董曉娟，權(quán)曉惠，宋長(zhǎng)洪，張立波，符志祥

(1．金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032;2．寧波長(zhǎng)振銅業(yè)有限公司，浙江 寧波 315473)

1 前言

近年來(lái)，全球能源短缺的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展和國(guó)家推進(jìn)節(jié)能減排政策的實(shí)施，許多銅加工企業(yè)在銅合金擠壓制品的生產(chǎn)中采用反向擠壓機(jī)，以降低能耗，提高生產(chǎn)效率及成材率，并滿足高質(zhì)量銅擠壓制品的需求。因此反向擠壓技術(shù)的應(yīng)用與研究顯得尤為重要。

2 銅合金反向擠壓時(shí)的塑性變形特點(diǎn)

反向擠壓與正向擠壓兩種擠壓方法時(shí)的金屬塑性變形特性如圖1所示。

由圖1a可以看出反向擠壓金屬流動(dòng)的特征是:擠壓變形過(guò)程中，鑄錠與擠壓筒之間沒(méi)有摩擦，沿鑄錠長(zhǎng)度無(wú)金屬周邊層剪切變形，彈性區(qū)的體積較大，塑性變形區(qū)局限在模口附近，無(wú)變形“死區(qū)”，橫斷面的變形程度較均勻。試驗(yàn)表明:在反向擠壓過(guò)程中，擠壓力、溫度、變形條件相對(duì)穩(wěn)定。

從圖1b可以看出正向擠壓金屬流動(dòng)的特征是:擠壓變形過(guò)程中，鑄錠與擠壓筒之間有一定摩擦，沿鑄錠長(zhǎng)度有較大金屬周邊層剪切變形，塑性變形區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)鑄錠體積上，變形“死區(qū)”較大。試驗(yàn)表明:在正向擠壓過(guò)程中，擠壓力、溫度、變形條件不穩(wěn)定。

正、反向擠壓金屬塑性變形特征的區(qū)別及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，反向擠壓相比正向擠壓具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)擠壓同規(guī)格單位制品時(shí)反向擠壓機(jī)的能耗比正向擠壓低約30%～45%。這是因?yàn)榉聪驍D壓時(shí)沒(méi)有摩擦力的影響，所需的擠壓力可降低20%～35%，擠壓同規(guī)格制品時(shí)反向擠壓的功率比正擠可降低約20%～25%;同時(shí)錠坯長(zhǎng)度比正擠可加長(zhǎng)約50%～60%，每一個(gè)擠壓周期里，反擠時(shí)的制品重量比正擠時(shí)高出約20%～40%;

(2)反向擠壓制品的成材率高于正向擠壓約5%～10%。主要是因?yàn)檎驍D壓的壓余厚度為反向擠壓的2倍多，才能避免縮尾出現(xiàn)的廢料。

(3)反向擠壓制品延長(zhǎng)度方向的性能基本一致。因?yàn)榉聪驍D壓變形程度較均勻，且無(wú)摩擦熱，坯錠和擠壓筒溫度在擠壓過(guò)程中基本均勻一致。

(4)在擠壓過(guò)程中，擠壓筒內(nèi)襯由于沒(méi)有摩擦，其使用壽命提高約1～2倍，生產(chǎn)設(shè)備成本大大降低。

3 銅合金反向擠壓的工藝及技術(shù)要求分析

從銅合金反向擠壓塑性變形的特點(diǎn)可以看出:由于反向擠壓過(guò)程中橫斷面的變形程度較均勻，因此鑄錠表面的雜質(zhì)及鑄造缺陷很容易被擠出到擠壓制品表面，從而影響制品質(zhì)量。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生以及減少熱錠氧化皮對(duì)制品質(zhì)量的影響，工藝上必須采用脫皮擠壓技術(shù)。

在擠壓結(jié)束后，在擠壓筒內(nèi)襯中殘留一含有雜質(zhì)及氧化皮的脫皮殼。在下次擠壓前，應(yīng)將其清理出擠壓筒，在筒內(nèi)不留有任何碎片，以保證下次擠壓時(shí)制品的質(zhì)量不受影響。因此應(yīng)具有對(duì)擠壓筒內(nèi)襯進(jìn)行有效清理的工序要求。

