變壓器高壓導(dǎo)電桿毛坯精密成形工藝及模具設(shè)計(jì)

文/司貞員，趙亞中，胡占樓·河南森源電氣股份有限公司劉汀，張麗萍·河南科技大學(xué)

變壓器高壓導(dǎo)電桿毛坯精密成形工藝及模具設(shè)計(jì)

文/司貞員，趙亞中，胡占樓·河南森源電氣股份有限公司劉汀，張麗萍·河南科技大學(xué)

司貞員，工程師，1999年畢業(yè)于鄭州工學(xué)院機(jī)械電子專業(yè)，同年進(jìn)入河南森源電氣有限公司工作，主要從事電器產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品研發(fā)工作。

變壓器高壓導(dǎo)電桿是用于變壓器線圈引出線與外部高壓線連接的一個(gè)重要零部件，材料是T2銅，要求表面硬度不低于80HBS。采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)料，而且還不能保證其硬度指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用“四道變形工序”的冷擠壓精密成形工藝，解決了其成形和表面硬度問(wèn)題。同時(shí)運(yùn)用DEFORM軟件對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬分析，確定優(yōu)化了工藝方案和模具參數(shù)，制定了高效率、低消耗的工藝流程。

前言

變壓器高壓導(dǎo)電桿是用于變壓器線圈引出線與外部高壓線連接的一個(gè)零件，如圖1所示，材料為T(mén)2銅。該零件屬于階梯軸類零件，它的特征是具有雙向臺(tái)階，形狀細(xì)長(zhǎng)并且含有兩軸對(duì)稱凸臺(tái)，具體尺寸如圖2所示。從零件的外形來(lái)看可以用機(jī)械加工、擠壓等方法進(jìn)行加工生產(chǎn)。但是因?yàn)槠浔砻嬗捕纫筝^高，采用機(jī)械加工根本達(dá)不到，也不是熱擠壓和溫?cái)D壓可以實(shí)現(xiàn)的，只能通過(guò)冷擠壓產(chǎn)生的加工硬化效果來(lái)達(dá)到，因此采用冷擠壓加工是最合適的方案。

工藝分析

制定冷擠壓件圖

圖1 變壓器高壓導(dǎo)電桿設(shè)計(jì)圖

圖2 變壓器高壓導(dǎo)電桿零件圖

圖3 變壓器高壓導(dǎo)電桿擠壓件圖

考慮到冷擠壓的特點(diǎn)，該零件的形狀需要作出以下修改：零件上的孔以及螺紋都采用機(jī)械加工去完成，需要留適當(dāng)?shù)募庸び嗔浚{(diào)整后的冷擠壓件圖如圖3所示。

工藝方案的制定

從該零件的外形來(lái)看可以采用圓棒料毛坯進(jìn)行冷擠壓成形，由于其最大直徑為φ34mm，最小直徑為φ12.5mm，中間直徑分別為φ17.5mm和φ20mm。選擇毛坯直徑時(shí)若取最大直徑則與最小直徑差距太大，會(huì)使變形程度加大，不利于冷擠壓成形。另外若采用正擠壓，坯料長(zhǎng)徑比不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)加大摩擦阻力，增大擠壓力，所以也不能取太小的直徑。所取毛坯直徑應(yīng)使各工序變形程度較小且不能超出材料的許用變形程度。經(jīng)計(jì)算，取毛坯直徑為中間直徑φ28mm較為適宜。

該零件可采用兩道工序進(jìn)行擠壓成形，1序用正擠壓和反擠壓同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合擠壓方式擠壓出φ12.5mm的小軸端和φ17.5mm的長(zhǎng)軸端；2序用正擠壓和鐓擠壓同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合擠壓方式擠壓出異形凸臺(tái)和φ34mm最大臺(tái)階軸。在擠壓前和工序間采用硬脂酸鋅作為潤(rùn)滑劑。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，該方案是能夠完成零件的成形工藝的。但該方案成形力會(huì)比較大，工序1大小端直徑和長(zhǎng)度差別較大，會(huì)導(dǎo)致小軸端成形不充分，工序2中最難成形的部位即兩異形凸臺(tái)處的成形缺陷會(huì)比較大，所以該方案需要重新調(diào)整。

