鋁合金連接套反向冷擠壓加工及模具

劉 峙，李 寧

（許昌技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，長葛 461500）

0 前言

鋁合金是在純鋁中加入銅、鋅、錳、硅、鎂等合金元素所形成的一種有色金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、塑性好等特點(diǎn)，并且還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性能等，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶、電力及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域中廣泛使用，使用量僅次于鋼[1]。

某航空設(shè)施上所用外置導(dǎo)電連接套，如圖1所示，采用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的6×××系鋁合金材質(zhì)，這個(gè)牌號(hào)的鋁合金具有較強(qiáng)抗氧化、抗腐蝕、強(qiáng)導(dǎo)電、高強(qiáng)度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，適用于車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)加工設(shè)備。

圖1 鋁合金連接套設(shè)計(jì)圖

該鋁合金導(dǎo)電連接套常規(guī)的加工方式為車床車削，工藝過程為將實(shí)心鋁合金棒料通過車床鉆孔、車削內(nèi)外表面等，單件工時(shí)20 min左右。考慮該連接套所需求的數(shù)量較大并且6×××系鋁合金具有較好的塑性以及優(yōu)良的機(jī)械加工等特點(diǎn)，采用反向冷擠壓加工方式進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，成功試制單件產(chǎn)品加工工時(shí)只需約5 s。與傳統(tǒng)車削加工方式相比，該加工方式大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，并且減少了人工工時(shí)、原材料損耗以及能源消耗。采用反向冷擠壓加工方式生產(chǎn)鋁合金航空零件，不僅拓寬了傳統(tǒng)機(jī)械加工方式，又符合現(xiàn)代企業(yè)精益化制造改善需求，很值得推廣應(yīng)用。

1 反向冷擠壓加工方式

利用壓力機(jī)設(shè)備和相關(guān)配套模具，在不需要對(duì)錠坯和模具加熱的情況下，對(duì)錠坯進(jìn)行擠壓變形，并且錠坯變形方向與壓力機(jī)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)方向相反，這種加工方式稱為反向冷擠壓加工[1]。如圖2所示，錠坯3在壓力機(jī)動(dòng)頭1的壓力作用下，產(chǎn)生與壓力機(jī)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)方向相反的一個(gè)“生長”變形。錠坯變形的形狀與模具凸模和凹模形狀有關(guān)[2]。

圖2 反向冷擠壓示意圖

2 鋁合金連接套結(jié)構(gòu)及常規(guī)加工方式

鋁合金連接套設(shè)計(jì)工藝圖如圖1所示。該連接套外徑尺寸為φ45 mm，內(nèi)徑為φ35.4 mm，外部長度為52 mm，內(nèi)部深度為45 mm，外底部帶有一φ22.3 mm×4 mm的凹坑。鋁合金連接套外表面粗糙度為，內(nèi)表面粗糙度為。

該鋁合金導(dǎo)電連接套在某航空設(shè)施上起高壓通電線路活連接作用，類似于接觸開關(guān)。該鋁合金連接套相當(dāng)于接觸開關(guān)的靜觸頭，在需要連接時(shí)將動(dòng)觸頭插入鋁合金連接套的內(nèi)孔，完成動(dòng)、靜觸頭的結(jié)合。

為確保動(dòng)、靜觸頭接觸良好，連接套內(nèi)部絕對(duì)不能存在毛刺、凹坑、氧化皮、凸起、裂紋等表面缺陷。

該鋁合金連接套常規(guī)加工工藝為車床加工，主要工序?yàn)殇X合金棒料下料→車床鉆孔→車削內(nèi)孔→車削斷面及倒角→掉頭車削凹坑→內(nèi)外表面清潔等[3]。對(duì)于一個(gè)熟練數(shù)控車床的操作者來說，加工一個(gè)合格的鋁合金連接套產(chǎn)品所需要的工時(shí)折算約20 min，產(chǎn)生的鋁合金屑廢料約為原材料的一半以上。

3 反向冷擠壓模具的設(shè)計(jì)及各組成部分

3.1 反向冷擠壓模具設(shè)計(jì)思路

根據(jù)6×××系鋁合金的金屬屬性分析和拉壓試驗(yàn)測試結(jié)果，為了不改變鋁合金連接件的產(chǎn)品功能、性能和外觀形狀，本導(dǎo)電連接套的設(shè)計(jì)思路就是利用壓力機(jī)和成套模具，利用反向擠壓原理對(duì)鋁合金錠坯進(jìn)行壓力加工，依靠壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)和上下模型配合，驅(qū)使錠坯發(fā)生反向塑性變形，從而達(dá)到設(shè)計(jì)工藝要求。

