300连续挤压机生产换向器用铜排时模具设计.pdf

第 4 3卷第 5期 2 0 1 4年 1 0月 有色金属 n v NoNFERROUS MET AL S PROCE SSl NG Vo 1 4 3 NO 5 Oc t o b e r 2 0 1 4 3 0 0连续挤压 机生产 换 向器用铜排 时模具设计 孟 宪旗 宁波博威麦特莱科技有限公司 浙江 宁波 3 1 5 1 3 5 摘要 文章系统阐述了在不增加设备配置的情况下 通过模具设计实现 3 0 0连续挤压机挤压大规格换向器用异型铜 排 并简单介绍了3 0 0连续挤压机的模具制造方法和模具材料选用 关键词 平模 锥模 不等长定径带 喇叭角 变形区 挤压中心 肩宽比 慢走丝线切割加工 中图分 类号 T G 3 7 5 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 6 7 9 5 2 0 1 4 0 5 0 0 4 3 0 3 连续挤压技术在有色金属加工领域应用广泛 由 于其具有工艺流程短 能耗低 产品尺 寸精度高 制 品 内部组织均匀等优势 在高精密 的换 向器制造领域得 到推广利用 换向器用铜排传统的生产工艺是采用上引连铸 经多道次拉伸退 火 多道次轧制 最终用成 型模 具拉 制出成 品 缺点是加工周期 长 能耗 高 污染大 且精 度不能得到保证 近年来换 向器生产逐渐 向 自动化 短流程方向发展 同时对铜排 的质量性能要求也越来 越高 对连续挤压 的工艺工装提 出了更严格的要求 为了节约用 工成本 生产 厂家往往是一机 多用 在不影响生产专用换 向器铜排 的情况下 为了提高设 备利用率 铜排生产厂家在选购设备时一般会选择 比 较小的 2 5 0 3 0 0连续挤压机来生产换 向器用铜排 同 时又用这些设备兼做一些 特殊规格的换向器用铜排 但是用 3 0 0连续挤压机生产大规格换 向器铜排产品 又存在工装模具能力不 足的现象 本文从 工厂生产 实际情况出发 在不增添设备配置的情况下 如何用 3 0 0连续挤压机通过只改变模具结构设计来生产宽度 大于 3 0 ra m 肩宽 比 型材宽度方向上 最宽处与最 窄 处的比例 大 于 4的异型铜排 来解决这一铜排生产 企业的技术难题 1 常规措施 换向器用连续挤压模具常用 的有平模 和锥模 图 1 两种 从模具加工难易程度考虑 平模容易加工 适 合挤压小规格 的异型铜排 锥模 较难加工 适合于挤 压大规格复杂的异型铜排 挤压时 要根据产品的结 构特点 精度要求 挤压腔体扩展 比大小来 确定是用 平模还是锥模 不能因为模具选用错误而加剧模孔处 金属流速不均匀 导致不 良品出现 增加产 品报废 平模 图 1 Fi g 1 挤压过程中金属塑性变形 的不均匀性普遍存在 即使形状规则的产品也不例外 这种挤压过程 中的金 属塑性变形不均匀直接导致在挤压制品中出现扭 曲 尺寸不均匀 严重时会 出现裂纹 开裂等缺 陷 常规解决挤压过程 中金属流动不均匀的措施有 轻微的尺寸变化 充不满 毛刺等产 品缺 陷可通过 调 整挤压腔体 间隙 压 实轮压下 量 挤压速度等工艺参 数来解决 模具设计也可作为解决金属流动不均匀性 的一种方法 但 当出现严重边部开裂时 或者 当挤压 宽度大于 3 0 ram 肩宽 比大于 4的异型铜排时 采用常 规调整措施 和工模具设计无法解决挤压 时出现的严 重质量缺陷 根据现场工作经验 通过优化工模具设 计 调整金属在模孔处的挤压力分布 使金属塑性变 形均匀 可 以减少 3 0 0连续挤压生产时出现 的产 品质 量缺陷 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 7 作者简介 孟宪旗 1 9 7 7一 男 高级工程师 主要从事铜及铜合金线棒型材加工技术研究工作 有色金属j j n r 第 4 3卷 2 大规格异型换 向器 用铜排模具设计 要点 生产大规格异型铜排时 宽度 3 0 m m 肩宽 比 4 3 0 0连续挤压机采用大扩展 比腔体 该腔体 的特点 是 中心金属流速快 边 部金属流速慢 金属流动异 常 不均匀 从而使挤压 出的材料 中 tL 存 