T2铜套反向冷挤压模具设计

1前言

金属挤压技术可分为正向挤压、反向挤压和特种挤压[1]。我国正挤压技术的研究起步较早，可以追溯到20世纪60年代。铝和铜材料的单作用和双作用挤压都达到了很高的水平。特别是近年来大型正挤压设备的研制成功，举世瞩目，但我国对反挤压的研究起步较晚。受全球能源和人力资源短缺的影响，对金属冷挤压产品的需求逐年增加，尤其是对精度高、批量大、原材料损耗多、耗时长的产品的需求。采用反挤压技术对我国经济建设和节能减排政策的实施具有现实意义。开展反挤压技术的研究对解决人类能源危机和人力资源短缺具有重要意义。

2反向冷挤压技术

反挤压技术是指金属制品的挤压方向与施加的挤压力相反的一种金属加工技术[2]。反挤压技术是指一种不需要对挤压出的金属原材料和挤压工具进行加热的金属锻造工艺。

(1)优点与正向挤压和特种挤压相比，反向挤压有许多明显的优点。①挤压力小，挤压过程中锭坯与挤压筒之间无摩擦，挤压模具使用寿命长。②挤压速度越高，挤压过程中铸锭表面温度变化越小。③挤压质量相对稳定，挤压时金属变形的阻力小，金属截面变形程度均匀，几乎没有挤压缺陷和粗晶倾向，锭坯弹性变形面积大，没有变形“死区”。④挤压产生的废料少，能耗低，原材料浪费少。

(2)缺点反向冷挤压需要专用模具，模具改造成本高，周期长。所以反冷挤压技术主要用在批量大的地方。另外，由于采用模具加工，产品的尺寸精度和表面质量达不到高精度水平，所以反向冷挤压技术一般应用于表面质量不高的零件的加工。

T2铜套生产技术

(1)T2金属属性我国的纯铜有T1、T2、T3三种，其中T2铜应用较为广泛。T2的铜含量超过99.90%，具有优异的导电性、导热性和耐腐蚀性。适用于各种加工方法，主要用作导电、导热、耐腐蚀元件。

(2)铜套的工艺要求。一个电力设备常用的导电铜套实体如图1所示，图2是其设计图。导电铜套外径45mm，内径35.4mm，外长52mm，内深45mm，外底有φ22.3mm×4mm凹坑。铜套筒外表面的表面粗糙度Ra为6.3μm，内表面的表面粗糙度Ra为3.2 μ m

这种导电铜套主要用于活动连接高压供配电线路，类似于接触式开关。铜套内表面为工作面，铜套无毛刺、凹坑、氧化皮、凸起、裂纹等表面缺陷。这种导电铜套的常规工艺是车床加工，主要工艺是用铜棒车床钻孔→精加工内孔→四周转坑→转倒角。导电套翻转时间约为20min，产生的废铜约为原料铜锭坯的1/2。

4反向冷挤压模具的设计

(1)模具设计思路导电铜套采用T2铜，塑性好，在拉伸和压缩下具有良好的金属流动性和延展性，不易断裂和表面损伤。随着温度的升高，T2铜的抗拉强度和屈服极限会降低，这更有利于塑性变形。但T2铜在热加工过程中容易发生氧化反应，特别是在铜杆表面，容易产生坚硬的黑色氧化皮，会大大降低产品的导电性，同时产品外观上会出现许多黑色氧化斑，严重影响产品的表面质量。因此，对于铜导电零件，应尽量避免热加工过程。

为了不改变铜套的导电性和导热性以及产品的外观形状，通常对铜导电零件进行冷加工处理。本文中导电铜套的设计思路是利用金属压机和成套模具，采用反向冷挤压原理压制铜锭坯。通过驱动压力机，配合上下模具，带动铜锭坯料反向塑性变形，以满足产品工艺设计的要求。

(2)成套模具组成T2铜套反冷挤压成套模具如图3所示，模具装配图详见表1。根据模具各部分的功能，整个模具大致可以分为四个部分:凸模、凹模、脱模装置和模具附属装置[3]。

冲头部分主要包括上模板、冲头垫、冲头、冲头套和连接螺栓。凸模(即型芯)的设计是整套模具的关键。凸模是阶梯轴，按其功能可分为三部分——较细的顶部是工作部分，中部是脱模装置的配合部分，较粗的尾部是凸模与凸模套的连接部分，即型芯的夹紧部分。冲头采用冷作模具钢Cr12MoV其耐磨并具有高强度和硬度。模具凸顶的工作端面不允许有顶孔，支撑端面不允许有凹痕；凸阶梯轴各外径旋转轴的同轴度误差≤0.01mm；冲头台阶轴在安装前需要进行调质处理，热处理后冲头台阶轴的硬度需要达到61 ~ 63 HRC磨削冲头工作部分前，表面粗糙度值Ra≤3.2 μm，表面不允许有凹凸不平，冲头磨削余量≥ 0.1mm，磨削后磨削量为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、凹模垫、凹模垫、凹模座、凹模(挤压筒)和顶杆等。即模具的挤压筒部分，外部结构采用下厚上薄的锥形平台结构。装配时，模具嵌入模座中，模具与模座紧密连接，有效防止产品上行时随冲头一起被取出。模具内径基本尺寸比产品设计外径大0.5毫米，为正偏差，可避免挤压过程中产品与模具内壁的摩擦，减小挤压力，延长模具使用寿命。凹模也采用冷作模具钢Cr12MoV，调质处理后，磨削后的表面粗糙度值Ra≤3.2 μm，磨削余量为0.1mm，磨削后的表面粗糙度值Ra必须≤ 0.2μ m，顶杆装配在凹模底部，顶杆与凹模的间隙为0.050~0.081mm，用于支撑锭坯压缩变形，保证底部的形状和尺寸同时配合顶杆将挤压出的铜套产品向上推，实现与凹模的分离。

