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(chǎn)品加工實例，開發(fā)了一套反向冷擠壓模具，對實心銅棒進行反向冷擠壓，最終達到設計要求。反向冷擠壓技術改變了銅套傳統(tǒng)的加工制造方式，大幅度提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，原材料節(jié)省超過50%。模具中創(chuàng)新性地設計了小錐度（≤5°）圓臺式結構的凸模和凹模，巧妙地解決了銅套的脫模問題和壓制過程中的排氣問題，有效保證了產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性。試驗中用反向冷擠壓模具壓制T2銅套，單件加工綜合成本僅為傳統(tǒng)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、反向擠壓和特殊擠壓三種[1]。我國對于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，不論是單動還是雙動，不論是擠壓鋁材還是銅材，都達到了較高的水準，特別是近年來大型正向擠壓機的成功研制，更是讓世界矚目，但是我國在反向擠壓方面的研究起步較晚。受全球能源和人力資源短缺的影響，金屬冷擠壓制品的需求量逐年增加，尤其是對精度高、批量大、原材料損耗多且費工費時的產(chǎn)品的需求，采用反向擠壓技術對我國經(jīng)濟建設和節(jié)能減排政策落地實施有現(xiàn)實意義，開展反向冷擠壓技術研究對于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
反向擠壓技術是指金屬制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擠壓金屬原材料和擠壓工具進行加熱的一種金屬鍛壓加工方式。
（1）優(yōu)點 與正向擠壓和特殊擠壓相比，反向擠壓具有多處較為明顯的優(yōu)點。①擠壓力小，擠壓過程中錠坯與擠壓筒之間沒有摩擦，擠壓模具壽命長。②擠壓速度高，擠壓過程錠坯表面溫度變化小。③擠壓質量比較穩(wěn)定，擠壓過程中金屬變形抗力小，金屬橫斷面的變形程度較均勻，幾乎沒有擠壓缺陷和晶粒粗大的趨勢，錠坯彈性變形區(qū)大，不存在變形“死區(qū)”。④擠壓產(chǎn)生的廢料少，能源消耗低，原材料浪費少。
（2）缺點 反向冷擠壓需要特制模具，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，由于利用模具加工，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質量無法達到高精密級別，所以反向冷擠壓技術一般應用于表面質量不高的零件加工。
3 T2銅套的生產(chǎn)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(yōu)良的導電性﹑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(nèi)徑為35.4mm，外部長度為52mm，內(nèi)部深度為45mm，外底部帶有一個φ22.3mm×4mm的凹坑。銅套外表面的表面粗糙度值Ra為6.3μm，內(nèi)表面的表面粗糙度值Ra為3.2μm。
該導電銅套在高壓供配電線路中主要用于活連接高壓通電線路，類似于接觸開關。銅套內(nèi)表面為工作面，銅套內(nèi)部不允許存在諸如毛刺、凹坑、氧化皮、凸起及裂紋等表面缺陷。此導電銅套常規(guī)工藝為車床加工，主要工序為銅棒車床鉆孔→精車內(nèi)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(chǎn)生的銅屑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展性，不易發(fā)生斷裂及表面破損。隨著溫度升高，T2銅的抗拉強度和屈服極限均會下降，更加有利于塑性變形。但是T2銅在熱加工過程中很容易發(fā)生氧化反應，特別是在銅棒表面，很容易產(chǎn)生黑色較硬的氧化皮，這些氧化皮會大大降低制品的導電性能，同時制品外觀也會出現(xiàn)很多黑色的氧化斑點，嚴重影響制品表面質量。因此，對于銅材導電件應盡量避免采用熱加工工藝。
為了不改變銅套的導電、導熱性能及產(chǎn)品的外觀形狀，通常銅材質的導電件均采用冷作加工。本文中導電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(fā)生反向塑性變形，從而達到制品工藝設計要求。
（2）成套模具的組成 T2銅套反向冷擠壓成套模具裝配如圖3所示，模具裝配圖明細見表1。按照模具各部分所發(fā)揮的作用，整套模具大致可以分為凸模、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，按照功能可以分為3個部分——較細的頂端為工作部分，中間為脫模裝置配合部分，較粗的尾部為凸模與凸模壓套連接部分，即模芯的夾持部分。凸模材質為耐磨且強度、硬度較高的冷作模具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端面不允許有頂尖孔，支承端面不允許有凹陷；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＋回火處理，熱處理后凸模階梯軸硬度需達到61～63HRC；凸模工作部分在磨削加工前，表面粗糙度值Ra≤3.2μm，表面不允許有凹凸不平現(xiàn)象，凸模留磨余量≥0.1mm，磨削后還應研磨拋光，研磨量為0.01～0.02mm，研磨后的表面粗糙度值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）和頂料桿等。凹模即為模具擠壓筒部分，外部結構采用下粗上細的圓錐臺式結構，裝配時將凹模嵌到凹模座中，凹模與凹模座為緊配合連接，有效避免了制品與凸模上行時把凹模一起帶出。凹模內(nèi)徑的基本尺寸比制品設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制品與凹模內(nèi)壁發(fā)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(jīng)過淬火＋回火工藝，磨削加工后表面粗糙度值Ra≤3.2μm，留磨余量0.1mm，研磨后的表面粗糙度值Ra必須≤0.2μm。頂料桿裝配在凹模底部，與凹模間隙配合，間隙為0.050～0.081mm，作用是支撐錠坯受壓變形，保證銅套底部形狀及尺寸，同時與頂出桿配合一起推動擠壓完成銅套制品上行，實現(xiàn)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(nèi)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(huán) 13—卸件板 15—銅套制品 16—凹?！?7—內(nèi)預應力圈 18—矩形彈簧 19—外預應力圈 20—凹模座 21—頂料桿 22、24—凹模墊塊 25—導柱壓板 26—下模板 27—定位銷 28—頂出桿
