精密加工案例（lì）：T2銅套反向冷擠壓（yā）模具設計


編（biān）者按


結合T2銅（tóng）套產品加（jiā）工實（shí）例，開發了一（yī）套反向冷擠壓模具，對實心銅棒進行反向冷擠壓，最終達到設計要求。反向冷擠（jǐ）壓技術改（gǎi）變了銅套傳統的加工（gōng）製造方式，大幅度提升了產品（pǐn）生產效率和（hé）產品（pǐn）質量，原材料節省超過50%。模具中創新性地設計了小錐度（≤5°）圓台式結構的凸模（mó）和凹模，巧妙地解決了（le）銅套的脫模問題和壓製過程中的排氣問題，有（yǒu）效保證了產品質量的穩定性。試驗中用反向冷擠壓模（mó）具壓製T2銅套，單件加工綜合成本僅為傳統方式（shì）的1.6%，極具（jù）推廣價值。


1    序言


金屬擠（jǐ）壓技術可以分為正向擠壓、反向擠（jǐ）壓和特殊擠壓三種[1]。我國對於正向擠壓技術開展研究的時間（jiān）較早，可以追溯到20世紀60年代，不論是單動還是雙動（dòng），不論（lùn）是擠壓鋁材還是銅材，都達到了較高的水準，特別是近（jìn）年來大型（xíng）正向擠壓機的成功研製，更是讓世界矚目，但（dàn）是我國在反向擠壓方麵的（de）研究起步（bù）較晚。受全球能源和人力資源短缺的影響，金（jīn）屬冷擠壓製品的（de）需求量逐年增加（jiā），尤其是對精度（dù）高、批（pī）量大、原材料損耗多且費（fèi）工費時的產品的需求，采用反向擠壓技術（shù）對（duì）我國經濟建設和節能減排政策落地實施有現實意義，開展反向（xiàng）冷擠壓技術研究對於解決（jué）人類能源危機和人力資源短缺有重（chóng）要意義。


2    反向冷擠壓技術（shù）


反向（xiàng）擠壓技術是指金屬製（zhì）品的擠出方（fāng）向與所施加擠壓力方向相反的一種金屬加工技（jì）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擠壓金屬原材料和擠（jǐ）壓工具進行加熱的（de）一（yī）種金屬（shǔ）鍛壓加（jiā）工方式。


（1）優點　與正向擠壓和特殊擠壓（yā）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沒有（yǒu）摩（mó）擦，擠壓模具壽命長。②擠壓（yā）速度高，擠壓過程錠坯表麵（miàn）溫度（dù）變化小。③擠壓質（zhì）量比較穩定，擠壓過程中金屬變（biàn）形抗力小（xiǎo），金屬橫斷麵的變形程度較均（jun1）勻，幾乎（hū）沒有擠壓缺陷和晶粒粗大的趨勢，錠坯彈性變形區大（dà），不存（cún）在變形“死區”。④擠壓產生的廢料少，能源消耗低，原材料浪費少。


（2）缺點　反向冷擠壓需要特（tè）製模具，模具改型成本高、周期長，因此反向冷擠（jǐ）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，所以反向冷擠壓技術一般應用於表麵質量不高的零（líng）件加工。


3    T2銅（tóng）套的生（shēng）產工藝


（1）T2金屬屬性　我國純銅的（de）牌號有（yǒu）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﹑導熱性和良好的耐腐蝕性，適宜多種加工方（fāng）式，主要用作導電、導（dǎo）熱和耐腐蝕元器件等。


（2）銅套（tào）的工藝要求（qiú）　某電力設備上常用的導電銅套實（shí）體（tǐ）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，外部長度為52mm，內部深度為（wéi）45mm，外底部帶（dài）有一個φ22.3mm×4mm的凹坑。銅套外（wài）表麵的表麵粗糙度值Ra為6.3μm，內（nèi）表麵的（de）表麵粗（cū）糙度值Ra為3.2μm。


該導電銅套在高壓（yā）供配電線路中主要用（yòng）於活連接高壓（yā）通（tōng）電線（xiàn）路，類似於接觸開關。銅套內表麵為工作麵，銅套（tào）內部不（bú）允許（xǔ）存在諸如毛刺、凹坑、氧化皮、凸起及裂紋等表麵缺陷（xiàn）。此導電銅套常規工藝為車（chē）床（chuáng）加工，主要工序為銅棒車床鑽（zuàn）孔→精車內孔→掉頭車削加工凹坑→車削工藝倒角。導（dǎo）電銅套車削工時折算約20min，產生的銅屑（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　導線銅套設計圖樣