工藝方案的優(yōu)化

考慮到采用兩道工序時(shí)擠壓力較大，且小軸端和異形凸臺(tái)部分成形效果不佳，且該零件需要在常溫下進(jìn)行擠壓，為了減小擠壓力和更好的成形，可以將兩道工序增加為4道工序 ，即：正擠直徑φ12.5mm的短軸端→正擠直徑φ17.5mm的長(zhǎng)軸端→復(fù)合擠壓異形凸臺(tái)→復(fù)合擠壓直徑φ34mm的最大臺(tái)階軸。各工序的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 各工序模擬

工序1和2正擠壓時(shí)，為了減小擠壓力可以在凹模中設(shè)置工作帶，這樣可以減少摩擦接觸面積，提高模具壽命。工序3和工序4均為正擠壓和鐓擠同時(shí)進(jìn)行的復(fù)合擠壓成形，由于坯料鐓擠的阻力要小于正擠壓的阻力，坯料在鐓擠方向會(huì)先填滿模腔，為了減慢鐓擠填充的速度，在鐓擠方向的模腔底面設(shè)置阻尼溝，正擠凸臺(tái)完成后，坯料在鐓擠方向還未貼住模腔，這樣可以降低擠壓力。

從模擬結(jié)果中可以得出，工序1擠壓力約為800kN，工序2擠壓力約為600kN，工序3擠壓力約為600kN，工序4擠壓力約為1000kN。工序1和工序2壓力行程曲線大致呈線性，擠壓力比較小，變化均勻，等效應(yīng)力較??；工序3和工序4擠壓力初始時(shí)較小為線性變化，而后顯著增大后急劇上升，說(shuō)明擠壓到一定程度后難以繼續(xù)變形，但總體等效應(yīng)力不大。從模擬結(jié)果來(lái)看，各工序的成形效果較好，擠壓力大小適當(dāng)，所以該零件采用四道變形工序的冷擠壓精密成形方案可行。

模具設(shè)計(jì)

工序1模具設(shè)計(jì)

工序1正擠壓?？傃b圖如圖5所示，上下模通過(guò)導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向，保證了良好的導(dǎo)向精度，凸模12和上墊板8通過(guò)凸模固定圈11、法蘭盤(pán)10以及旋合螺母13連接到上模板，旋合螺母通過(guò)螺紋連接到法蘭盤(pán)上，凸模固定圈固定在旋合螺母和法蘭盤(pán)之間，這樣設(shè)計(jì)固定可靠，裝卸方便，可以提高生產(chǎn)率。

由于凹模模腔較深不便加工，所以采用組合式凹模，將凹模分為上凹模14和下凹模16兩部分，并且一同壓入到凹模預(yù)應(yīng)力圈4中，然后將預(yù)應(yīng)力圈同固定圈19連接緊固在下模板上，這種凹模結(jié)構(gòu)不但增加強(qiáng)度、便于加工且易于模芯更換，保證了模具合模精度，提高換模速度。

圖5 工序1正擠壓模總裝圖

工序2模具設(shè)計(jì)

工序2正擠壓?？傃b圖如圖6所示，上模部分只需更換凸模和凸模固定圈，其余部分通用。凸模為便于加工和減小內(nèi)部與擠壓件頭部的應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)成凸模芯棒14和外凸模17組合的凸模形式。由于該工序需要容納長(zhǎng)軸端，凹模為便于加工，分為上凹模16、中凹模19和下凹模22三部分，上凹模和中凹模壓入預(yù)應(yīng)力圈5，為減小對(duì)下凹模的沖擊，在中凹模和下凹模之間加一墊板。

工序3模具設(shè)計(jì)

工序3復(fù)合擠壓?？傃b圖如圖7所示，上模部分同樣只需更換凸模和凸模固定圈。上半部分凹模腔較淺，只需將凹模分為上凹模8和下凹模22。

圖6 工序2正擠壓模

圖7 工序3鐓擠壓模

圖8 工序4鐓擠壓模

工序4模具設(shè)計(jì)

工序4復(fù)合擠壓?？傃b圖如圖8所示，其大體設(shè)計(jì)同工序3。

結(jié)論

⑴采用四道變形工序的冷擠壓精密成形的工藝方法成形變壓器高壓導(dǎo)電桿產(chǎn)品，工藝合理可靠，產(chǎn)品性能好，質(zhì)量高。

⑵基于DEFORM-3D的有限元模擬可以直觀地分析坯料的變形和模具的受力情況，是優(yōu)化成形工藝及模具設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具。