異型銅材成形模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化淺析

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摘要：作為工業(yè)原料，銅及銅合金型材非常常見。各種類型的銅合金管材不論是從生產(chǎn)還是應(yīng)用，都占據(jù)銅管材市場(chǎng)的主要地位。在銅材的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，模具起到非常關(guān)鍵的作用。銅材生產(chǎn)水平取決于模具設(shè)計(jì)的合理性。本文針對(duì)異型銅材在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在的常見問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，通過(guò)改變生產(chǎn)過(guò)程中的工藝、模具等措施，針對(duì)性地提出常見問(wèn)題的解決方案，以希望對(duì)異型銅材的加工提供新的解決思路與方法。

關(guān)鍵詞：異型銅材；模具；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0引言

在傳統(tǒng)管類型材的加工過(guò)程中，有通用的流程。一般使用的流程是擠壓→軋頭→酸洗→一次拉拔出半成品→退火→酸洗→二次拉拔出成品。此種生產(chǎn)方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品表面質(zhì)量好、抗拉強(qiáng)度強(qiáng)、晶粒細(xì)化、尺寸無(wú)偏差。但是在異型管類的加工過(guò)程中，如果采用傳統(tǒng)方法就會(huì)有問(wèn)題產(chǎn)生。[1]

1異型銅材的生產(chǎn)加工現(xiàn)狀

以某公司生產(chǎn)的異型銅材生產(chǎn)加工過(guò)程為例，了解異型銅材的生產(chǎn)加工現(xiàn)狀。該公司生產(chǎn)的“D”型管材為異型銅管材。顧名思義，因其橫截面與英文字母大寫的“D”相似，該管材被稱為D型管材。正常的“D”型銅管材結(jié)構(gòu)如圖1所示。其機(jī)械性能要求十分嚴(yán)格，抗拉強(qiáng)度在300~340N/mm2之間，布氏強(qiáng)度在81.6~107.1單位之間，導(dǎo)電率在97%IACS以上。所以生產(chǎn)難度特別大，產(chǎn)品底面與弧面厚度不一致（即偏壁問(wèn)題）非常容易出現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中。經(jīng)過(guò)研究得出，出現(xiàn)偏壁問(wèn)題的原因主要有兩種：①在開坯階段，使用1800T臥式帶水封油壓機(jī)，成形過(guò)程中，受力不均導(dǎo)致成品不達(dá)標(biāo)。金屬的流動(dòng)性未達(dá)預(yù)期也是失敗原因之一。這些都屬于工具、設(shè)備狀況所帶來(lái)的問(wèn)題。②在拉拔成品階段，使用30T拉拔機(jī)，模具、設(shè)備狀況未達(dá)設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致偏壁問(wèn)題產(chǎn)生。

2異型銅管生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1“D”型銅管熱擠壓生產(chǎn)階段出現(xiàn)的問(wèn)題

“D”型銅管在其熱擠壓生產(chǎn)階段會(huì)有問(wèn)題產(chǎn)生，如產(chǎn)品偏壁、模具開裂、產(chǎn)品扭擰等。下面分別進(jìn)行分析，闡述其形成原因。異型銅材的熱擠壓原理如圖2所示，各組成部分分別是1：擠壓軸、2：擠壓墊、3：擠壓筒、4：穿孔針、5：鑄錠、6：擠壓模、7：擠壓管材。2.1.1“D”型銅管的偏壁及扭擰問(wèn)題?！癉”型銅管底面的厚度本應(yīng)與弧面厚度相等，但是如果兩者不等，則為產(chǎn)品的偏壁問(wèn)題。偏壁問(wèn)題如圖3所示。“D”型銅管應(yīng)所有角度一致，但如果發(fā)生不同角度的扭曲幸虧，那么就是扭擰問(wèn)題。發(fā)生這些情況，銅管就宣告報(bào)廢，無(wú)法使用了。發(fā)生偏壁、扭擰主要原因如下：①熱擠壓模具的工作帶設(shè)計(jì)問(wèn)題。工作帶如果長(zhǎng)度不夠，那么?？缀徒饘僦g的摩擦作用會(huì)變?nèi)?，在整個(gè)熱擠壓過(guò)程中，金屬會(huì)快速流動(dòng)，容易出現(xiàn)金屬的流動(dòng)不均勻情況。流動(dòng)速度不均勻會(huì)發(fā)生扭擰、偏壁等問(wèn)題。②熱擠壓模具和熱擠壓用穿孔針相對(duì)位置偏移。在熱擠壓過(guò)程中，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力是穿孔針承受的，側(cè)向力與正向力是熱擠壓模具承受的。這就導(dǎo)致了熱擠壓模具、穿孔針的相對(duì)位置發(fā)生改變，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的偏壁。③本應(yīng)處于同一中心線上的穿孔針、熱擠壓模具、擠壓筒、擠壓軸相對(duì)位置出現(xiàn)偏移。在生產(chǎn)過(guò)程中，工作時(shí)間的過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致擠壓軸的活動(dòng)導(dǎo)軌受損，從而發(fā)生上述四者不再處于同一中心線的情況，最終發(fā)生產(chǎn)品偏壁現(xiàn)象。2.1.2“D”型銅管的熱擠壓模具開裂問(wèn)題。在熱擠壓階段，如果擠壓應(yīng)力太大，模具本身的擠壓比不合理設(shè)置等因素都會(huì)導(dǎo)致模具的開裂，模具一旦開裂，產(chǎn)品必然質(zhì)量不好。本文對(duì)廢棄的“D”型銅管進(jìn)行分析，也對(duì)熱擠壓模具的開裂部分進(jìn)行仔細(xì)管材研究，發(fā)現(xiàn)熱擠壓模具之所以會(huì)開裂，是因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，因壓力、摩擦力、溫度等因素的影響，模具容易產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象，熱疲勞現(xiàn)象使得模具變得脆弱而開裂。