為了提高生產(chǎn)效率并降低能耗，反向擠壓采用長(zhǎng)錠擠壓，長(zhǎng)錠在擠壓筒內(nèi)鐓粗過(guò)程中，鑄錠與擠壓筒內(nèi)襯中形成密閉空間，若氣體不能有效排出，在擠壓時(shí)氣泡會(huì)被擠入，在制品表面產(chǎn)生氣泡或起皮缺陷，因此工藝要求必須有效排氣。

在正向擠壓過(guò)程中，擠壓筒緊貼在模具端面保持不動(dòng)。而在反向擠壓過(guò)程中，擠壓筒和擠壓堵頭同步運(yùn)動(dòng)。若擠壓筒的前進(jìn)速度大于擠壓堵頭，金屬就會(huì)從其結(jié)合面擠出形成大冒，使擠壓過(guò)程難以繼續(xù)進(jìn)行;若擠壓筒的前進(jìn)速度小于擠壓堵頭，將抵消掉一部分?jǐn)D壓力，使設(shè)備輸出的擠壓力降低，同時(shí)使擠壓筒移動(dòng)缸兩腔的壓力及流量發(fā)生變化，引起顫抖及振蕩。因此反向擠壓過(guò)程中必須保證擠壓筒和堵頭的同步運(yùn)動(dòng)。

在反向擠壓過(guò)程中，模具始終在擠壓筒內(nèi)。擠壓完畢后，模具被脫皮殼所包覆，模具無(wú)法從擠壓筒中取出，為了保證擠壓生產(chǎn)的效率，模具必須能從模軸上取下而循環(huán)使用。因此需要有一套模具自動(dòng)裝卸及定位循環(huán)系統(tǒng)。

4 銅合金反向擠壓關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)銅合金反向擠壓的工藝及技術(shù)要求，進(jìn)行了如下應(yīng)用研究。

4.1 提高反向擠壓機(jī)的設(shè)備精度，保證脫皮殼的完整性和均勻性

在銅合金長(zhǎng)錠反向擠壓過(guò)程中，為了保證擠出制品中不含有鑄錠表面的雜質(zhì)及氧化皮等缺陷，必須保證脫皮殼的均勻性和完整性。為此，除了在模具設(shè)計(jì)上應(yīng)保證模具外徑和擠壓筒取合理的間隙，以及模具外圓要有合理的倒角及圓角外，應(yīng)重點(diǎn)保證在擠壓過(guò)程中擠壓筒和模軸的同軸度。因此，銅合金反向擠壓機(jī)比正向擠壓機(jī)應(yīng)具有更高的精度要求，具體可通過(guò)如下幾個(gè)方面來(lái)提高。

(1)采用預(yù)應(yīng)力框架及短行程前上料結(jié)構(gòu)，提高壓機(jī)本體的剛度及精度。采用預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，由四根張力柱和壓套在預(yù)應(yīng)力作用下經(jīng)螺母擰緊，將前梁、主缸后梁組成一個(gè)剛性整體。其特點(diǎn)是:拉桿經(jīng)預(yù)伸長(zhǎng)、空心壓套經(jīng)預(yù)壓縮后，具有很大的抗彎曲剛度，在擠壓過(guò)程中框架彎曲變形小，經(jīng)模擬計(jì)算分析對(duì)比，預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度可提高約25%;拉桿伸長(zhǎng)量只有非預(yù)應(yīng)力拉桿的40%左右，前梁移動(dòng)量大大減少，各拉桿相對(duì)伸長(zhǎng)量誤差減小，擠壓過(guò)程中模軸對(duì)中精度的變化大大減小。

采用短行程結(jié)構(gòu)，框架開(kāi)檔長(zhǎng)度減少了約20%，擠壓行程縮短了30% ～40%，使得框架整體剛度在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又提高了約15%。

