淺析異型銅材成形模具的設計與優(yōu)化

俞土明

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)還是應用，都占據(jù)銅管材市場的主要地位。在銅材的生產(chǎn)過程當中，模具起到非常關鍵的作用。銅材生產(chǎn)水平取決于模具設計的合理性。本文針對異型銅材在實際生產(chǎn)過程中存在的常見問題進行研究和分析，通過改變生產(chǎn)過程中的工藝、模具等措施，針對性地提出常見問題的解決方案，以希望對異型銅材的加工提供新的解決思路與方法。

關鍵詞：異型銅材;模具;設計;優(yōu)化

中圖分類號：TG356? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0040-02

0? 引言

在傳統(tǒng)管類型材的加工過程中，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、抗拉強度強、晶粒細化、尺寸無偏差。但是在異型管類的加工過程中，如果采用傳統(tǒng)方法就會有問題產(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”型銅管材結構如圖1所示。其機械性能要求十分嚴格，抗拉強度在300～340N/mm2之間，布氏強度在81.6～107.1單位之間，導電率在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（即偏壁問題）非常容易出現(xiàn)在生產(chǎn)過程中。

經(jīng)過研究得出，出現(xiàn)偏壁問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，成形過程中，受力不均導致成品不達標。金屬的流動性未達預期也是失敗原因之一。這些都屬于工具、設備狀況所帶來的問題。②在拉拔成品階段，使用30T拉拔機，模具、設備狀況未達設計要求導致偏壁問題產(chǎn)生。

2? 異型銅管生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題

2.1 “D”型銅管熱擠壓生產(chǎn)階段出現(xiàn)的問題

“D”型銅管在其熱擠壓生產(chǎn)階段會有問題產(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題

“D”型銅管底面的厚度本應與弧面厚度相等，但是如果兩者不等，則為產(chǎn)品的偏壁問題。偏壁問題如圖3所示。

“D”型銅管應所有角度一致，但如果發(fā)生不同角度的扭曲幸虧，那么就是扭擰問題。

發(fā)生這些情況，銅管就宣告報廢，無法使用了。發(fā)生偏壁、扭擰主要原因如下：

①熱擠壓模具的工作帶設計問題。工作帶如果長度不夠，那么?？缀徒饘僦g的摩擦作用會變?nèi)酰谡麄€熱擠壓過程中，金屬會快速流動，容易出現(xiàn)金屬的流動不均勻情況。流動速度不均勻會發(fā)生扭擰、偏壁等問題。

②熱擠壓模具和熱擠壓用穿孔針相對位置偏移。在熱擠壓過程中，拉應力與壓應力是穿孔針承受的，側向力與正向力是熱擠壓模具承受的。這就導致了熱擠壓模具、穿孔針的相對位置發(fā)生改變，最終導致產(chǎn)品的偏壁。

③本應處于同一中心線上的穿孔針、熱擠壓模具、擠壓筒、擠壓軸相對位置出現(xiàn)偏移。在生產(chǎn)過程中，工作時間的過長會導致擠壓軸的活動導軌受損，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題

在熱擠壓階段，如果擠壓應力太大，模具本身的擠壓比不合理設置等因素都會導致模具的開裂，模具一旦開裂，產(chǎn)品必然質(zhì)量不好。

本文對廢棄的“D”型銅管進行分析，也對熱擠壓模具的開裂部分進行仔細管材研究，發(fā)現(xiàn)熱擠壓模具之所以會開裂，是因為在生產(chǎn)過程中，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)的問題

“D”型管材拉拔模具是錐模，在實際生產(chǎn)過程中，模具與模座的配合不好，兩者發(fā)生位移，則會出現(xiàn)偏壁、扭擰等問題。

在實際拉拔過程中，受力不均的話，多余的力會作用到“D”型管上，管與拉拔用芯頭之間產(chǎn)生的軸向應力會導致拉拔用芯頭與模具的位置發(fā)生改變，也會導致異型管材的偏壁、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)品尺寸標準、品質(zhì)好，而不是過早塑形變形或者開裂等。設計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。導致異型銅材出現(xiàn)問題的主要是擠壓模具、穿孔針、拉拔模具等，針對這些模具進行優(yōu)化勢在必行。