2.2“D”型銅管拉拔生產(chǎn)階段出現(xiàn)的問(wèn)題

“D”型管材拉拔模具是錐模，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，模具與模座的配合不好，兩者發(fā)生位移，則會(huì)出現(xiàn)偏壁、扭擰等問(wèn)題。在實(shí)際拉拔過(guò)程中，受力不均的話，多余的力會(huì)作用到“D”型管上，管與拉拔用芯頭之間產(chǎn)生的軸向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致拉拔用芯頭與模具的位置發(fā)生改變，也會(huì)導(dǎo)致異型管材的偏壁、扭擰。

3異型銅材成形模具的優(yōu)化方案

3.1“D”型銅管熱擠壓用模具的優(yōu)化方案

有足夠的穩(wěn)定性、物理性能是擠壓異型銅材所使用的擠壓模具的基本要求。具有這些特性才能在生產(chǎn)工作條件下保障產(chǎn)品尺寸標(biāo)準(zhǔn)、品質(zhì)好，而不是過(guò)早塑形變形或者開裂等。設(shè)計(jì)合理的擠壓模具是異型銅管生產(chǎn)效率與質(zhì)量的可靠保障。導(dǎo)致異型銅材出現(xiàn)問(wèn)題的主要是擠壓模具、穿孔針、拉拔模具等，針對(duì)這些模具進(jìn)行優(yōu)化勢(shì)在必行。3.1.1熱擠壓模具不同問(wèn)題的應(yīng)對(duì)方案。①熱擠壓模具開裂的應(yīng)對(duì)方案?！癉”型銅管在熱擠壓過(guò)程中，模具出現(xiàn)開裂現(xiàn)象是由于熱擠壓模具的設(shè)計(jì)缺乏合理性所導(dǎo)致的?！癉”型銅管在熱擠壓過(guò)程中所使用的錐模是傳統(tǒng)銅材的模具，在生產(chǎn)過(guò)程中，工況使得模具有熱疲勞產(chǎn)生，最終導(dǎo)致模具開裂。應(yīng)對(duì)模具開裂現(xiàn)象，本文基于傳統(tǒng)銅材熱擠壓錐模基礎(chǔ)，對(duì)“D”型銅管的熱擠壓模具進(jìn)行改造。原理上是要對(duì)熱擠壓模具的擠壓比進(jìn)行縮減，那么實(shí)際操作中就是增大入口角的角度，增加工作帶的長(zhǎng)度。改造之后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模具未開裂，但是成品的質(zhì)量參差不齊，這表明雖然改進(jìn)了開裂問(wèn)題，但其他問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索解決方案。②熱擠壓產(chǎn)品偏壁的應(yīng)對(duì)方案。產(chǎn)品偏壁問(wèn)題產(chǎn)生原因上文已表述，那么現(xiàn)在就針對(duì)這些因素進(jìn)行改進(jìn)。將不在同一中心線的穿孔針、擠壓筒、擠壓軸、熱擠壓模具中心調(diào)整一致。此外，熱擠壓模具工作面和擠壓筒的結(jié)合部分調(diào)整到位，不留空隙。對(duì)模具與模座的結(jié)合間隙進(jìn)行細(xì)致檢查，并調(diào)整到位。最后，在進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)偏壁問(wèn)題并未解決。此后改變思路，從錠坯加熱階段進(jìn)行研究。在生產(chǎn)過(guò)程中，其他條件不變，只有溫度不斷升高，以此來(lái)判斷銅錠的加熱是否會(huì)引起產(chǎn)品偏壁。試驗(yàn)過(guò)程中，先加熱至860度，偏壁現(xiàn)象存在；后加熱至880度，偏壁問(wèn)題仍未解決。因此可斷定，偏壁與銅錠加熱溫度關(guān)系不大。經(jīng)排除法排除后，調(diào)整擠壓筒、擠壓軸斷面變形、模座支撐面改變、內(nèi)襯磨損、針支撐連接器、穿孔針等的松動(dòng)，這些無(wú)法與偏壁關(guān)聯(lián)。那么剩下的就是模具本身設(shè)計(jì)問(wèn)題，使得金屬不能按原計(jì)劃方式進(jìn)行流動(dòng)。[2]原模具除定型孔外的部分都是錐模。異型管材生產(chǎn)過(guò)程中，金屬流過(guò)定型孔時(shí)候，在接近模具表面位置有擠壓死區(qū)呈一定比例形成存在。