孟憲旗

(寧波博威麥特萊科技有限公司,浙江 寧波 315135)

連續(xù)擠壓技術(shù)在有色金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于其具有工藝流程短、能耗低、產(chǎn)品尺寸精度高、制品內(nèi)部組織均勻等優(yōu)勢，在高精密的換向器制造領(lǐng)域得到推廣利用。

換向器用銅排傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是采用上引連鑄，經(jīng)多道次拉伸退火、多道次軋制，最終用成型模具拉制出成品，缺點是加工周期長、能耗高、污染大，且精度不能得到保證。近年來換向器生產(chǎn)逐漸向自動化、短流程方向發(fā)展，同時對銅排的質(zhì)量性能要求也越來越高，對連續(xù)擠壓的工藝工裝提出了更嚴格的要求。

為了節(jié)約用工成本,生產(chǎn)廠家往往是一機多用，在不影響生產(chǎn)專用換向器銅排的情況下，為了提高設(shè)備利用率，銅排生產(chǎn)廠家在選購設(shè)備時一般會選擇比較小的250、300連續(xù)擠壓機來生產(chǎn)換向器用銅排，同時又用這些設(shè)備兼做一些特殊規(guī)格的換向器用銅排，但是用300連續(xù)擠壓機生產(chǎn)大規(guī)格換向器銅排產(chǎn)品，又存在工裝模具能力不足的現(xiàn)象。本文從工廠生產(chǎn)實際情況出發(fā)，在不增添設(shè)備配置的情況下，如何用300連續(xù)擠壓機通過只改變模具結(jié)構(gòu)設(shè)計來生產(chǎn)寬度大于30mm、肩寬比(型材寬度方向上、最寬處與最窄處的比例)大于4的異型銅排，來解決這一銅排生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)難題。

1 常規(guī)措施

換向器用連續(xù)擠壓模具常用的有平模和錐模(圖1)兩種，從模具加工難易程度考慮，平模容易加工，適合擠壓小規(guī)格的異型銅排；錐模較難加工，適合于擠壓大規(guī)格復雜的異型銅排。擠壓時，要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、精度要求、擠壓腔體擴展比大小來確定是用平模還是錐模，不能因為模具選用錯誤而加劇?？滋幗饘倭魉俨痪鶆?，導致不良品出現(xiàn)，增加產(chǎn)品報廢。

圖1

擠壓過程中金屬塑性變形的不均勻性普遍存在，即使形狀規(guī)則的產(chǎn)品也不例外，這種擠壓過程中的金屬塑性變形不均勻直接導致在擠壓制品中出現(xiàn)扭曲、尺寸不均勻，嚴重時會出現(xiàn)裂紋、開裂等缺陷。

常規(guī)解決擠壓過程中金屬流動不均勻的措施有：輕微的尺寸變化、充不滿、毛刺等產(chǎn)品缺陷可通過調(diào)整擠壓腔體間隙、壓實輪壓下量、擠壓速度等工藝參數(shù)來解決；模具設(shè)計也可作為解決金屬流動不均勻性的一種方法，但當出現(xiàn)嚴重邊部開裂時，或者當擠壓寬度大于30mm、肩寬比大于4的異型銅排時，采用常規(guī)調(diào)整措施和工模具設(shè)計無法解決擠壓時出現(xiàn)的嚴重質(zhì)量缺陷。根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗，通過優(yōu)化工模具設(shè)計，調(diào)整金屬在?？滋幍臄D壓力分布，使金屬塑性變形均勻，可以減少300連續(xù)擠壓生產(chǎn)時出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。