在拉应力 边部 存在压应力 这种受力 不均匀会 使型材 出现变形 扭 曲 尺寸变化等质量缺陷 若这种受力差别过大 还会 出现型材中心部位充不满 边部撕裂 最终导致产 品 报废 对于这种塑性变形的不均匀性 可通过优化模 具设计来平衡这种塑性流动的不均匀程度 2 1 锥模设计 从金属流动性方 面考虑 锥模 比平模 的金属流动 要均匀 在模具加工条件不受限制的情况下 挤压形 状不规则异形铜排时 使用锥模较好 由于连续挤压 技术特点 的限制 使用锥模会 比使用 平模 的挤压力 大 因此 要合理设计变形 区锥度 变形 区高度 定径 带高度 这三个参数需 要根据产品结构特点 产 品精 度统一进行设计 不 能只注重设计一个参数 而忽 略 其它参数 常用的 3 0 0连续挤压锥模设计参数如图 2 所示 图 2中 a为 2 0 1 2 0 b为 3 0 1 5 d l 为 1 5 5 O mm d 2为 2 0 6 O mm 模具进 口处采用 0 5 mm的圆角过度 接合部位采用 圆角过度 r l I l 锥 模 图 2 Fi g 2 2 2合理确定模孔位置 连续挤压时 模具设计一般要考虑两个 中心 分 别是挤压中心和型材的几何 中心 对 于形 状规则的 型材 挤压时金属流动比不规则形状型材相对均匀即 挤压力分布是对称的 两个 中心在设计和制造 时是完 全重合 的 但 当型材结 构不规则时 挤 压时金属流动 就变得异常不均匀 对于肩宽比较大的型材 挤压时 窄边的变形抗力大 宽边 的变形抗力小 这时就要对 型材 的几何中心做一定距离的偏移 使小头靠近挤压 中心 相应地提高窄边 的金属流 动速度 降低宽边 的 金属流动速度 最终使 两边 的金 属流动 速度趋 于平 衡 挤压模具的中心设计如图 3所示 图 3 Fi g 3 2 3 采用变喇叭角 变形区角度 模具结构设计 该方法 的实质是变形区模具的喇叭角大 此处的 有效挤压分力就越小 同时金属流动 的阻力也越 大 实际产生的挤压力小 金属 的流动速度降低 反之 变 形区模具的喇叭角小 此处的有效挤压分力越大 金 属的流动速度就越快 模具设计时 增大宽边或者挤 压中心部位模具 的喇叭角 减小远离挤压中心或者窄 边的喇叭角 使模 孔处的金属流动趋 向均匀 以达到 稳定的挤压过程 因平模无喇叭角 故此方法只适用 于锥模 2 4 采用不等长定径带的模具结构设计 由于定径带的长短 同金属 的流 动速 度呈反 比例 关系 短定径带金属流动阻力小 流动速度快 长定径 带金属流动阻力大 流动速度慢 设计模具 时 窄边 采用短定径带 宽边采用长定径带 远 离挤 压 中心采 用短定径带 靠近挤压 中心采用长定径带 可根据产 品的结构尺寸和实际生产状况综合考虑 当生产较宽的异型材 宽度 4 5 m m 肩宽 比大于 4 时 通过改变模孔位置选择 使用变喇叭角或变定 径带长度均无效时 刻考虑对 以上三项模具参数统一 设计 使挤压时金属流速均匀 提高挤压稳定性 2 5 采用阻碍角或者促流角 该方法在精密模具加工时难度 比较大 实际生产 中很少采用 对于某些特殊形状的产 品 通过设置 阻 j 第 5期 有 色金属加工 4 5 碍角或者是促流角来阻止或降低金属流速 达到金属 均匀流动的 目的 在异型材厚度 大 的部位设置 阻碍 角降低金属 流速 在异型 材厚度 小的部 位设 置促 流 角 增加金属流速 根据现场生产情况及相关文献资 料介绍 连续挤压 的阻碍 角一般设 置为 3 8 为 了 便于模具修理 设 计模具时 阻碍角 一般采用下 限 促 流角角度一般为 3 1 0 3 小 规 格异 型 换 向器 用 铜 排连 续 挤压 模具设计要点 挤压小规格 的异型换 向器用铜排时 选用小扩展 比的腔体 其 金属流 动 比大 扩展 比的腔体 要均 匀很 多 模具结构一般选用平模 图 1 模具设计 时 只 需将 型材 的几 何 中心往 小边 或 者小 头 偏 移 0 5 6 0 mm做为型材 的挤压 中心即可 图 3 实际偏移 量可根据所选模芯材料的尺 寸大小来决定 确保偏移 后模孔边缘距离模芯边缘不小于 3 mm 4 连续挤压模具 的其它设计要点 1 裕量 由于热胀冷缩 模具定径带 尺寸 