T2銅（tóng）套反向冷擠壓模（mó）具設（shè）計

1前言

金（jīn）屬擠（jǐ）壓技術可分為正向擠壓、反向擠壓和特種擠壓[1]。我（wǒ）國正擠壓技術的研究起步（bù）較（jiào）早，可以追溯到20世紀60年代。鋁和銅材料的單作（zuò）用和雙作用擠壓都達到了很高的水平。特別是近年來大（dà）型正擠壓設備的研（yán）製成功，舉世矚目，但（dàn）我國對反擠壓的研究起步較晚。受（shòu）全球能源和人力資（zī）源短缺的影響，對金屬冷擠壓產品的需求逐年增加，尤其是對（duì）精度高、批量（liàng）大、原材料損耗多、耗時長的（de）產品（pǐn）的需求。采用反擠壓技術對我國經濟建設和（hé）節能減排政策的實施具有現實意義。開展反擠壓技術的研究對解決人類能源危（wēi）機和人力資源短缺具有重要意義。

2反向冷擠壓（yā）技術

反擠壓技術是指金屬製品的擠壓方向與施加的擠壓力相反的一種金屬加工技術[2]。反擠壓（yā）技術是指一種不需要對擠壓出的金屬原材料和擠壓工具進行加熱的金屬鍛造工藝。

(1)優點與正向擠（jǐ）壓和特（tè）種擠壓（yā）相（xiàng）比，反向擠壓有許多明顯的（de）優點。①擠壓力小，擠壓過程中錠坯與擠壓筒之間無摩擦，擠壓模具使用壽命（mìng）長。②擠壓速度越高，擠壓過程中鑄錠表麵溫度變化越小。③擠（jǐ）壓質量相對穩（wěn）定，擠壓時金屬變（biàn）形的阻力小，金屬截麵變形（xíng）程（chéng）度均勻（yún），幾乎沒有（yǒu）擠壓缺陷和（hé）粗晶傾向，錠坯彈性變（biàn）形麵積（jī）大，沒有變形“死區”。④擠壓產生的廢料（liào）少，能（néng）耗低，原材料浪費（fèi）少。

(2)缺點反向冷擠壓需要專用模具，模具改造成本高，周期長。所以反冷擠壓技術主要用在批量大的地方。另外，由於采用模具加工，產品的尺寸精度和（hé）表麵質量達不到高精度水（shuǐ）平，所以反（fǎn）向冷擠壓（yā）技術一般（bān）應用於（yú）表麵質量不高（gāo）的零件的加工。

T2銅套生（shēng）產技術

(1)T2金（jīn）屬（shǔ）屬（shǔ）性我國的純銅有T1、T2、T3三種，其中T2銅應用較為廣泛。T2的銅含量超過99.90%，具有優異的導電性、導熱（rè）性和耐腐蝕性（xìng）。適用於各種加工方法，主要用作導電（diàn）、導熱、耐腐蝕元件。

(2)銅套的工藝要求。一（yī）個電力設備常用的導電銅套實體如（rú）圖1所（suǒ）示，圖2是其設計圖。導電銅套外徑45mm，內（nèi）徑（jìng）35.4mm，外（wài）長52mm，內深45mm，外底有φ22.3mm×4mm凹（āo）坑。銅套筒（tǒng）外表麵的表麵粗糙度（dù）Ra為6.3μm，內表麵的表（biǎo）麵粗糙度Ra為（wéi）3.2 μ m

這種導（dǎo）電銅套主要用於活動連接高壓供（gòng）配電線路，類似於接觸式開關。銅套（tào）內表麵為工作麵，銅套無毛刺、凹（āo）坑、氧化皮（pí）、凸起、裂紋等表（biǎo）麵（miàn）缺陷。這種導（dǎo）電銅套的常規工藝是車床加工，主要工藝是用銅棒車床鑽（zuàn）孔→精加工內孔→四周轉坑→轉（zhuǎn）倒角。導電套翻轉時間約為20min，產生的廢銅約為（wéi）原料銅錠坯的1/2。

4反向（xiàng）冷擠壓模具的設計

(1)模具設計思路導電銅套（tào）采用T2銅，塑性好，在拉伸和壓縮下具有良好的金屬（shǔ）流（liú）動性（xìng）和延展性，不易斷裂（liè）和表麵損傷。隨著溫度的升高，T2銅（tóng）的抗拉（lā）強度和屈服極限會降低，這更有利於塑性變形。但T2銅在熱加工過程中容易發（fā）生氧化反應，特（tè）別是在銅杆表麵，容易產生堅硬的黑（hēi）色氧化皮，會（huì）大大降低產品的導電性，同時（shí）產品外觀上會出現許（xǔ）多黑色氧化斑（bān），嚴重影響產品的（de）表麵質量。因此，對於銅（tóng）導電（diàn）零件，應盡量避免熱加工（gōng）過程。