2 大規(guī)格異型換向器用銅排模具設(shè)計要點

生產(chǎn)大規(guī)格異型銅排時(寬度>30mm、肩寬比>4)，300連續(xù)擠壓機采用大擴展比腔體，該腔體的特點是中心金屬流速快，邊部金屬流速慢，金屬流動異常不均勻，從而使擠壓出的材料中心存在拉應(yīng)力，邊部存在壓應(yīng)力，這種受力不均勻會使型材出現(xiàn)變形、扭曲、尺寸變化等質(zhì)量缺陷；若這種受力差別過大，還會出現(xiàn)型材中心部位充不滿、邊部撕裂，最終導致產(chǎn)品報廢。對于這種塑性變形的不均勻性，可通過優(yōu)化模具設(shè)計來平衡這種塑性流動的不均勻程度。

2.1 錐模設(shè)計

從金屬流動性方面考慮，錐模比平模的金屬流動要均勻，在模具加工條件不受限制的情況下，擠壓形狀不規(guī)則異形銅排時，使用錐模較好。由于連續(xù)擠壓技術(shù)特點的限制，使用錐模會比使用平模的擠壓力大，因此，要合理設(shè)計變形區(qū)錐度、變形區(qū)高度、定徑帶高度，這三個參數(shù)需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、產(chǎn)品精度統(tǒng)一進行設(shè)計，不能只注重設(shè)計一個參數(shù)，而忽略其它參數(shù)。常用的300連續(xù)擠壓錐模設(shè)計參數(shù)如圖2所示。圖2中，a為2.0°～12.0°，b為3.0°～15°，d1為1.5～5.0mm， d2為2.0～6.0mm，模具進口處采用≤0.5mm的圓角過度，接合部位采用圓角過度。

圖2

2.2 合理確定模孔位置

連續(xù)擠壓時，模具設(shè)計一般要考慮兩個中心，分別是擠壓中心和型材的幾何中心。對于形狀規(guī)則的型材，擠壓時金屬流動比不規(guī)則形狀型材相對均勻即擠壓力分布是對稱的，兩個中心在設(shè)計和制造時是完全重合的；但當型材結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，擠壓時金屬流動就變得異常不均勻。對于肩寬比較大的型材，擠壓時窄邊的變形抗力大、寬邊的變形抗力小，這時就要對型材的幾何中心做一定距離的偏移，使小頭靠近擠壓中心，相應(yīng)地提高窄邊的金屬流動速度，降低寬邊的金屬流動速度，最終使兩邊的金屬流動速度趨于平衡。擠壓模具的中心設(shè)計如圖3所示。

圖3

2.3 采用變喇叭角(變形區(qū)角度)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

該方法的實質(zhì)是變形區(qū)模具的喇叭角大，此處的有效擠壓分力就越小，同時金屬流動的阻力也越大，實際產(chǎn)生的擠壓力小，金屬的流動速度降低；反之，變形區(qū)模具的喇叭角小，此處的有效擠壓分力越大，金屬的流動速度就越快。模具設(shè)計時，增大寬邊或者擠壓中心部位模具的喇叭角，減小遠離擠壓中心或者窄邊的喇叭角，使?？滋幍慕饘倭鲃于呄蚓鶆?，以達到穩(wěn)定的擠壓過程。因平模無喇叭角，故此方法只適用于錐模。

2.4 采用不等長定徑帶的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于定徑帶的長短同金屬的流動速度呈反比例關(guān)系，短定徑帶金屬流動阻力小、流動速度快；長定徑帶金屬流動阻力大、流動速度慢。設(shè)計模具時，窄邊采用短定徑帶，寬邊采用長定徑帶；遠離擠壓中心采用短定徑帶,靠近擠壓中心采用長定徑帶,可根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸和實際生產(chǎn)狀況綜合考慮。

當生產(chǎn)較寬的異型材(寬度>45mm、肩寬比大于4)時，通過改變模孔位置選擇、使用變喇叭角或變定徑帶長度均無效時，刻考慮對以上三項模具參數(shù)統(tǒng)一設(shè)計，使擠壓時金屬流速均勻，提高擠壓穩(wěn)定性。