綜合采用如上結(jié)構(gòu)，可使壓機(jī)框架的剛度提高約40%，擠壓筒在擠壓過(guò)程中以框架壓套為導(dǎo)向，剛度的提高，大大減小了壓套的變形量，從而在擠壓過(guò)程中擠壓筒對(duì)中精度的變化也大大減小。

采用前上料方式，如圖2所示，通過(guò)堵頭和模具將坯錠夾持在壓機(jī)中心，可使坯錠近乎均勻的處于擠壓筒內(nèi)孔中心，在鐓粗過(guò)程中，擠壓筒不受橫向作用力，保證其對(duì)中精度不發(fā)生變化。而且在這種對(duì)中狀態(tài)下，加之采用梯度加熱，鐓粗時(shí)不會(huì)形成封閉空氣的死腔，有利于實(shí)現(xiàn)順序排氣，保證了制品中不含有氣泡及起皮等缺陷。

圖2 前上料與其它上料鐓粗對(duì)比

(2)采用缸梁整體式結(jié)構(gòu)，有效提高后梁和主缸的承載性能及剛度。目前，國(guó)內(nèi)外擠壓機(jī)的主缸都采用裝在后梁中心的方式，主缸采用鍛鋼，后梁采用鑄鋼件。

缸梁整體式結(jié)構(gòu)及應(yīng)力應(yīng)變，如圖3所示。缸體作為后梁的一部份，大大增強(qiáng)了后梁的抗彎截面模量;而整個(gè)梁作為缸體的法蘭，也使其抗彎能力大大改善。

經(jīng)有限元模擬分析計(jì)算對(duì)比，整體式比分體式在重量減輕25%的情況下，梁處的最大拉應(yīng)力比分體式降低約30%;變形量比分體式降低約30%;缸體的最大應(yīng)力比分體式降低約25%;

圖3 整體缸梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變

由此可見(jiàn)，采用缸梁整體式結(jié)構(gòu)有效提高了后梁和主缸的承載性能及剛度，進(jìn)而提高了壓機(jī)的精度，減小了擠壓過(guò)程中的同軸度變化。

(3)增設(shè)模軸鎖緊裝置，保證模軸在擠壓過(guò)程中的水平度。為了實(shí)現(xiàn)擠壓和清筒的交替工作，模軸應(yīng)隨模座一起橫向移動(dòng)。由于反向擠壓采用長(zhǎng)錠擠壓，模軸較長(zhǎng)，模具安裝在模軸前端，模軸及模座懸臂支撐在導(dǎo)軌上，為了橫向移動(dòng)，模座及導(dǎo)軌間要留有間隙，導(dǎo)致模軸及模具與擠壓筒不同軸。

為了保證模軸和擠壓筒的同軸度不發(fā)生變化，在前梁上增設(shè)了四個(gè)模座鎖緊缸，如圖4所示。鎖緊力的大小以能克服模座及模軸所受重力作用而產(chǎn)生的傾翻力矩為宜。

圖4 模軸鎖緊結(jié)構(gòu)

在擠壓過(guò)程中，鎖緊缸將模座拉緊，緊貼在前梁模墊上，模軸保持水平及與擠壓筒同軸狀態(tài)，保證了脫皮的均勻及完整。擠壓結(jié)束后，模座需要移動(dòng)時(shí)，鎖緊塊松開(kāi)，不影響其橫向運(yùn)動(dòng)。

4.2 彈性固定清理墊，有效清除脫皮殼

反向銅擠壓生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的清筒方式多采用活動(dòng)清理墊或剛性固定墊。

活動(dòng)墊需要一套清理墊循環(huán)及裝載系統(tǒng)，一方面延長(zhǎng)了擠壓周期時(shí)間，使擠壓生產(chǎn)效率降低，另一方面該系統(tǒng)和模具循環(huán)及裝載系統(tǒng)位置沖突，占用了設(shè)備周?chē)臻g，使得設(shè)備維護(hù)及操作不方便。