對(duì)于6×××系鋁合金材料來說在熱加工過程中很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)后鋁合金錠坯的表面會(huì)形成堅(jiān)硬的銀色氧化皮。這些氧化皮在壓力加工過程中會(huì)出現(xiàn)部分脫落，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀，并且這些氧化皮也大大降低連接件的導(dǎo)電性能以及導(dǎo)電的可靠性。同時(shí)，脫落的氧化皮粘在模具的加工面上，還會(huì)劃傷擠壓完成后的連接件產(chǎn)品的表面，導(dǎo)致產(chǎn)品表面質(zhì)量達(dá)不到客戶的要求。因此在將6×××系合金材料加工成導(dǎo)電連接件時(shí)，應(yīng)該避免對(duì)錠坯和擠壓工具加熱，必須采用冷作加工方式[4]。

3.2 反向冷擠壓模具結(jié)構(gòu)

反向冷擠壓模具裝配圖如圖3所示。按照模具各部分功能，整套模具可以分為凸模部分、凹模部分、脫模裝置部分、模具附屬裝置等4個(gè)部分[4]。

圖3 模具裝配圖

3.2.1 凸模部分

該套模具的凸模部分主要包括上模板、凸模墊板、凸模、凸模壓套、連接螺栓等零件。凸模（即模芯）設(shè)計(jì)是整套模具的關(guān)鍵。凸模為一根階梯軸，按照各部分功能可以分為三個(gè)部分，較細(xì)的頂端為工作部分，中間為脫模裝置配合部分，較粗的尾部為凸模與凸模壓套連接部分，也即凸模（模芯）的加持部分。

凸模設(shè)計(jì)的技術(shù)要求為：凸模材質(zhì)采用耐磨性好且強(qiáng)度、硬度較高的冷作模具鋼Cr12MoV；凸模下頂部工作端面不允許有頂尖孔，支承端面不允許凹陷；凸模階梯軸各外徑回轉(zhuǎn)軸線的同軸度誤差不大于0.01 mm；凸模階梯軸安裝前需要進(jìn)行淬火＋回火熱處理，熱處理后凸模階梯軸硬度需達(dá)到61～63 HRC；凸模工作部分在磨削加工前，其表面粗糙度不應(yīng)低于3.2 μm，表面不允許有凸、凹不平現(xiàn)象，凸模留磨余量不小于0.1 mm，磨削后再研磨拋光，研磨量大于0.01 mm，研磨后的表面粗糙度在0.2 μm以上。

為了防止反向冷擠壓過程中連接套口部在向上延伸過程中出現(xiàn)膨脹偏差，凸模工作部分的設(shè)計(jì)可采用下粗上細(xì)的擠壓頭結(jié)構(gòu)，如圖4所示。工作頭下部尺寸與連接套內(nèi)徑尺寸相同，為φ35.4 mm，凸模工作頭上部尺寸為φ35.3 mm，凸模工作部分上下端約有5°左右的錐度。這樣就可以避免鋁合金錠坯在反向冷擠壓過程中過度向外圍延伸，出現(xiàn)連接套外圍尺寸超差，導(dǎo)致連接套工件與模具內(nèi)模腔貼合太緊密，不利于工件產(chǎn)品脫模，或者是在脫模時(shí)造成連接套產(chǎn)品外表面劃傷。凸模工作頭下粗上細(xì)的細(xì)小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整套凸模設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