与实 际挤 出制品尺寸并 不相等 设计 时应确保产 品在冷 状态下不超过规定尺寸要求的尺寸公差 同时尽量延 长模具的使 用寿命 考虑 收缩 和模 具使用 寿命这 两 种因素 连续挤压模具的裕量系数一般选择为 1 0 1 1 0 2 2 补偿量 挤压形状 复杂的精 密异型铜排 时 模具因受挤压变形而被压塌的状况是不 同的 对于易 变形产 品的较薄部位 要适 当增加 0 0 2 0 0 5 tur n作 为补偿量 5 模 具加工 模具加工精度 的优 劣直接影响到 连续 挤压是否 能够顺利进行 而且直接决定 工装寿命长短 产 品质 量优劣和产品耗能高低 特别 是连续挤压模具工作 区 域的表面光洁度直接影响产 品的表面质量 挤压 力大 小和金属流动速度 根据 目前 国产模具制作和修理 设备 的状 况 工 作 区 域 的 光 洁度 一 般 为 R a 0 2 R a 0 4 常用方法有 1 快走丝或 中走丝线切割先进行粗加工 然后 人工研磨 抛光 该方法适用于产品精度要求不高的 产品 2 慢走丝线切割加工 由于慢走丝线切割加工 所用切割线是一次性使用 故该方法的加工尺寸精度 可达到 0 0 0 2 mm 表 面光 洁度可达 到 R a 0 2 适用 于 高精密模具 的一次性 成型加工 但该方法 的缺 点是 对操作人员的技能要求较高 设备价格高且对设备工 作环境要求相对苛刻 综合考虑 通常选用 日本产沙 迪克 国产苏州三光设备的较多 对于高精密度换 向 器用铜排挤压模具 现多采用慢走丝线切割加工 连续挤压模坯和模芯 的制作 同常规 卧式挤 压 的 制作方法基本一致 需要重点注意 的是 由于连续挤 压是连续工作运行 最长可连续工作约 4 8 h 因此模芯 材料需选 择具有好 的耐高 温性 良好 的耐 疲劳 失效 性 抗高温变形性的优质高温模具合金钢 6 结束语 本文结合生产现场实践 针对 3 0 0连续挤压机挤 压肩宽比大的换 向器用异型铜排 的模具设计提 出详 细的设计思路 运用最小阻力定律论述 了连续挤压金 属塑性变形规律 并简要阐述 了小规格换 向器用铜排 模具 的设计方法和模具的制作要求 实践证 明 该模 具设计方法可用来指导 3 0 0连续挤压机异型铜排 的 生 产 参考文献 1 钟毅 连续挤压技术及其应用 M 北京 冶金工业 出版社 2 0 0 4 2 钟卫佳 铜加工技术实用手册 M 北京 冶金工业 出版社 2 0 0 7 3 宋宝韫 刘元文 连续挤压变形力学与接触应力分布规律 J 中 国 有色金属学报 2 0 0 7 St u dy on Di e De s i gn o f Commu t a t or Ba r o f 3 0 0 Con t i n u ou s Ex t r u s i on Pr e s s M ENG Xi a n qi N i n g b o P o w e r w a y Ma t e r i a l i s e T e c h n o l o g y C o L t d N i n g b o 3 1 5 1 3 5 C h i n a Abs t r a c t Th e p a p er t r a c e d t h e p r o c e s s o f r e a l i z i n g t h e p r o d u c t io n o f t h e l a r g e s iz e c o mmu t a t o r b a r f o r t h e 3 0 0 c o n t i n u o u s e x t r u s i o n p r e s s v i a d ie d e s ig n wi t h ou t a n y a d d i t io n a l e q u i p me n t a n d it p r e s e n t e d t h e me t h o d f or ma n u f a c t ur i n g d ie a n d t h e s e l e c t i o n o f d i e ma t e r ia l s i n a c c or d a n c e wit h t