1前言

金屬擠壓技術可分為正向擠壓、反向擠壓和特種擠壓[1]。我國正擠壓技術的研究起步較早，可以追溯到20世紀60年代。鋁和銅材料的單作用和雙作用擠壓都達到了很高的水平。特別是近年來大型正擠壓設備的研制成功，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、耗時長的產品的需求。采用反擠壓技術對我國經(jīng)濟建設和節(jié)能減排政策的實施具有現(xiàn)實意義。開展反擠壓技術的研究對解決人類能源危機和人力資源短缺具有重要意義。

2反向冷擠壓技術

反擠壓技術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[2]。反擠壓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(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。所以反冷擠壓技術主要用在批量大的地方。另外，由于采用模具加工，產品的尺寸精度和表面質量達不到高精度水平，所以反向冷擠壓技術一般應用于表面質量不高的零件的加工。

T2銅套生產技術

(1)T2金屬屬性我國的純銅有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(yōu)異的導電性、導熱性和耐腐蝕性。適用于各種加工方法，主要用作導電、導熱、耐腐蝕元件。

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

這種導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。銅套內表面為工作面，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→精加工內孔→四周轉坑→轉倒角。導電套翻轉時間約為20min，產生的廢銅約為原料銅錠坯的1/2。

4反向冷擠壓模具的設計

(1)模具設計思路導電銅套采用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，特別是在銅桿表面，容易產生堅硬的黑色氧化皮，會大大降低產品的導電性，同時產品外觀上會出現(xiàn)許多黑色氧化斑，嚴重影響產品的表面質量。因此，對于銅導電零件，應盡量避免熱加工過程。

為了不改變銅套的導電性和導熱性以及產品的外觀形狀，通常對銅導電零件進行冷加工處理。本文中導電銅套的設計思路是利用金屬壓機和成套模具，采用反向冷擠壓原理壓制銅錠坯。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)的設計是整套模具的關鍵。凸模是階梯軸，按其功能可分為三部分——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軸的同軸度誤差≤0.01mm；沖頭臺階軸在安裝前需要進行調質處理，熱處理后沖頭臺階軸的硬度需要達到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，外部結構采用下厚上薄的錐形平臺結構。裝配時，模具嵌入模座中，模具與模座緊密連接，有效防止產品上行時隨沖頭一起被取出。模具內徑基本尺寸比產品設計外徑大0.5毫米，為正偏差，可避免擠壓過程中產品與模具內壁的摩擦，減小擠壓力，延長模具使用壽命。凹模也采用冷作模具鋼Cr12MoV，調質處理后，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(或質量)不變定律[4]，即坯料V的體積應等于產品V的體積，可表示為:V坯料= V系。v可以根據(jù)工藝設計的尺寸來計算?？紤]到產品中存在一些圓弧、拐角等結構，在實際計算中不方便。因此采用近似計算，將銅套產品簡化成圖4所示的形狀，根據(jù)圖4標注的尺寸近似計算產品體積。

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品尺寸很難達到設計要求。這是因為在實際的設計工藝圖紙中，銅套產品的結構中還存在一些圓角、倒角等精細結構。鑒于零件結構的微小變化(倒角、倒棱等工藝)，經(jīng)過20多次反復的模具試驗，最終確定銅桿擠壓前的長度應為圖片mm。

5模具設計的創(chuàng)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。

為了解決這一問題，沖頭的設計采用了下厚上薄的擠壓頭結構。工作頭下部尺寸與銅套內徑相同，為φ35.4mm，沖頭工作頭上部尺寸為φ 35.3mm，根據(jù)相關行業(yè)經(jīng)驗，凸模工作部分上下兩端設計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， 導致制品與模具內腔緊密貼合，不利于制品的排氣和脫模。 其次，模具設計時，擠壓筒內徑略大于錠坯內徑，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。整套模具采用內外預應力環(huán)形結構設計，有效避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了銅套產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，產品質量穩(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℃下對其表面進行3小時氧化。(4)三層組合凹模壓制時，用液壓機在室溫下壓制。每個環(huán)的壓入順序是由外向內，即先將內預應力環(huán)壓入外預應力環(huán)，再將凹模壓入內預應力環(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在0.05mm，導柱和模板的垂直度公差應≤0.05mm，導套和模板的垂直度公差應≤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左右生產出銅套產品?？紤]到鑄錠的熱處理和清洗，生產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銅套的時間約為1200s。同時，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(wěn)定，幾乎沒有廢品。利用反向冷擠壓模具生產銅套產品是機械零件生產技術的一次創(chuàng)新，大大提高了生產效率和產品質量穩(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用于不同等級的鋼材。隨著研究的深入，反向冷擠壓技術未來的應用領域肯定會越來越廣。