圖4 凸模零件設(shè)計(jì)圖

3.2.2 凹模部分

反向冷擠壓連接套凹模部分主要包括下模板、凹模墊板、凹模墊塊、凹模座、凹模、頂料桿等機(jī)構(gòu)裝置。

凹模為一通透圓筒結(jié)構(gòu)，如圖5所示。凹模內(nèi)徑基本尺寸比連接套外徑基本尺寸大0.5 mm，且是正向偏差。凹模外部結(jié)構(gòu)采用下粗上細(xì)的圓錐臺(tái)式結(jié)構(gòu)，圓錐臺(tái)上部直徑為φ72.84 mm，下部直徑為φ76.51 mm，凹模內(nèi)外圓柱面結(jié)構(gòu)同軸度誤差不超過0.01。凹模設(shè)計(jì)為上細(xì)下粗的外部結(jié)構(gòu)的目的是可以將凹模嵌到凹模座中，實(shí)現(xiàn)凹模與凹模座的緊配合，可以有效避免連接套與凸模上行時(shí)把凹模一起帶出，這是此套模具設(shè)計(jì)的又一創(chuàng)新點(diǎn)。與凸模一樣，凹模材質(zhì)也是采用冷作模具鋼Cr12MoV，并且經(jīng)過淬火＋回火的熱處理工藝后硬度達(dá)到60 HRC以上；凹模在磨削加工前，表面粗糙度不應(yīng)低于3.2 μm，表面不允許有凸、凹不平現(xiàn)象，凹模留磨余量不小于0.1 mm，磨削后再研磨拋光，研磨量大于0.01 mm，研磨后的表面粗糙度在0.2 μm以上。

圖5 凹模零件設(shè)計(jì)圖

頂料桿裝配在凹模底部，與凹模之間是間隙配合，間隙為0.05～0.081 mm。它的作用一是支撐鋁合金錠坯在壓力機(jī)的作用下變形，保證連接套底部形狀及尺寸符合要求；二是與頂出桿配合，一起推動(dòng)擠壓完成連接套上行，實(shí)現(xiàn)與凹模分離。

3.2.3 脫模裝置部分

脫模裝置所起的作用主要包括連接套與凹模的脫離和連接套與凸模的脫離功能。連接套與凹模脫離主要利用頂出桿，頂料桿從下部把連接套頂出（凹模是嵌在凹模套中，為緊固定結(jié)構(gòu)）；連接套與凸模的脫離主要是采用卸料板和卸料環(huán)這樣的限位裝置，在連接套被頂出桿頂著與凸模一起上移直到連接套完全出凹模時(shí)，卸料環(huán)就發(fā)揮限位作用，限制連接套繼續(xù)隨凸模上移，從而實(shí)現(xiàn)凸模與連接套的分離。

3.2.4 模具附屬裝置

此套模具還有一些附屬裝置，比如定位銷、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、連接螺釘、壓簧、內(nèi)預(yù)應(yīng)力圈、外預(yù)應(yīng)力圈、壓板等。這些附屬裝置可以保證整套模具正常工作，同時(shí)有效避免因鋁合金錠坯在冷擠壓過程中的應(yīng)力集中等問題導(dǎo)致連接套出現(xiàn)開裂情況。

4 成效對(duì)比

鋁合金連接套模具冷擠壓方式與常規(guī)車床加工方式的成效對(duì)比，如表1所示。

表1 冷擠壓方式與常規(guī)加工方式成效對(duì)照表

從表2可知，利用反向冷擠壓模具約5 s可以生產(chǎn)出一個(gè)合格的連接套產(chǎn)品，考慮到鋁合金錠坯表面清潔和除氧化皮環(huán)節(jié)，綜合下來生產(chǎn)一個(gè)連接套的時(shí)間也在15 s之內(nèi)。而利用傳統(tǒng)車削加工方式生產(chǎn)1個(gè)連接套產(chǎn)品的時(shí)間約為20 min。同時(shí)車削方式還會(huì)產(chǎn)生毛坯一半以上的廢料損耗，消耗的人工工時(shí)和能源動(dòng)力也遠(yuǎn)比冷擠壓的方式高出很多倍。并且通過模具反向冷擠壓方式生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量相當(dāng)穩(wěn)定，幾乎沒有廢品。

5 結(jié)束語

采用反向冷擠壓加工方式對(duì)鋁合金連接套進(jìn)行加工，可大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，同時(shí)大幅減少了人工時(shí)耗、原材料損耗以及能源消耗。特別是利用自主開發(fā)的反向冷擠壓模具，可以巧妙地解決鋁合金套脫模問題和壓制過程中的開裂、掉皮等表面質(zhì)量問題。這種利用反向冷擠壓模具生產(chǎn)鋁合金連接套，顛覆了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，創(chuàng)新了鋁合金產(chǎn)品的加工方法，使單件加工的綜合成本僅為常規(guī)車加工的1.6%，非常值得推廣應(yīng)用。