T2銅套反向冷擠壓模具設計

1前言

金（jīn）屬擠壓技術可分（fèn）為正向擠壓、反（fǎn）向擠（jǐ）壓和特種擠壓[1]。我國正（zhèng）擠壓技術的研究起步較早，可以追溯到20世紀60年代。鋁和銅材料的單（dān）作用和雙作用擠壓（yā）都達到了很高的水平。特別是近年來大型正擠壓設備的研製成功，舉世矚（zhǔ）目，但我國對反（fǎn）擠壓（yā）的研究起步較晚。受全球能（néng）源和人力資（zī）源短缺的影響，對金屬冷擠壓產品的需求（qiú）逐年增加，尤其是對精度高、批量大、原材料損（sǔn）耗多、耗時長的產品的需求。采用反（fǎn）擠壓技（jì）術對（duì）我國經濟建設和節能減（jiǎn）排政策的實施具有現實意義。開（kāi）展反擠壓技術的研究對解（jiě）決人類能源危機和（hé）人力資源短缺具有（yǒu）重要意義。

2反向（xiàng）冷擠壓（yā）技術

反擠壓（yā）技術是（shì）指（zhǐ）金屬製品的擠壓（yā）方向與施加的（de）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（de）金屬原材料和擠壓工具進行加（jiā）熱的（de）金屬鍛造工（gōng）藝。

(1)優點（diǎn）與正向擠壓和特種擠壓相比，反向擠壓有許多明顯的優點。①擠壓（yā）力小，擠壓過（guò）程（chéng）中錠坯與擠壓筒之間無摩擦，擠壓模具使用（yòng）壽命長。②擠壓速度越高，擠壓過程中鑄錠表麵溫（wēn）度變化越小。③擠壓質量相對穩定，擠壓時金屬變形的阻力小，金屬截麵變形程度均勻，幾乎沒有擠壓缺陷和粗晶（jīng）傾向，錠坯彈性變形麵積大（dà），沒有變形“死區”。④擠壓產生的廢料少，能耗低，原材料浪費少。

(2)缺點反向冷擠壓需要（yào）專（zhuān）用模具，模具改造成本高，周期長。所以反冷擠壓技（jì）術主要用在批量大的地方。另外，由於采用（yòng）模具加工，產品（pǐn）的尺寸精度和表麵（miàn）質量達不到高精度水平，所以反向冷擠壓技術一般應用於表麵（miàn）質量不（bú）高的零件的加工。

T2銅套（tào）生（shēng）產（chǎn）技術

(1)T2金屬屬性我國的（de）純銅有T1、T2、T3三種，其中T2銅應用較為廣泛。T2的（de）銅（tóng）含量超過99.90%，具有優（yōu）異的導電性（xìng）、導熱性和耐腐蝕（shí）性。適用於各種加工方法（fǎ），主要用作導電、導熱、耐腐蝕元件。

(2)銅套的工藝要求。一個電力（lì）設備常用的導電（diàn）銅套實體如圖1所示，圖2是其設計圖。導（dǎo）電銅套外徑45mm，內徑35.4mm，外長52mm，內深45mm，外底有φ22.3mm×4mm凹坑。銅套筒外表（biǎo）麵（miàn）的表麵粗糙度Ra為6.3μm，內表麵的表麵粗糙度Ra為3.2 μ m

這種導電銅套主要用於活動連接（jiē）高壓供配電（diàn）線路，類似於接觸式開（kāi）關（guān）。銅（tóng）套內表麵為工（gōng）作麵，銅套無（wú）毛刺、凹坑、氧化皮、凸起、裂紋等表麵缺陷。這種導（dǎo）電銅套的常規工藝是車（chē）床（chuáng）加工（gōng），主要工藝是用銅棒車床鑽孔→精加（jiā）工內孔→四周（zhōu）轉坑→轉倒角。導電套翻轉時間約為20min，產生的廢銅約為原（yuán）料銅錠坯的1/2。

4反向（xiàng）冷擠（jǐ）壓模（mó）具（jù）的設（shè）計

(1)模具設計思路導電銅套采用T2銅，塑（sù）性好，在拉伸和壓縮下具有（yǒu）良好的金屬流動性和延展性，不易斷裂和表麵損傷。隨著溫度的升高，T2銅的抗拉（lā）強（qiáng）度和屈服極（jí）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生氧化反應，特別是在銅杆表（biǎo）麵（miàn），容易（yì）產生堅硬的黑色氧化皮，會大大（dà）降低產（chǎn）品的導電性（xìng），同時產品外觀上會出現許多黑色氧化斑，嚴重（chóng）影響產（chǎn）品的表麵質量。因（yīn）此，對於銅導電零件，應盡量避免熱加工過程。