為了不改變銅套的導電性和導熱（rè）性以及產品的外觀形狀，通常對銅導電零件進行（háng）冷加工處（chù）理。本文中導電銅套的設計思路（lù）是利用金屬壓機和（hé）成（chéng）套模具，采用反向冷擠壓原理壓製銅錠坯。通過驅動壓力機，配合上下模具，帶動銅錠坯料反向塑性變形，以滿足產品工藝設（shè）計的要求。

(2)成（chéng）套模（mó）具組成T2銅（tóng）套反冷擠壓成套模具如圖3所示，模具裝配圖（tú）詳見表1。根據模具各部分的功能，整個模具大致可以分為四個部分:凸模、凹模（mó）、脫模裝置和（hé）模具附屬裝置[3]。

衝頭部分（fèn）主要包括上模（mó）板、衝頭墊、衝頭、衝頭套和（hé）連接螺栓（shuān）。凸模(即型（xíng）芯（xīn）)的設（shè）計是整套（tào）模具的關鍵。凸模是階梯軸，按其功能可分為三部（bù）分——較細的（de）頂部是工作部分，中部是脫模裝置的配合部分，較粗的尾部是凸模與凸模套（tào）的連（lián）接部（bù）分，即型（xíng）芯的夾（jiá）緊部分。衝頭（tóu）采（cǎi）用冷作模（mó）具鋼（gāng）Cr12MoV其耐磨並具有高強（qiáng）度和硬度。模具凸頂的工（gōng）作端麵不允許有頂孔，支撐端麵不允（yǔn）許有凹痕；凸階梯軸各外徑旋轉軸的同軸度（dù）誤差≤0.01mm；衝頭台階軸（zhóu）在安裝前需要進行調（diào）質處（chù）理，熱處理後衝頭台階軸的硬度需要達到61 ~ 63 HRC磨削衝頭工（gōng）作部分前，表麵粗糙度（dù）值Ra≤3.2 μm，表麵不允許有凹（āo）凸（tū）不平，衝頭磨削餘量≥ 0.1mm，磨削後磨削量為0.01~0.02mm，磨削表麵粗糙度值Ra≤0.2 μm。

凹模主要包括下模板、凹模墊、凹模墊、凹模座、凹模（mó）(擠壓筒)和頂杆等（děng）。即模具的擠壓筒部（bù）分，外部結構采用下厚上薄的錐形平（píng）台結（jié）構。裝配時，模具（jù）嵌入模（mó）座中，模具與模座（zuò）緊密連接，有效防止產品上行時隨衝頭一起被取出。模具內徑基本尺寸比產品設計外徑大0.5毫米，為正偏差，可避（bì）免擠壓過程（chéng）中產品與模具內壁的摩擦，減小擠壓力，延長模具使用壽命。凹（āo）模也采用冷作模具鋼Cr12MoV，調質處理後，磨削後的表麵（miàn）粗糙度值Ra≤3.2 μm，磨削餘（yú）量為0.1mm，磨削後的表麵粗糙（cāo）度值Ra必須≤ 0.2μ m，頂杆（gǎn）裝配在凹模底部，頂杆與凹模的（de）間隙（xì）為0.050~0.081mm，用於支撐錠坯（pī）壓縮變形，保證底部（bù）的形狀和尺寸同時配合頂杆將擠壓出的（de）銅套產品向上推，實現與凹模的分離。

(3)要確定（dìng）擠壓坯料的尺寸，首先要計算坯料的體積。根據金屬塑性成形原理的體積（jī）(或質量)不變定（dìng）律[4]，即坯料V的體積應等於產品V的體積，可表示為:V坯料= V係。v可（kě）以根據工藝設計的尺寸來（lái）計（jì）算。考慮到產品中存在一些圓弧、拐角等結構，在（zài）實際（jì）計算中不方便。因此采用近似計算，將銅套產品簡（jiǎn）化成圖4所示的形狀，根據圖（tú）4標注（zhù）的尺寸近似計算產品體積（jī）。

V = vTotal-V1-V2，體積的計算公式為V = π RH，則V = 3.14×22.5×52-3.14×17.7×45-3.14×11.15×4 = 36831.1324(mm)。擠壓前後鑄錠圓柱（zhù）直徑為φ45mm時，鑄錠高度h = V坯/(π r) = V係/(πr)≈36831.1324/(3.14×22.5)= 23.17(mm)。

如（rú）果理論計算尺寸為23.17mm，模具擠壓出的銅套產品尺寸很難達到設計要求。這是因（yīn）為在實際的設計工（gōng）藝圖紙中，銅套產品的結構中還（hái）存在一些圓角、倒角等精細（xì）結構（gòu）。鑒於零件結構的（de）微小變化(倒角、倒棱等工藝)，經過20多次反複的模具試驗，最終確定銅杆擠壓前的長度應為圖（tú）片mm。