4   反向冷擠壓模具（jù）的（de）設計


（1）模（mó）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（kuàng）下具有較好的金屬流動性和延展性，不易發生斷裂（liè）及表麵破（pò）損（sǔn）。隨著溫（wēn）度升高，T2銅的抗（kàng）拉強度和屈（qū）服極限（xiàn）均會下降，更加有利於塑性變形。但（dàn）是T2銅在熱加工過程中很容易發生（shēng）氧化反應（yīng），特（tè）別是在銅棒表麵，很容（róng）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（diàn）性能（néng），同（tóng）時製品外觀（guān）也會（huì）出現很多黑色的氧化斑點（diǎn），嚴重影響製品表麵（miàn）質量。因此，對於銅（tóng）材導電件應盡量避免采用熱加工工藝。


為了不改變銅套的（de）導電、導熱性（xìng）能及產品的外觀形狀，通常（cháng）銅（tóng）材質的導電件均采用（yòng）冷作加工。本文中導電銅套（tào）的設計思路是利用金屬壓力機和成（chéng）套模具（jù），采用反向（xiàng）冷擠壓原理，對銅錠坯進行冷作壓力（lì）加工，依靠壓力機驅動和上下模型配合，驅使銅錠坯發（fā）生反向塑性變形，從而達到製品工藝設計要求。


（2）成套模（mó）具的（de）組成　T2銅套反向冷擠壓（yā）成套模具（jù）裝配如圖3所（suǒ）示，模具（jù）裝配圖明細見表1。按照模具各部分所發（fā）揮的作用，整（zhěng）套模（mó）具大致可以（yǐ）分為（wéi）凸模、凹模、脫（tuō）模裝置和模具附屬裝置4個部分[3]。


凸模部分主要（yào）包括上模板、凸模墊板、凸模、凸模壓套及連接螺栓等零件。凸模（即（jí）模（mó）芯）設計是整套模具的關鍵。凸模為1根階梯軸，按照功能可以分為3個部分——較（jiào）細的頂（dǐng）端為工作部分，中間為（wéi）脫模裝置配合（hé）部分，較粗的（de）尾部（bù）為凸模與凸模壓套連接部分，即模芯的夾持部分。凸模材質為耐磨且強度、硬度較高的冷作模具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端麵不允許（xǔ）有頂尖孔，支承端麵不允許有凹陷；凸模（mó）階梯（tī）軸各外徑回轉軸線的同軸度誤差（chà）≤0.01mm；凸模（mó）階梯軸安裝前需要進行淬火＋回火處理，熱處（chù）理後凸模階梯軸硬度需達到61～63HRC；凸模工作（zuò）部分在磨削加工前，表麵粗糙度值Ra≤3.2μm，表麵不允許有（yǒu）凹凸不平現象，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，研磨後的表麵粗糙度值Ra≤0.2μm。


凹模（mó）部分主要包括下（xià）模板、凹模墊板、凹模墊塊（kuài）、凹模座、凹模（擠壓筒）和頂料杆等。凹模即為模具擠（jǐ）壓筒部分，外部結（jié）構采用下粗上細的圓（yuán）錐台（tái）式結構，裝配時將凹模嵌到凹（āo）模座中，凹模與凹模座為緊（jǐn）配合連接，有效避免了製品與凸模上行時把凹模一起帶出。凹模內徑（jìng）的基本尺寸比製品設計的外（wài）徑基本尺寸大0.5mm，且（qiě）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擦，降低了擠壓力，延（yán）長了模具使用壽命。凹（āo）模材（cái）質也是冷作模具（jù）鋼Cr12MoV，且經過淬火＋回火工藝，磨削加工後表麵粗糙度（dù）值Ra≤3.2μm，留磨餘量0.1mm，研磨後的表麵（miàn）粗糙度值Ra必須≤0.2μm。頂料杆裝（zhuāng）配在凹（āo）模底部，與（yǔ）凹模間隙配合，間隙（xì）為0.050～0.081mm，作用是支（zhī）撐錠坯受壓（yā）變形，保（bǎo）證銅套底部形狀及尺寸，同時與頂出杆配合一起（qǐ）推動擠壓完成銅套製品上（shàng）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　6—凸模墊板　7—定位銷　8—凸模壓套　9—凸模　11—卸料環　13—卸（xiè）件板　15—銅套製（zhì）品　16—凹模　17—內預應（yīng）力圈　18—矩（jǔ）形彈簧　19—外預（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—定位銷　28—頂（dǐng）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，首先應計算坯料的（de）體積。按（àn）照金屬塑性成型原理的體積（或質量）不變定律（lǜ）[4]，即坯料的體積V坯應該和製品（pǐn）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（shè）計尺寸計（jì）算（suàn），考慮到製品中（zhōng）有一些圓弧、棱角等結構，在（zài）實際計算（suàn）中很不方便，因此采用（yòng）近似計算，將銅套製品簡化為圖（tú）4所示形（xíng）狀，按照圖4中標注的尺寸（cùn）近似計算製品體積。


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（hòu）外圓（yuán）直徑沒有變（biàn）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（de）尺（chǐ）寸23.17mm進行下料（liào），經過模具擠壓（yā）出來的銅套製品尺寸很難達到設（shè）計要求（qiú），這是因為在實際設計（jì）工藝圖樣（yàng）中，銅套製品結構中還存在（zài）圓（yuán）角、倒角等細微結構，鑒於零件結構（gòu）（倒角、圓角等工藝）的細小改變（biàn），在經過20餘次反複試模試驗（yàn）後，最終確定擠壓前銅棒的（de）長度應該為（wéi）圖片mm。