為了不改變銅（tóng）套（tào）的導電性和導熱性以及（jí）產品的外觀形狀，通常對銅導電零件進行冷加（jiā）工處理。本文中導電銅套的設（shè）計思路是利用金屬壓機和成套模（mó）具，采用（yòng）反向冷擠壓原理壓製銅錠坯。通過驅（qū）動壓力機，配合上下模具，帶動銅錠坯料反向塑性（xìng）變形（xíng），以滿（mǎn）足產品工藝（yì）設計的要求。

(2)成套模具組成T2銅套反冷擠壓成套模具如圖3所示，模具裝（zhuāng）配圖詳見（jiàn）表1。根據模具各部分的功能，整個模具（jù）大（dà）致可以分（fèn）為四個部分:凸模、凹模、脫模裝置和模（mó）具附屬裝置[3]。

衝頭部分主要包括上模板、衝頭（tóu）墊、衝頭（tóu）、衝頭套和連接螺栓。凸模(即型芯)的設計（jì）是整套模具的關鍵。凸模是階梯軸，按其功能可（kě）分為三部分——較細的頂部是工作部分，中部是脫模裝置的配合部分，較（jiào）粗的尾部是凸模與凸模套的連接部（bù）分，即型芯的夾緊部分。衝（chōng）頭采用冷作模（mó）具鋼Cr12MoV其耐磨並具有（yǒu）高強度和硬度。模（mó）具凸頂的工作端麵不允許有（yǒu）頂（dǐng）孔，支撐端麵不允許有凹痕；凸階梯軸各外徑旋轉軸的同軸度誤差≤0.01mm；衝頭台階軸（zhóu）在安裝（zhuāng）前需要進行調質處理，熱處理後衝頭台階軸的硬度需要達到61 ~ 63 HRC磨削衝頭工作部分（fèn）前，表麵粗糙度值Ra≤3.2 μm，表麵不允許有凹凸不平，衝頭磨削餘量≥ 0.1mm，磨削後磨削量為0.01~0.02mm，磨（mó）削表（biǎo）麵粗糙度值Ra≤0.2 μm。

凹模主要（yào）包（bāo）括下模板、凹模墊、凹模墊、凹模座、凹模(擠（jǐ）壓筒)和頂杆等。即（jí）模具的擠（jǐ）壓筒部分，外部結構采用下厚上薄的錐形（xíng）平台結構。裝配時，模具嵌入（rù）模座中，模具與模座緊密連接，有效（xiào）防止產品上行時隨衝頭一起被取出。模具內徑基本（běn）尺寸比產品設計外徑大0.5毫米，為正偏差，可避免擠壓過程中（zhōng）產品與模具（jù）內壁的摩擦，減小擠壓力，延長模具使用壽命。凹模也采用冷作模具鋼Cr12MoV，調質處理後，磨（mó）削後的表麵粗糙度值Ra≤3.2 μm，磨削餘量為0.1mm，磨削後的表麵粗（cū）糙度值Ra必須≤ 0.2μ m，頂杆裝配在凹模底部，頂杆與凹模的間隙為0.050~0.081mm，用於支撐錠坯壓縮變形，保證底部的形狀（zhuàng）和尺寸同（tóng）時配（pèi）合頂杆將擠壓出的銅（tóng）套產（chǎn）品向上推，實現（xiàn）與凹模的分離。

(3)要確定擠壓坯料的尺寸，首先（xiān）要計算坯（pī）料的體積。根據金屬塑性成形（xíng）原理的體積(或質量)不變定律（lǜ）[4]，即坯料V的（de）體（tǐ）積應等於（yú）產品V的體積，可表示為:V坯料= V係。v可以根據工藝設（shè）計的尺寸來計算。考慮到產品中存在一些圓弧、拐角等（děng）結構，在實際計算中不方便。因此采用近似計算，將銅（tóng）套產品簡化成圖4所示的形狀，根據圖4標注的尺寸近似計算產品體積。

V = vTotal-V1-V2，體（tǐ）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)。擠壓前後鑄錠圓柱直（zhí）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)。

如果理（lǐ）論計算尺寸為23.17mm，模具擠壓出（chū）的銅套產（chǎn）品尺寸很難達到設計要求。這是因（yīn）為在實際的設計工藝圖（tú）紙中，銅套產品的結構中還存在一些圓角、倒角等精細結構。鑒於零件結構（gòu）的微小變化(倒角、倒棱等工藝（yì）)，經過20多次反（fǎn）複的模具試（shì）驗，最終（zhōng）確定銅杆擠壓前的長度應為圖片mm。