表1 導電銅套冷擠壓模具裝配圖明細
（3）確定擠壓錠坯尺寸 要計算擠壓坯料尺寸，首先應計算坯料的體積。按照金屬塑性成型原理的體積（或質量）不變定律[4]，即坯料的體積V坯應該和制品的體積V制相等，可表示為：V坯＝V制。V制可以根據(jù)工藝設計尺寸計算，考慮到制品中有一些圓弧、棱角等結構，在實際計算中很不方便，因此采用近似計算，將銅套制品簡化為圖4所示形狀，按照圖4中標注的尺寸近似計算制品體積。
V制＝V總－V1－V2，體積的計算公式為V＝πr2h，則V制≈3.14×22.52×52－3.14×17.72×45－3.14×11.152×4＝36831.1324（mm3）。錠坯擠壓前后外圓直徑?jīng)]有變化，為φ45mm，則錠坯高度H＝V坯/（πr2）＝V制/（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)過模具擠壓出來的銅套制品尺寸很難達到設計要求，這是因為在實際設計工藝圖樣中，銅套制品結構中還存在圓角、倒角等細微結構，鑒于零件結構（倒角、圓角等工藝）的細小改變，在經(jīng)過20余次反復試模試驗后，最終確定擠壓前銅棒的長度應該為圖片mm。
4 導電銅套體積折算示意
5 模具設計的創(chuàng)新之處
（1）排出擠壓氣體 錠坯在擠壓過程中，在封閉的擠壓筒內(nèi)會產(chǎn)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制品中，在制品的表面形成鼓包等，氣體壓力過大還可能引起銅套制品變形甚至凹模（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，在凸模的設計上采用下粗上細的擠壓頭結構，工作頭下部尺寸與銅套內(nèi)徑尺寸相同，為φ35.4mm，凸模工作頭上部尺寸為φ35.3mm。根據(jù)相關行業(yè)經(jīng)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程中過度向外圍延伸，出現(xiàn)制品與模具內(nèi)模腔緊配合到一起的情況，不利于排氣和制品脫模；其次模具凹模設計時，擠壓筒的內(nèi)徑尺寸略大于錠坯尺寸，有利于擠壓氣體順利排出，同時也避免了錠坯與擠壓筒之間的接觸摩擦。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 整套模具設計有內(nèi)、外預應力圈結構，有效避免了銅材在擠壓過程中發(fā)生應力集中現(xiàn)象，防止銅套形狀回彈。這些結構設計有效解決了銅套制品在反向冷擠壓過程中產(chǎn)品的缺陷問題，大大降低了擠壓力，提高了擠壓速度，并且金屬流動均勻，制品質量穩(wěn)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錠坯放進凹模擠壓前必須去除毛刺并做倒角C1工藝處理，以防劃傷凹模內(nèi)壁。②T2錠坯擠壓前進行退火處理，加熱溫度710～720℃，保溫4h，隨爐冷卻，熱處理后銅棒硬度控制在38～42HB，1次退火處理約1萬件。③T2錠坯退火處理后進行汽油清洗、60～100℃熱水洗、冷水沖洗3個清潔環(huán)節(jié)，同時還要把錠坯放入濃度為400～800g/L的工業(yè)硝酸溶液中去除銅棒氧化皮，最后利用濃度為40～60g/L的工業(yè)氫氧化鈉溶液沖洗錠坯，對其表面進行氧化處理，處理溫度50～70℃，處理時間3～5min[5]。④三層組合凹模壓合時，在常溫下用液壓機冷壓合。各圈的壓合次序為自外向內(nèi)，即先將內(nèi)預應力圈壓入外預應力圈中，再將凹模壓入內(nèi)預應力圈中，壓出次序則與之相反。壓合后的內(nèi)凹模的型腔尺寸有所收縮，必須進行修正，使得壓入后內(nèi)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面平行度公差應為0.05mm，導柱與模板的垂直度公差應≤0.05mm，導套與模板的垂直度公差應≤0.02mm。⑥凸模、凹模表面在擠壓工作時，每一次擠壓都需要刷一次拉伸專用油。
7 結束語
T2銅套反向冷擠壓與常規(guī)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約5s即可生產(chǎn)出1個銅套制品，考慮到錠坯的熱處理和清潔環(huán)節(jié)，綜合平均下來生產(chǎn)1個T2銅套的時間也在17s以內(nèi)，而利用傳統(tǒng)車削加工方式生產(chǎn)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擠壓方式的179倍。模具反向擠壓產(chǎn)品的質量穩(wěn)定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓模具生產(chǎn)銅套制品是對機械零部件生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新，大大提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)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(guī)車削加工的6.32%。
該案例可以作為當代企業(yè)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的鋼制產(chǎn)品中，隨著研究的深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域也一定會越來越寬。
文章出處：精密加工 T2銅套http://www.xhdly.top/cn/info_15.aspx?itemid=691
精密加工案例：T2銅套反向冷擠壓模具設計
10-26-2022