應(yīng)力在受擠壓時(shí)并不能釋放完全，導(dǎo)致模具跟穿孔針之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后的產(chǎn)品則會(huì)發(fā)生偏壁。那么，采用定位鍵進(jìn)行定位，則可避免模具跟穿孔針發(fā)生相對(duì)位移。有了模具與模套之間連接鍵的改良模具在經(jīng)過(guò)測(cè)試后，結(jié)果合格，基本解決了偏壁問(wèn)題。3.1.2“D”型銅管生產(chǎn)用穿孔針的優(yōu)化方案。在“D”型銅管生產(chǎn)過(guò)程中，其斷面不對(duì)稱，導(dǎo)致其所受的應(yīng)力不均勻，在穿孔針前端部位有一種彎曲應(yīng)力產(chǎn)生，所以“D”型銅管受力不均產(chǎn)生壁偏現(xiàn)象。且由于急冷急熱，穿孔針的針頭就容易出現(xiàn)開裂問(wèn)題，本文對(duì)整體式的穿孔針進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的穿孔針由整體式變?yōu)閮审w式，也稱組合式，如圖4所示，1為針體部分，2為針頭部分。穿孔針的設(shè)計(jì)改為針頭與針體兩個(gè)部分，其中針體設(shè)計(jì)成管狀結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部可加設(shè)水冷卻管用來(lái)解決穿孔針的高溫需要退火的問(wèn)題。針頭部位是可拆卸的，針體則可以循環(huán)使用。這種組合式的穿孔針投入試驗(yàn)后，制成異型銅管100段，90根以上未發(fā)生偏壁現(xiàn)象。因此，這種改進(jìn)是正確的。

3.2“D”型銅管的拉拔用模具優(yōu)化方案

模座設(shè)置成浮動(dòng)形式的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的狀況來(lái)隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，把模具與模座之間的相對(duì)位置調(diào)整成最佳狀態(tài)，著力解決產(chǎn)品偏壁現(xiàn)象。這種浮動(dòng)模座最大的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品狀態(tài)隨時(shí)隨地調(diào)節(jié)，非常靈活，用于解決異型管材的偏壁問(wèn)題大有益處。[3]

4結(jié)束語(yǔ)

本文以“D”型銅管的生產(chǎn)過(guò)程為例，對(duì)異型銅材成形模具提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。主要針對(duì)的是異型銅材在生產(chǎn)加工過(guò)程中，因拉拔模具、擠壓模具等所導(dǎo)致的產(chǎn)品不合格問(wèn)題。對(duì)擠壓階段的模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可更好地應(yīng)對(duì)異型銅材的熱擠壓成形問(wèn)題；對(duì)拉拔階段的模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可更好地應(yīng)對(duì)異型銅材的拉拔成形問(wèn)題。通過(guò)這些改造與優(yōu)化，可有效解決異型銅材成形過(guò)程中的偏差與廢品，促進(jìn)生產(chǎn)的順利實(shí)施，對(duì)該類型產(chǎn)品的生產(chǎn)具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧祥勝，趙慶輝，張永統(tǒng)，陳全明.異型銅材生產(chǎn)工藝優(yōu)化[J].模具技術(shù)，2014（01）：29-33.

[2]趙慶輝.異型銅材成形模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].河南科技大學(xué)，2015.

[3]劉永亮，李耀群.銅及銅合金擠壓生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

作者:俞土明 單位:杭州富陽(yáng)星宇銅業(yè)有限公司