4　導電銅套體積折算示意


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（qì）體，這些（xiē）氣體的存在會增大擠（jǐ）壓力，還有可能被（bèi）擠入銅套製品中，在製品的表麵形成鼓包（bāo）等，氣體（tǐ）壓力過大還可能引起銅套製品變形甚至凹模（擠壓（yā）筒）炸裂，所以在錠坯（pī）擠壓過程中必須合理導出擠壓氣體。


為了解（jiě）決這一（yī）難題，在凸模的（de）設計上采（cǎi）用下粗上細的擠壓頭（tóu）結構，工作頭下部尺寸與銅套內徑尺寸相同，為φ35.4mm，凸模（mó）工作頭上部尺寸為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（dìng）坯在反向冷擠壓過（guò）程中過度向外（wài）圍（wéi）延伸，出現（xiàn）製品與模具內模腔緊配合到一起的（de）情（qíng）況，不利於排氣和製品（pǐn）脫模（mó）；其次模具凹模設計時，擠壓筒的內徑尺寸略大於錠坯（pī）尺寸，有利於擠壓氣體順利排出，同時也避免（miǎn）了錠（dìng）坯（pī）與擠壓筒之間的接觸摩擦。凸模結構設計如圖（tú）5所示。


5　凸模結（jié）構（gòu）


（2）銅套形狀回彈問題　整套模具設計有內、外預應力（lì）圈結（jié）構，有效（xiào）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在反向冷擠壓過程中產品的缺（quē）陷問題，大大降低了擠壓力，提高（gāo）了擠壓速度，並且金屬流動（dòng）均勻，製品質量穩（wěn）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（yǒu）以下注意事項：①T2錠坯放進凹模擠壓前必須去除（chú）毛刺並（bìng）做倒角C1工藝（yì）處理，以（yǐ）防劃傷凹模（mó）內壁。②T2錠坯擠壓前進（jìn）行退火處理，加熱溫度710～720℃，保溫4h，隨爐冷（lěng）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（qì）油清洗、60～100℃熱水洗、冷（lěng）水衝洗3個清潔環節，同時還（hái）要把錠坯放入濃度為400～800g/L的工業硝（xiāo）酸溶液（yè）中去除銅棒氧化（huà）皮，最後利用濃度為40～60g/L的工業氫氧化（huà）鈉溶液衝洗錠坯，對其表麵進行氧化處理，處（chù）理（lǐ）溫度50～70℃，處理時間3～5min[5]。④三層組合凹模（mó）壓合時，在常溫下用液壓機冷壓合。各（gè）圈的壓合次序（xù）為自外向內，即先將內預應力圈壓（yā）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（zé）與之相反（fǎn）。壓合後的內凹模的（de）型腔尺寸有所收縮（suō），必須（xū）進行修正，使（shǐ）得壓入（rù）後內凹模型（xíng）腔尺（chǐ）寸為所需的尺寸。⑤模具裝配時上模板與（yǔ）下模板的上（shàng）下平麵平行度公差應（yīng）為（wéi）0.05mm，導柱（zhù）與（yǔ）模板的垂直度公差應≤0.05mm，導套與模板的垂直度公差應（yīng）≤0.02mm。⑥凸模、凹模表麵在擠壓（yā）工作時，每（měi）一（yī）次擠壓（yā）都需要刷一次拉伸專用油。


7    結（jié）束語


T2銅套反向冷擠壓與常規車削加工績效對（duì）比見表2。由表2可知，利用反向冷擠壓（yā）模具大約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銅套的時間也在17s以內，而利用傳統車削加工方式生產1個（gè）銅套的時（shí）間約為（wéi）1200s。同時（shí），車削方式還會產生50%以（yǐ）上的廢料損耗，消耗的（de）人工工時和能源動力（lì）是模具擠壓方式的179倍。模具反向擠壓產品（pǐn）的質量（liàng）穩定，幾乎沒有廢品（pǐn）。利用反向（xiàng）冷擠（jǐ）壓模具生產銅套（tào）製品是對機械零部件生產工藝的創新，大大提升了（le）產品的生產效率和質量穩（wěn）定性，同時還可以減少原材料的損耗和能源的消費，單件加工綜合成本僅為常規車（chē）削加工的6.32%。


該（gāi）案例可以作為當（dāng）代企業（yè）減能增效的典型（xíng）案例，這種反向冷擠壓（yā）的加工理念正在逐步應用到不同牌號的鋼製（zhì）產品中，隨（suí）著研究的深入，反向冷擠壓技術（shù）未來的（de）應用領域也一定會（huì）越來（lái）越寬。

文章出處：精密（mì）加工  T2銅套http://www.xjssy.cn/cn/info_15.aspx?itemid=691