5模具設計的（de）創新

(1)擠壓過程中，封閉的擠壓筒內會產生氣體，這些氣體的存在會增加（jiā）擠壓力（lì），也可（kě）能被擠壓到銅套製品中，在製品表麵形成凸（tū）起。氣體（tǐ）壓力過大還（hái）可能造成銅套製品變形，甚至導（dǎo）致模具(擠壓筒)爆裂，因此在鑄錠擠壓過程中必須合理導出擠壓氣體。

為了解決這（zhè）一問題，衝頭的設計采用了下厚上薄的擠壓頭結構。工作（zuò）頭下部尺寸與銅套內徑相同，為φ35.4mm，衝頭工作頭（tóu）上部（bù）尺（chǐ）寸為φ 35.3mm，根據相關行業經驗，凸模（mó）工作部分上下兩端設計5°左右（yòu）的錐度，可以避免錠坯在反冷擠壓過（guò）程中向周邊過度延伸（shēn）， 導致製品（pǐn）與（yǔ）模具內腔緊（jǐn）密貼合，不利於製品（pǐn）的排氣和脫模。 其次，模具設（shè）計時，擠壓筒內徑略大（dà）於錠坯內徑，有利於擠壓（yā）氣體的順利排出，避免錠坯與擠壓筒的接觸摩擦。

(2)銅套形狀的回彈問題。整套模具（jù）采用內外預應力環形結構設計，有效避（bì）免了擠壓時銅的應力集中，防止了銅套形狀的回彈。這些結構設計有效地解決（jué）了銅（tóng）套產品在（zài）反向冷擠壓過程中的（de）缺陷，大大（dà）降低（dī）了擠壓力，提高了擠壓速度，使金屬流動均勻，產品質量穩定，一致（zhì）性高。

6使用模具時的注意事項

使用（yòng）該套模具時還有以下（xià）注意事（shì）項:①T2錠放入凹模擠壓前，必須去毛刺（cì）和倒角C1，以防劃（huá）傷凹模（mó）內壁。②擠壓前，T2錠坯在710～720℃退火4h，然後在爐中冷（lěng）卻。熱（rè）處理後銅棒硬度控製在38 ~ 42hb，退火一次約10000片。③退火後，T2錠用汽油、60 ~ 100℃熱水和冷水清洗（xǐ）。同時將鑄錠放入（rù）濃度為400 ~ 800 g/L的工業硝酸溶液中，去除銅杆氧化皮。最後，用濃度為40 ~ 60 g/L的工業氫氧化鈉溶液洗滌鑄錠，並在50 ~ 70℃下對其表麵進行3小時氧化。(4)三層（céng）組合凹模壓製時，用液壓機在（zài）室溫下壓製。每個環的壓入順序是由（yóu）外向內，即先將內預應力環壓（yā）入外預應力環，再將凹模壓（yā）入內預應力環，壓入順序相反。壓（yā）製後，凹模的型腔尺寸縮小，所以（yǐ）必須（xū）進行校正，使壓製後的凹模型腔尺（chǐ）寸為所需尺寸（cùn）。⑤模具組裝時，上模板和（hé）下模板（bǎn）的上下平麵平行度公差應在0.05mm，導柱（zhù）和（hé）模板的垂直度公差應（yīng）≤0.05mm，導套和模板的垂直度公（gōng）差（chà）應≤0.02mm⑥凸、凹模表麵（miàn）擠壓時，每次擠壓需刷一次拉絲專用油。

7結（jié）束語

T2銅套反向冷擠壓與常（cháng）規車削的性能對比見表2。從表2中可以看出，使用反向冷擠壓模具可以在5s左右生（shēng）產出銅（tóng）套產（chǎn）品。考慮（lǜ）到鑄錠的熱處理和清（qīng）洗，生（shēng）產T2銅套的時間平均也不（bú）到17s，而用傳（chuán）統的車削加（jiā）工方法生產銅（tóng）套的時間約為1200s。同（tóng）時，車削還會產生50%以上的廢料損失，比模具擠壓多消耗179倍的工時和能源。反擠壓產品質量穩定，幾乎沒有廢品。利用（yòng）反向冷擠壓模具生產銅套產品是機（jī）械零件生產（chǎn）技術的一次創新，大大提（tí）高了生產效率和產品質量穩定性，同時降低了原材料和能源的消耗。單件加工的綜合成本僅為常規車（chē）削的（de）6.32%。

這個案例可以作為當代企業降本（běn）增效的典型案例（lì）。這種反向冷擠壓的加工（gōng）理念正逐漸應用於不（bú）同等級的鋼材。隨著研究的深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域肯定（dìng）會越來越廣。