模工作部分（fèn）在（zài）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（tū）模留磨餘量≥0.1mm，磨削後還應研（yán）磨拋光，研（yán）磨量為0.01～0.02mm，研磨後的表麵粗糙度值Ra≤0.2μm。


凹模部分主要包括下模板、凹模墊板、凹模墊塊、凹模座、凹模（擠壓筒）和（hé）頂料杆等。凹（āo）模即為（wéi）模（mó）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（mó）嵌到凹模座中（zhōng），凹（āo）模與凹模座為緊配合連接，有效避（bì）免了製品與凸（tū）模上行時把凹模一起帶出。凹模內徑的基本尺（chǐ）寸比製品設計的外徑基本（běn）尺寸大0.5mm，且為正（zhèng）向偏差，可以避免錠坯在擠壓過程中製品與（yǔ）凹模內壁發生摩擦，降低了擠壓力，延長了模具使用壽命。凹模材質也是冷作模具鋼Cr12MoV，且經過（guò）淬火＋回火工藝，磨削加工後表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，留磨餘量（liàng）0.1mm，研磨後的表麵粗糙度值Ra必須≤0.2μm。頂料杆裝配在凹模底部，與凹模間隙（xì）配（pèi）合，間隙為0.050～0.081mm，作用是支撐錠坯受壓變形（xíng），保證（zhèng）銅套底部形狀及（jí）尺寸，同時與頂出杆配合一起推動（dòng）擠壓完成銅套製品上行，實現（xiàn）與凹模的分離。


3　模具裝配


1—上（shàng）模板　2—導套　3—導（dǎo）柱　4、10、12、14、23、29—內六角螺釘　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（tào）製品　16—凹模　17—內預應力圈　18—矩形彈簧　19—外（wài）預（yù）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　27—定位（wèi）銷　28—頂出杆


表1 導電銅套冷（lěng）擠壓（yā）模具裝配圖明細


（3）確定擠壓錠坯尺寸　要計算擠壓坯料尺寸（cùn），首先應計算坯料的體積。按照金（jīn）屬塑性（xìng）成型原理的體積（或質量）不變定律[4]，即坯料的體積V坯應該和製品的體積V製相等，可（kě）表示為：V坯＝V製。V製可（kě）以根據（jù）工藝設計尺寸計算，考慮（lǜ）到製品中有一些（xiē）圓弧（hú）、棱（léng）角等結構，在實際計算中很（hěn）不方便，因此采用（yòng）近似計算，將銅（tóng）套製品簡化為圖4所示形狀，按照圖4中標注的尺寸近似計算製品體積。


V製＝V總－V1－V2，體（tǐ）積的計算公式為（wéi）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（jǐ）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（zhào）理論計算的尺寸23.17mm進行下料，經過模具擠壓出來的銅套製品尺寸很難達到設計要求，這是因為（wéi）在實際設計工藝圖樣中，銅套製品結構中還存在圓角、倒角等（děng）細微結構，鑒於零件結構（倒角、圓角等工藝）的（de）細小改變，在經過20餘次反複試模試驗後，最終確（què）定擠壓前銅（tóng）棒的長度（dù）應該為圖片mm。


4　導電銅套體積折（shé）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（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，還有可能被擠入銅套（tào）製品（pǐn）中，在製品的表麵形成鼓包等，氣體壓力過大還可能（néng）引起銅套製品變形甚至凹模（擠壓筒）炸裂（liè），所以在錠坯擠（jǐ）壓過（guò）程中必須合理導出擠（jǐ）壓氣體（tǐ）。