(3)要确定挤压坯料的尺寸，首先要计算坯料的体积。根据金属塑性成形原理的体积(或质量)不变定律[4]，即坯料V的体积应等于产品V的体积，可表示为:V坯料= V系。v可以根据工艺设计的尺寸来计算。考虑到产品中存在一些圆弧、拐角等结构，在实际计算中不方便。因此采用近似计算，将铜套产品简化成图4所示的形状，根据图4标注的尺寸近似计算产品体积。

V = vTotal-V1-V2，体积的计算公式为V = π RH，则V = 3.14×22.5×52-3.14×17.7×45-3.14×11.15×4 = 36831.1324(mm)。挤压前后铸锭圆柱直径为φ45mm时，铸锭高度h = V坯/(π r) = V系/(πr)≈36831.1324/(3.14×22.5)= 23.17(mm)。

如果理论计算尺寸为23.17mm，模具挤压出的铜套产品尺寸很难达到设计要求。这是因为在实际的设计工艺图纸中，铜套产品的结构中还存在一些圆角、倒角等精细结构。鉴于零件结构的微小变化(倒角、倒棱等工艺)，经过20多次反复的模具试验，最终确定铜杆挤压前的长度应为图片mm。

5模具设计的创新

(1)挤压过程中，封闭的挤压筒内会产生气体，这些气体的存在会增加挤压力，也可能被挤压到铜套制品中，在制品表面形成凸起。气体压力过大还可能造成铜套制品变形，甚至导致模具(挤压筒)爆裂，因此在铸锭挤压过程中必须合理导出挤压气体。

为了解决这一问题，冲头的设计采用了下厚上薄的挤压头结构。工作头下部尺寸与铜套内径相同，为φ35.4mm，冲头工作头上部尺寸为φ 35.3mm，根据相关行业经验，凸模工作部分上下两端设计5°左右的锥度，可以避免锭坯在反冷挤压过程中向周边过度延伸， 导致制品与模具内腔紧密贴合，不利于制品的排气和脱模。 其次，模具设计时，挤压筒内径略大于锭坯内径，有利于挤压气体的顺利排出，避免锭坯与挤压筒的接触摩擦。

(2)铜套形状的回弹问题。整套模具采用内外预应力环形结构设计，有效避免了挤压时铜的应力集中，防止了铜套形状的回弹。这些结构设计有效地解决了铜套产品在反向冷挤压过程中的缺陷，大大降低了挤压力，提高了挤压速度，使金属流动均匀，产品质量稳定，一致性高。

6使用模具时的注意事项

使用该套模具时还有以下注意事项:①T2锭放入凹模挤压前，必须去毛刺和倒角C1，以防划伤凹模内壁。②挤压前，T2锭坯在710～720℃退火4h，然后在炉中冷却。热处理后铜棒硬度控制在38 ~ 42hb，退火一次约10000片。③退火后，T2锭用汽油、60 ~ 100℃热水和冷水清洗。同时将铸锭放入浓度为400 ~ 800 g/L的工业硝酸溶液中，去除铜杆氧化皮。最后，用浓度为40 ~ 60 g/L的工业氢氧化钠溶液洗涤铸锭，并在50 ~ 70℃下对其表面进行3小时氧化。(4)三层组合凹模压制时，用液压机在室温下压制。每个环的压入顺序是由外向内，即先将内预应力环压入外预应力环，再将凹模压入内预应力环，压入顺序相反。压制后，凹模的型腔尺寸缩小，所以必须进行校正，使压制后的凹模型腔尺寸为所需尺寸。⑤模具组装时，上模板和下模板的上下平面平行度公差应在0.05mm，导柱和模板的垂直度公差应≤0.05mm，导套和模板的垂直度公差应≤0.02mm⑥凸、凹模表面挤压时，每次挤压需刷一次拉丝专用油。

7结束语

T2铜套反向冷挤压与常规车削的性能对比见表2。从表2中可以看出，使用反向冷挤压模具可以在5s左右生产出铜套产品。考虑到铸锭的热处理和清洗，生产T2铜套的时间平均也不到17s，而用传统的车削加工方法生产铜套的时间约为1200s。同时，车削还会产生50%以上的废料损失，比模具挤压多消耗179倍的工时和能源。反挤压产品质量稳定，几乎没有废品。利用反向冷挤压模具生产铜套产品是机械零件生产技术的一次创新，大大提高了生产效率和产品质量稳定性，同时降低了原材料和能源的消耗。单件加工的综合成本仅为常规车削的6.32%。

这个案例可以作为当代企业降本增效的典型案例。这种反向冷挤压的加工理念正逐渐应用于不同等级的钢材。随着研究的深入，反向冷挤压技术未来的应用领域肯定会越来越广。