2.5 采用阻礙角或者促流角

該方法在精密模具加工時難度比較大，實際生產(chǎn)中很少采用。對于某些特殊形狀的產(chǎn)品，通過設(shè)置阻礙角或者是促流角來阻止或降低金屬流速，達到金屬均勻流動的目的。在異型材厚度大的部位設(shè)置阻礙角降低金屬流速，在異型材厚度小的部位設(shè)置促流角，增加金屬流速。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況及相關(guān)文獻資料介紹，連續(xù)擠壓的阻礙角一般設(shè)置為3°～8°，為了便于模具修理，設(shè)計模具時阻礙角一般采用下限；促流角角度一般為3°～10°。

3 小規(guī)格異型換向器用銅排連續(xù)擠壓模具設(shè)計要點

擠壓小規(guī)格的異型換向器用銅排時，選用小擴展比的腔體，其金屬流動比大擴展比的腔體要均勻很多，模具結(jié)構(gòu)一般選用平模(圖1)。模具設(shè)計時，只需將型材的幾何中心往小邊或者小頭偏移0.5～6.0mm做為型材的擠壓中心即可(圖3)。實際偏移量可根據(jù)所選模芯材料的尺寸大小來決定，確保偏移后?？走吘壘嚯x模芯邊緣不小于3mm。

4 連續(xù)擠壓模具的其它設(shè)計要點

(1)裕量。由于熱脹冷縮，模具定徑帶尺寸與實際擠出制品尺寸并不相等。設(shè)計時應(yīng)確保產(chǎn)品在冷狀態(tài)下不超過規(guī)定尺寸要求的尺寸公差，同時盡量延長模具的使用壽命。考慮收縮和模具使用壽命這兩種因素，連續(xù)擠壓模具的裕量系數(shù)一般選擇為1.01～1.02；

(2)補償量。擠壓形狀復雜的精密異型銅排時，模具因受擠壓變形而被壓塌的狀況是不同的，對于易變形產(chǎn)品的較薄部位，要適當增加0.02～0.05mm作為補償量。

5 模具加工

模具加工精度的優(yōu)劣直接影響到連續(xù)擠壓是否能夠順利進行，而且直接決定工裝壽命長短、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣和產(chǎn)品耗能高低，特別是連續(xù)擠壓模具工作區(qū)域的表面光潔度直接影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量、擠壓力大小和金屬流動速度。根據(jù)目前國產(chǎn)模具制作和修理設(shè)備的狀況，工作區(qū)域的光潔度一般為Ra0.2～Ra0.4，常用方法有：

(1)快走絲或中走絲線切割先進行粗加工，然后人工研磨、拋光。該方法適用于產(chǎn)品精度要求不高的產(chǎn)品；

(2)慢走絲線切割加工。由于慢走絲線切割加工所用切割線是一次性使用，故該方法的加工尺寸精度可達到0.002mm，表面光潔度可達到Ra0.2，適用于高精密模具的一次性成型加工。但該方法的缺點是對操作人員的技能要求較高，設(shè)備價格高且對設(shè)備工作環(huán)境要求相對苛刻。綜合考慮，通常選用日本產(chǎn)沙迪克、國產(chǎn)蘇州三光設(shè)備的較多。對于高精密度換向器用銅排擠壓模具，現(xiàn)多采用慢走絲線切割加工。

連續(xù)擠壓模坯和模芯的制作同常規(guī)臥式擠壓的制作方法基本一致，需要重點注意的是，由于連續(xù)擠壓是連續(xù)工作運行，最長可連續(xù)工作約48h，因此模芯材料需選擇具有好的耐高溫性、良好的耐疲勞失效性、抗高溫變形性的優(yōu)質(zhì)高溫模具合金鋼。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實踐，針對300連續(xù)擠壓機擠壓肩寬比大的換向器用異型銅排的模具設(shè)計提出詳細的設(shè)計思路，運用最小阻力定律論述了連續(xù)擠壓金屬塑性變形規(guī)律，并簡要闡述了小規(guī)格換向器用銅排模具的設(shè)計方法和模具的制作要求。實踐證明，該模具設(shè)計方法可用來指導300連續(xù)擠壓機異型銅排的生產(chǎn)。

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