5模具設計的創新

(1)擠壓過程中，封閉的擠壓筒內會產生氣體，這（zhè）些氣體的存在會增加擠壓力，也可能被擠壓到銅套（tào）製品中，在製品（pǐn）表麵形成凸起。氣體壓力過大還可能造成銅套製品變形，甚至導致模具(擠壓（yā）筒)爆裂，因此在鑄錠（dìng）擠壓過程中必須合（hé）理導出擠（jǐ）壓氣體。

為了解決這一問題（tí），衝頭的設計采（cǎi）用了下厚上薄（báo）的擠壓頭結構。工（gōng）作頭下部尺寸與銅套內徑相同，為（wéi）φ35.4mm，衝頭工作（zuò）頭（tóu）上部尺寸為φ 35.3mm，根據相關行業經驗，凸模工作部分上下兩端設計5°左右（yòu）的錐度，可以（yǐ）避免錠坯在反冷擠（jǐ）壓過程（chéng）中（zhōng）向周邊過度延伸， 導致製品與模具內腔緊密貼合，不利於製品的排氣和脫模。 其次，模具設計時，擠壓筒（tǒng）內（nèi）徑略大於（yú）錠坯內徑，有利於擠壓氣體的順利排出，避免錠坯與擠壓筒的接觸（chù）摩擦。

(2)銅套形狀的（de）回彈問題。整套模（mó）具采用內外（wài）預應力（lì）環形結構設計，有效避免了擠（jǐ）壓時銅的應力集（jí）中，防（fáng）止了（le）銅套形狀的（de）回（huí）彈。這些結（jié）構設計有效地解決了銅（tóng）套產品在反向（xiàng）冷擠壓（yā）過程（chéng）中的缺陷，大大降（jiàng）低（dī）了擠壓力，提高了擠壓速度，使金屬（shǔ）流動（dòng）均勻，產品質量穩定，一致性（xìng）高。

6使用模具時的注意事項

使用該套模具時還有以下注意事項:①T2錠放（fàng）入凹模擠（jǐ）壓前，必（bì）須（xū）去毛刺和（hé）倒角C1，以防劃傷凹模內壁。②擠壓前，T2錠坯在（zài）710～720℃退火4h，然後在爐中（zhōng）冷卻。熱處（chù）理（lǐ）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。同時將鑄錠放入濃度為400 ~ 800 g/L的工業硝酸溶液中（zhōng），去除銅（tóng）杆氧化皮。最後，用濃度為40 ~ 60 g/L的工業氫氧（yǎng）化鈉溶液洗滌（dí）鑄（zhù）錠（dìng），並在50 ~ 70℃下對其表麵（miàn）進行3小時氧化。(4)三層組（zǔ）合（hé）凹模壓製時，用液壓機在室溫（wēn）下壓製。每個環（huán）的（de）壓入順序是由外向內，即先將內預應力環壓入外預應力（lì）環，再將凹模壓入內預應力環，壓入順序相反。壓製後，凹模的型腔尺寸縮小，所以（yǐ）必（bì）須進行校正，使壓製（zhì）後的凹模型腔尺寸為所需尺寸。⑤模具組裝時，上模板和下模板的上下平麵平行度公差應在0.05mm，導柱和模板的垂直（zhí）度公差應≤0.05mm，導套和模板的垂直度公差應≤0.02mm⑥凸、凹（āo）模表麵擠壓時，每次擠壓需刷一次拉絲專用油。

7結束語（yǔ）

T2銅（tóng）套反向冷擠壓（yā）與常規車削的性（xìng）能對比見表（biǎo）2。從表2中可以看（kàn）出，使用反向冷擠壓（yā）模具可以在5s左右（yòu）生（shēng）產出銅（tóng）套產品。考慮到鑄錠的熱處理和清洗，生產T2銅（tóng）套的時（shí）間平均也不到17s，而用傳統的車（chē）削加工方法生產銅套的時間約為1200s。同（tóng）時，車削還會產生50%以上的廢料損（sǔn）失，比模具擠（jǐ）壓（yā）多消耗（hào）179倍的（de）工時和能源。反擠壓產品質量穩定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓模（mó）具生（shēng）產銅套（tào）產品是機（jī）械零件生產技術的一次創新，大大提高了生產效率和產品質（zhì）量穩定性（xìng），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（wéi）常規車削（xuē）的（de）6.32%。

這個案例可以作為當代企業降本增效的典型案例。這種反向冷擠壓的加工理念正逐（zhú）漸應用於不同等級的（de）鋼（gāng）材。隨著研（yán）究（jiū）的（de）深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域肯定會越來越廣。