1前言

金屬擠壓技術(shù)可分為正向擠壓、反向擠壓和特種擠壓[1]。我國正擠壓技術(shù)的研究起步較早，可以追溯到20世紀(jì)60年代。鋁和銅材料的單作用和雙作用擠壓都達(dá)到了很高的水平。特別是近年來大型正擠壓設(shè)備的研制成功，舉世矚目，但我國對反擠壓的研究起步較晚。受全球能源和人力資源短缺的影響，對金屬冷擠壓產(chǎn)品的需求逐年增加，尤其是對精度高、批量大、原材料損耗多、耗時長的產(chǎn)品的需求。采用反擠壓技術(shù)對我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和節(jié)能減排政策的實施具有現(xiàn)實意義。開展反擠壓技術(shù)的研究對解決人類能源危機(jī)和人力資源短缺具有重要意義。

2反向冷擠壓技術(shù)

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

(1)優(yōu)點與正向擠壓和特種擠壓相比，反向擠壓有許多明顯的優(yōu)點。①擠壓力小，擠壓過程中錠坯與擠壓筒之間無摩擦，擠壓模具使用壽命長。②擠壓速度越高，擠壓過程中鑄錠表面溫度變化越小。③擠壓質(zhì)量相對穩(wěn)定，擠壓時金屬變形的阻力小，金屬截面變形程度均勻，幾乎沒有擠壓缺陷和粗晶傾向，錠坯彈性變形面積大，沒有變形“死區(qū)”。④擠壓產(chǎn)生的廢料少，能耗低，原材料浪費少。

(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(shù)主要用在批量大的地方。另外，由于采用模具加工，產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量達(dá)不到高精度水平，所以反向冷擠壓技術(shù)一般應(yīng)用于表面質(zhì)量不高的零件的加工。

T2銅套生產(chǎn)技術(shù)

(1)T2金屬屬性我國的純銅有T1、T2、T3三種，其中T2銅應(yīng)用較為廣泛。T2的銅含量超過99.90%，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性。適用于各種加工方法，主要用作導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕元件。

(2)銅套的工藝要求。一個電力設(shè)備常用的導(dǎo)電銅套實體如圖1所示，圖2是其設(shè)計圖。導(dǎo)電銅套外徑45mm，內(nèi)徑35.4mm，外長52mm，內(nèi)深45mm，外底有φ22.3mm×4mm凹坑。銅套筒外表面的表面粗糙度Ra為6.3μm，內(nèi)表面的表面粗糙度Ra為3.2 μ m

這種導(dǎo)電銅套主要用于活動連接高壓供配電線路，類似于接觸式開關(guān)。銅套內(nèi)表面為工作面，銅套無毛刺、凹坑、氧化皮、凸起、裂紋等表面缺陷。這種導(dǎo)電銅套的常規(guī)工藝是車床加工，主要工藝是用銅棒車床鉆孔→精加工內(nèi)孔→四周轉(zhuǎn)坑→轉(zhuǎn)倒角。導(dǎo)電套翻轉(zhuǎn)時間約為20min，產(chǎn)生的廢銅約為原料銅錠坯的1/2。

4反向冷擠壓模具的設(shè)計

(1)模具設(shè)計思路導(dǎo)電銅套采用T2銅，塑性好，在拉伸和壓縮下具有良好的金屬流動性和延展性，不易斷裂和表面損傷。隨著溫度的升高，T2銅的抗拉強(qiáng)度和屈服極限會降低，這更有利于塑性變形。但T2銅在熱加工過程中容易發(fā)生氧化反應(yīng)，特別是在銅桿表面，容易產(chǎn)生堅硬的黑色氧化皮，會大大降低產(chǎn)品的導(dǎo)電性，同時產(chǎn)品外觀上會出現(xiàn)許多黑色氧化斑，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。因此，對于銅導(dǎo)電零件，應(yīng)盡量避免熱加工過程。

為了不改變銅套的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及產(chǎn)品的外觀形狀，通常對銅導(dǎo)電零件進(jìn)行冷加工處理。本文中導(dǎo)電銅套的設(shè)計思路是利用金屬壓機(jī)和成套模具，采用反向冷擠壓原理壓制銅錠坯。通過驅(qū)動壓力機(jī)，配合上下模具，帶動銅錠坯料反向塑性變形，以滿足產(chǎn)品工藝設(shè)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，模具裝配圖詳見表1。根據(jù)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、脫模裝置和模具附屬裝置[3]。

沖頭部分主要包括上模板、沖頭墊、沖頭、沖頭套和連接螺栓。凸模(即型芯)的設(shè)計是整套模具的關(guān)鍵。凸模是階梯軸，按其功能可分為三部分——較細(xì)的頂部是工作部分，中部是脫模裝置的配合部分，較粗的尾部是凸模與凸模套的連接部分，即型芯的夾緊部分。沖頭采用冷作模具鋼Cr12MoV其耐磨并具有高強(qiáng)度和硬度。模具凸頂?shù)墓ぷ鞫嗣娌辉试S有頂孔，支撐端面不允許有凹痕；凸階梯軸各外徑旋轉(zhuǎn)軸的同軸度誤差≤0.01mm；沖頭臺階軸在安裝前需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，熱處理后沖頭臺階軸的硬度需要達(dá)到61 ~ 63 HRC磨削沖頭工作部分前，表面粗糙度值Ra≤3.2 μm，表面不允許有凹凸不平，沖頭磨削余量≥ 0.1mm，磨削后磨削量為0.01~0.02mm，磨削表面粗糙度值Ra≤0.2 μm。