為了解決這一難題，在凸模的設計（jì）上采用下粗上細的擠壓（yā）頭結構，工作頭下部尺寸與銅套內徑尺寸相同，為φ35.4mm，凸模工作頭上部尺寸為φ35.3mm。根據相關行業經驗（yàn），在凸模（mó）工作部分的上下端各設計（jì）約5°的錐度，可以避免錠坯在反向冷擠壓過程中過度向外（wài）圍延伸，出現製品與（yǔ）模具內（nèi）模腔緊配合到一起的（de）情況，不（bú）利於排氣和製品脫模；其次模具凹模設計時，擠壓筒的（de）內（nèi）徑尺寸略大於錠坯（pī）尺寸，有利於擠（jǐ）壓氣體（tǐ）順利排（pái）出，同時也避免了錠坯與擠壓筒之間（jiān）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　整套模具設計有內、外預應力圈（quān）結構，有（yǒu）效避免了銅材在擠壓（yā）過程中發生應（yīng）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在反向冷擠壓過程中產品的缺陷問題，大大降低了擠壓力，提高了擠壓（yā）速（sù）度，並且金屬流（liú）動均勻，製品質量穩定、一致性高。


6    模具使用（yòng）時的（de）注意事項


此套模具（jù）在使用（yòng）時還有以下注意事項：①T2錠坯放進凹（āo）模（mó）擠壓前必（bì）須去除毛刺並做倒角（jiǎo）C1工藝處理（lǐ），以（yǐ）防劃傷（shāng）凹（āo）模內壁。②T2錠坯擠壓前進行退（tuì）火處理，加熱溫度710～720℃，保溫4h，隨爐冷卻，熱處理後銅棒硬（yìng）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（xǐ）、60～100℃熱水洗、冷水衝（chōng）洗（xǐ）3個清潔環節（jiē），同（tóng）時還要把錠坯放入濃（nóng）度為400～800g/L的工業硝酸溶液中去除銅棒氧化皮，最後利用濃度為40～60g/L的（de）工業氫（qīng）氧化鈉溶液（yè）衝洗錠坯，對其（qí）表麵進行（háng）氧化處理，處理溫度50～70℃，處理時間3～5min[5]。④三層組合凹模壓合時，在常溫下（xià）用液壓機（jī）冷壓（yā）合。各圈的壓合次序為（wéi）自外向（xiàng）內，即先將內預應力圈（quān）壓入外預（yù）應力圈中，再（zài）將凹模壓入內預應力圈中，壓出次序則與之相反。壓合後的內（nèi）凹模的（de）型腔尺（chǐ）寸有所收縮，必須進行修正（zhèng），使得壓入後內凹模型腔尺寸（cùn）為（wéi）所需（xū）的（de）尺（chǐ）寸。⑤模具裝配時上模板與下模（mó）板的上下平（píng）麵平行度公（gōng）差應為0.05mm，導柱與模板的垂直度公差應≤0.05mm，導套與模板的垂直度公差應≤0.02mm。⑥凸模、凹模表麵在（zài）擠壓工作時，每一次擠壓都需要刷一次拉伸專用油。


7    結束（shù）語


T2銅套（tào）反向冷擠壓與常規車削加工（gōng）績效對（duì）比見表（biǎo）2。由表2可知，利用反向冷擠壓模具大約5s即可生產出1個銅套製品，考慮到錠坯的熱處理和（hé）清潔環節，綜合平均下來生產1個T2銅套的時間也在17s以（yǐ）內，而利用傳統車削加工方式生產（chǎn）1個銅（tóng）套的時間約為1200s。同時，車削方式還會產生50%以上的廢料損耗，消耗的人工工時和能源動力是模具（jù）擠壓方式的179倍。模（mó）具反向擠壓產品的質量穩定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓（yā）模具生產銅套製品是對機械零部件生產（chǎn）工藝的創新，大大提升了（le）產品的生產效率和質量穩定性，同時還可以（yǐ）減少原材料的損耗和能源的消費，單件加工（gōng）綜合成（chéng）本僅為常規車削加工的6.32%。


該案例可（kě）以作為（wéi）當代企業減能（néng）增效的典型案例，這種反向冷（lěng）擠壓的加工理念正在逐步應用到不同牌（pái）號的鋼製產品中，隨（suí）著研究（jiū）的深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域也一定會（huì）越來越寬。

文（wén）章（zhāng）出處：精密（mì）加工  T2銅套http://www.dxqiumoji.com/cn/info_15.aspx?itemid=691