剛性固定墊對(duì)擠壓筒和清理軸的同軸度要求極高，使用多次磨損后就無(wú)法把擠壓筒中氧化皮徹底清理掉，殘留碎片造成制品缺陷，而且經(jīng)常損傷擠壓筒或清理墊，降低其使用壽命。

中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司研制的彈性固定清理墊裝置，能在反向擠壓清筒過(guò)程中自動(dòng)保持與擠壓筒內(nèi)壁緊密貼合，將擠壓筒中的氧化脫皮殼完全清除并不損傷擠壓筒，可減少清理墊及擠壓筒磨損。

彈性固定清理墊裝置工作原理:將清理墊通過(guò)壓環(huán)固定在清理軸上，實(shí)現(xiàn)了固定清理墊的功能。由于清理環(huán)是一偏心開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，具有一定的彈性，不受外力時(shí)自動(dòng)沿開(kāi)縫處張開(kāi)，使其外徑大于擠壓筒內(nèi)孔。當(dāng)對(duì)擠壓筒內(nèi)孔進(jìn)行清理時(shí)，由于擠壓筒端部有較大倒角，可保證清理墊順利進(jìn)入，進(jìn)入后壓縮清理環(huán)自動(dòng)收縮并緊緊貼合在擠壓筒內(nèi)壁，從而保證了很好的清理效果，并減少了擠壓筒及清理墊的磨損。

4.3 采用梯度加熱，保證有效排氣

試驗(yàn)研究表明，對(duì)鑄錠采用工頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱，使鑄錠延長(zhǎng)度方向的溫度梯度達(dá)到約80～100℃/m，能保證在鐓粗過(guò)程中順序排氣，有效防止了制品表面的氣泡或起皮缺陷。同時(shí)，盡可能減小鑄錠與擠壓筒的間隙，減少鑄錠在鐓粗過(guò)程中的彎曲及變形量也是有效排氣措施之一。

4.4 擠壓筒和堵頭的同步運(yùn)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外反向擠壓機(jī)的擠壓筒與擠壓堵頭的同步控制，多采用電液比例同步跟隨控制，在擠壓筒和擠壓堵頭上分別安裝位移傳感器對(duì)單位時(shí)間里的位移量進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)比例調(diào)速不斷調(diào)節(jié)擠壓筒的運(yùn)動(dòng)速度，以跟隨擠壓堵頭實(shí)現(xiàn)同步，這種方式控制復(fù)雜、成本高，且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中受環(huán)境溫度及系統(tǒng)壓力變化影響較大，由于不斷修正調(diào)節(jié)，擠壓筒與熱鑄錠的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)法消除，摩擦難以徹底消除，對(duì)擠出制品的質(zhì)量及擠壓筒內(nèi)襯壽命總是有些影響。

中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司研制的擠壓筒與擠壓堵頭完全同步的控制系統(tǒng)，不受環(huán)境及系統(tǒng)壓力變化的影響，可保證擠壓筒與擠壓堵頭沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖5所示，在擠壓筒移動(dòng)缸鎖緊腔油路上設(shè)置一個(gè)兩級(jí)背壓閥;在擠壓筒移動(dòng)缸打開(kāi)腔油路上設(shè)置一個(gè)補(bǔ)油閥。

圖5 擠壓筒同步控制系統(tǒng)

同步控制系統(tǒng)工作原理:在堵頭前進(jìn)擠壓熱坯錠時(shí)，其端面臺(tái)階和擠壓筒端面貼合推動(dòng)擠壓筒前進(jìn)。調(diào)整背壓閥第二級(jí)壓力，以保證堵頭與擠壓筒端面達(dá)到合理的密封力，可防止被擠壓金屬?gòu)慕Y(jié)合面流出形成大冒，同時(shí)也避免了擠壓筒運(yùn)動(dòng)比堵頭快。為了保證擠壓筒前進(jìn)平穩(wěn)可靠，堵頭推動(dòng)擠壓筒前進(jìn)時(shí)，擠壓筒移動(dòng)缸打開(kāi)腔通過(guò)補(bǔ)油閥進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)油，防止了其吸空造成密封破壞及無(wú)法前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的完全同步控制。擠壓筒單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)其油路上的進(jìn)(排)液閥進(jìn)(排)油，背壓閥和補(bǔ)油閥不起作用，不影響其獨(dú)自運(yùn)動(dòng)時(shí)的快速性及準(zhǔn)確性。經(jīng)計(jì)算分析，此系統(tǒng)僅使擠壓力損失了約1%，對(duì)整體擠壓力沒(méi)有大的影響。