凹模主要包括下模板、凹模墊、凹模墊、凹模座、凹模(擠壓筒)和頂桿等。即模具的擠壓筒部分，外部結(jié)構(gòu)采用下厚上薄的錐形平臺結(jié)構(gòu)。裝配時，模具嵌入模座中，模具與模座緊密連接，有效防止產(chǎn)品上行時隨沖頭一起被取出。模具內(nèi)徑基本尺寸比產(chǎn)品設(shè)計外徑大0.5毫米，為正偏差，可避免擠壓過程中產(chǎn)品與模具內(nèi)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(diào)質(zhì)處理后，磨削后的表面粗糙度值Ra≤3.2 μm，磨削余量為0.1mm，磨削后的表面粗糙度值Ra必須≤ 0.2μ m，頂桿裝配在凹模底部，頂桿與凹模的間隙為0.050~0.081mm，用于支撐錠坯壓縮變形，保證底部的形狀和尺寸同時配合頂桿將擠壓出的銅套產(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，首先要計算坯料的體積。根據(jù)金屬塑性成形原理的體積(或質(zhì)量)不變定律[4]，即坯料V的體積應(yīng)等于產(chǎn)品V的體積，可表示為:V坯料= V系。v可以根據(jù)工藝設(shè)計的尺寸來計算。考慮到產(chǎn)品中存在一些圓弧、拐角等結(jié)構(gòu)，在實際計算中不方便。因此采用近似計算，將銅套產(chǎn)品簡化成圖4所示的形狀，根據(jù)圖4標(biāo)注的尺寸近似計算產(chǎn)品體積。

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)。擠壓前后鑄錠圓柱直徑為φ45mm時，鑄錠高度h = V坯/(π r) = V系/(πr)≈36831.1324/(3.14×22.5)= 23.17(mm)。

如果理論計算尺寸為23.17mm，模具擠壓出的銅套產(chǎn)品尺寸很難達(dá)到設(shè)計要求。這是因為在實際的設(shè)計工藝圖紙中，銅套產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中還存在一些圓角、倒角等精細(xì)結(jié)構(gòu)。鑒于零件結(jié)構(gòu)的微小變化(倒角、倒棱等工藝)，經(jīng)過20多次反復(fù)的模具試驗，最終確定銅桿擠壓前的長度應(yīng)為圖片mm。

5模具設(shè)計的創(chuàng)新

(1)擠壓過程中，封閉的擠壓筒內(nèi)會產(chǎn)生氣體，這些氣體的存在會增加擠壓力，也可能被擠壓到銅套制品中，在制品表面形成凸起。氣體壓力過大還可能造成銅套制品變形，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(dǎo)出擠壓氣體。

為了解決這一問題，沖頭的設(shè)計采用了下厚上薄的擠壓頭結(jié)構(gòu)。工作頭下部尺寸與銅套內(nèi)徑相同，為φ35.4mm，沖頭工作頭上部尺寸為φ 35.3mm，根據(jù)相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗，凸模工作部分上下兩端設(shè)計5°左右的錐度，可以避免錠坯在反冷擠壓過程中向周邊過度延伸， 導(dǎo)致制品與模具內(nèi)腔緊密貼合，不利于制品的排氣和脫模。 其次，模具設(shè)計時，擠壓筒內(nèi)徑略大于錠坯內(nèi)徑，有利于擠壓氣體的順利排出，避免錠坯與擠壓筒的接觸摩擦。

(2)銅套形狀的回彈問題。整套模具采用內(nèi)外預(yù)應(yīng)力環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效避免了擠壓時銅的應(yīng)力集中，防止了銅套形狀的回彈。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計有效地解決了銅套產(chǎn)品在反向冷擠壓過程中的缺陷，大大降低了擠壓力，提高了擠壓速度，使金屬流動均勻，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，一致性高。

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錠放入凹模擠壓前，必須去毛刺和倒角C1，以防劃傷凹模內(nèi)壁。②擠壓前，T2錠坯在710～720℃退火4h，然后在爐中冷卻。熱處理后銅棒硬度控制在38 ~ 42hb，退火一次約10000片。③退火后，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(yè)硝酸溶液中，去除銅桿氧化皮。最后，用濃度為40 ~ 60 g/L的工業(yè)氫氧化鈉溶液洗滌鑄錠，并在50 ~ 70℃下對其表面進(jìn)行3小時氧化。(4)三層組合凹模壓制時，用液壓機(jī)在室溫下壓制。每個環(huán)的壓入順序是由外向內(nèi)，即先將內(nèi)預(yù)應(yīng)力環(huán)壓入外預(yù)應(yīng)力環(huán)，再將凹模壓入內(nèi)預(yù)應(yīng)力環(huán)，壓入順序相反。壓制后，凹模的型腔尺寸縮小，所以必須進(jìn)行校正，使壓制后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面平行度公差應(yīng)在0.05mm，導(dǎo)柱和模板的垂直度公差應(yīng)≤0.05mm，導(dǎo)套和模板的垂直度公差應(yīng)≤0.02mm⑥凸、凹模表面擠壓時，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規(guī)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左右生產(chǎn)出銅套產(chǎn)品?？紤]到鑄錠的熱處理和清洗，生產(chǎn)T2銅套的時間平均也不到17s，而用傳統(tǒng)的車削加工方法生產(chǎn)銅套的時間約為1200s。同時，車削還會產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓模具生產(chǎn)銅套產(chǎn)品是機(jī)械零件生產(chǎn)技術(shù)的一次創(chuàng)新，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)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(guī)車削的6.32%。

這個案例可以作為當(dāng)代企業(yè)降本增效的典型案例。這種反向冷擠壓的加工理念正逐漸應(yīng)用于不同等級的鋼材。隨著研究的深入，反向冷擠壓技術(shù)未來的應(yīng)用領(lǐng)域肯定會越來越廣。