3.1.1 熱擠壓模具不同問題的應對方案

①熱擠壓模具開裂的應對方案。

“D”型銅管在熱擠壓過程中，模具出現(xiàn)開裂現(xiàn)象是由于熱擠壓模具的設計缺乏合理性所導致的。“D”型銅管在熱擠壓過程中所使用的錐模是傳統(tǒng)銅材的模具，在生產(chǎn)過程中，工況使得模具有熱疲勞產(chǎn)生，最終導致模具開裂。

應對模具開裂現(xiàn)象，本文基于傳統(tǒng)銅材熱擠壓錐?；A，對“D”型銅管的熱擠壓模具進行改造。原理上是要對熱擠壓模具的擠壓比進行縮減，那么實際操作中就是增大入口角的角度，增加工作帶的長度。改造之后進行試驗，發(fā)現(xiàn)模具未開裂，但是成品的質(zhì)量參差不齊，這表明雖然改進了開裂問題，但其他問題仍需進一步探索解決方案。

②熱擠壓產(chǎn)品偏壁的應對方案。

產(chǎn)品偏壁問題產(chǎn)生原因上文已表述，那么現(xiàn)在就針對這些因素進行改進。

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合部分調(diào)整到位，不留空隙。對模具與模座的結合間隙進行細致檢查，并調(diào)整到位。最后，在進行試驗，發(fā)現(xiàn)偏壁問題并未解決。

此后改變思路，從錠坯加熱階段進行研究。在生產(chǎn)過程中，其他條件不變，只有溫度不斷升高，以此來判斷銅錠的加熱是否會引起產(chǎn)品偏壁。試驗過程中，先加熱至860度，偏壁現(xiàn)象存在;后加熱至880度，偏壁問題仍未解決。因此可斷定，偏壁與銅錠加熱溫度關系不大。

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，這些無法與偏壁關聯(lián)。那么剩下的就是模具本身設計問題，使得金屬不能按原計劃方式進行流動。[2]

原模具除定型孔外的部分都是錐模。異型管材生產(chǎn)過程中，金屬流過定型孔時候，在接近模具表面位置有擠壓死區(qū)呈一定比例形成存在。應力在受擠壓時并不能釋放完全，導致模具跟穿孔針之間發(fā)生相對轉動，最后的產(chǎn)品則會發(fā)生偏壁。

那么，采用定位鍵進行定位，則可避免模具跟穿孔針發(fā)生相對位移。有了模具與模套之間連接鍵的改良模具在經(jīng)過測試后，結果合格，基本解決了偏壁問題。

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)過程中，其斷面不對稱，導致其所受的應力不均勻，在穿孔針前端部位有一種彎曲應力產(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)開裂問題，本文對整體式的穿孔針進行優(yōu)化改進，改進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。

穿孔針的設計改為針頭與針體兩個部分，其中針體設計成管狀結構，在其內(nèi)部可加設水冷卻管用來解決穿孔針的高溫需要退火的問題。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，這種改進是正確的。

3.2 “D”型銅管的拉拔用模具優(yōu)化方案

模座設置成浮動形式的。在實際生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)當時的狀況來隨時進行調(diào)節(jié)，把模具與模座之間的相對位置調(diào)整成最佳狀態(tài)，著力解決產(chǎn)品偏壁現(xiàn)象。這種浮動模座最大的優(yōu)點是根據(jù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品狀態(tài)隨時隨地調(diào)節(jié)，非常靈活，用于解決異型管材的偏壁問題大有益處。[3]

4? 結束語

本文以“D”型銅管的生產(chǎn)過程為例，對異型銅材成形模具提出優(yōu)化設計方案。主要針對的是異型銅材在生產(chǎn)加工過程中，因拉拔模具、擠壓模具等所導致的產(chǎn)品不合格問題。對擠壓階段的模具進行優(yōu)化設計后，可更好地應對異型銅材的熱擠壓成形問題;對拉拔階段的模具進行優(yōu)化設計后，可更好地應對異型銅材的拉拔成形問題。通過這些改造與優(yōu)化，可有效解決異型銅材成形過程中的偏差與廢品，促進生產(chǎn)的順利實施，對該類型產(chǎn)品的生產(chǎn)具有積極意義。

參考文獻：

[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，2014（01）：29-33.

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

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