4.5 模具自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)

在銅合金反向擠壓機(jī)過(guò)程中，模具在每次擠壓完成后，只能從擠壓筒內(nèi)襯中的脫皮殼中頂出取下，經(jīng)修整后再次裝回使用。這一過(guò)程在現(xiàn)有擠壓機(jī)中基本都是靠人工、或半人工半機(jī)械的方式完成的。這種方式缺點(diǎn)是很明顯的，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，生產(chǎn)效率低，人員易受傷，擠壓機(jī)等待時(shí)間長(zhǎng);較大尺寸的模具因重量重且溫度高，這種方式實(shí)施困難。

為了提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出一種銅合金反向擠壓機(jī)用模具自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模具自動(dòng)裝卸定位及自動(dòng)循環(huán)。

如圖6所示，模具自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)主要由模具接收器1、模具提升裝置2、模具轉(zhuǎn)向及輸送裝置3、模具裝載裝置4等組成。

圖6 模具自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)

工作時(shí)，模具接收器1將模具從模軸上取下并將其放到提升裝置2的斜坡中，模具滾入提升裝置2，提升機(jī)構(gòu)將模具提升到位后，模具滾入轉(zhuǎn)向裝置A，并轉(zhuǎn)向?qū)⒛＞邼L入轉(zhuǎn)向裝置B，此時(shí)轉(zhuǎn)向裝置B擋板擋住模具并轉(zhuǎn)向，操作人員在此將模具滾入修模平臺(tái)進(jìn)行修模，完成后將模具推入轉(zhuǎn)向裝置B并打開(kāi)擋板，模具繼續(xù)滾動(dòng)至模具裝載裝置4，裝載小車(chē)推動(dòng)模具前進(jìn)到模具裝載位對(duì)模具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位，定位好后將模具自動(dòng)裝入模軸后返回原位，完成一次工作自動(dòng)循環(huán)。

該循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)中有2～3個(gè)模具在循環(huán)使用。在本次擠壓過(guò)程中，對(duì)上次擠壓退出的模具進(jìn)行檢查、修復(fù)及潤(rùn)滑，保證了整個(gè)生產(chǎn)不受影響;同時(shí)可使模具得到適當(dāng)冷卻，提高了模具壽命及制品質(zhì)量。

(2)在擠壓多根制品時(shí)，模具裝載時(shí)的準(zhǔn)確方位非常重要，本系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)出了模具自動(dòng)旋轉(zhuǎn)及定位裝置，確保了模具裝在模軸上的準(zhǔn)確方位，避免了人工裝載時(shí)的誤差，使擠壓過(guò)程中金屬塑性流動(dòng)規(guī)律不會(huì)發(fā)生變化，從而保證了多根擠壓制品性能的均勻一致性。

(3)模具循環(huán)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率，增加了設(shè)備的先進(jìn)性，并使擠壓機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化成為可能。

5 結(jié)論

(1)銅合金反向擠壓能耗比正向擠壓低約30%～45%，成材率高約5%～8%;擠壓制品性能優(yōu)于正向擠壓;工具壽命提高1～2倍。

(2)根據(jù)銅合金反向擠壓工藝技術(shù)的要求，對(duì)擠壓脫皮殼的均勻完整、擠壓筒同步控制、模具自動(dòng)循環(huán)等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究并取得了一定成果，為我國(guó)今后反向擠壓技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］ 魏軍．金屬擠壓機(jī)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［2］ 趙曉輝，權(quán)曉惠．31.5 MN銅棒線反向擠壓機(jī)［J］．重型機(jī)械，2007，(1)．