异型铜材成形模具设计与优化浅析

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摘要：作为工业原料，铜及铜合金型材非常常见。各种类型的铜合金管材不论是从生产还是应用，都占据铜管材市场的主要地位。在铜材的生产过程当中，模具起到非常关键的作用。铜材生产水平取决于模具设计的合理性。本文针对异型铜材在实际生产过程中存在的常见问题进行研究和分析，通过改变生产过程中的工艺、模具等措施，针对性地提出常见问题的解决方案，以希望对异型铜材的加工提供新的解决思路与方法。

关键词：异型铜材；模具；设计；优化

0引言

在传统管类型材的加工过程中，有通用的流程。一般使用的流程是挤压→轧头→酸洗→一次拉拔出半成品→退火→酸洗→二次拉拔出成品。此种生产方法生产出的产品表面质量好、抗拉强度强、晶粒细化、尺寸无偏差。但是在异型管类的加工过程中，如果采用传统方法就会有问题产生。[1]

1异型铜材的生产加工现状

以某公司生产的异型铜材生产加工过程为例，了解异型铜材的生产加工现状。该公司生产的“D”型管材为异型铜管材。顾名思义，因其横截面与英文字母大写的“D”相似，该管材被称为D型管材。正常的“D”型铜管材结构如图1所示。其机械性能要求十分严格，抗拉强度在300~340N/mm2之间，布氏强度在81.6~107.1单位之间，导电率在97%IACS以上。所以生产难度特别大，产品底面与弧面厚度不一致（即偏壁问题）非常容易出现在生产过程中。经过研究得出，出现偏壁问题的原因主要有两种：①在开坯阶段，使用1800T卧式带水封油压机，成形过程中，受力不均导致成品不达标。金属的流动性未达预期也是失败原因之一。这些都属于工具、设备状况所带来的问题。②在拉拔成品阶段，使用30T拉拔机，模具、设备状况未达设计要求导致偏壁问题产生。

2异型铜管生产过程出现的问题

2.1“D”型铜管热挤压生产阶段出现的问题

“D”型铜管在其热挤压生产阶段会有问题产生，如产品偏壁、模具开裂、产品扭拧等。下面分别进行分析，阐述其形成原因。异型铜材的热挤压原理如图2所示，各组成部分分别是1：挤压轴、2：挤压垫、3：挤压筒、4：穿孔针、5：铸锭、6：挤压模、7：挤压管材。2.1.1“D”型铜管的偏壁及扭拧问题。“D”型铜管底面的厚度本应与弧面厚度相等，但是如果两者不等，则为产品的偏壁问题。偏壁问题如图3所示。“D”型铜管应所有角度一致，但如果发生不同角度的扭曲幸亏，那么就是扭拧问题。发生这些情况，铜管就宣告报废，无法使用了。发生偏壁、扭拧主要原因如下：①热挤压模具的工作带设计问题。工作带如果长度不够，那么模孔和金属之间的摩擦作用会变弱，在整个热挤压过程中，金属会快速流动，容易出现金属的流动不均匀情况。流动速度不均匀会发生扭拧、偏壁等问题。②热挤压模具和热挤压用穿孔针相对位置偏移。在热挤压过程中，拉应力与压应力是穿孔针承受的，侧向力与正向力是热挤压模具承受的。这就导致了热挤压模具、穿孔针的相对位置发生改变，最终导致产品的偏壁。③本应处于同一中心线上的穿孔针、热挤压模具、挤压筒、挤压轴相对位置出现偏移。在生产过程中，工作时间的过长会导致挤压轴的活动导轨受损，从而发生上述四者不再处于同一中心线的情况，最终发生产品偏壁现象。2.1.2“D”型铜管的热挤压模具开裂问题。在热挤压阶段，如果挤压应力太大，模具本身的挤压比不合理设置等因素都会导致模具的开裂，模具一旦开裂，产品必然质量不好。本文对废弃的“D”型铜管进行分析，也对热挤压模具的开裂部分进行仔细管材研究，发现热挤压模具之所以会开裂，是因为在生产过程中，因压力、摩擦力、温度等因素的影响，模具容易产生热疲劳现象，热疲劳现象使得模具变得脆弱而开裂。

2.2“D”型铜管拉拔生产阶段出现的问题

“D”型管材拉拔模具是锥模，在实际生产过程中，模具与模座的配合不好，两者发生位移，则会出现偏壁、扭拧等问题。在实际拉拔过程中，受力不均的话，多余的力会作用到“D”型管上，管与拉拔用芯头之间产生的轴向应力会导致拉拔用芯头与模具的位置发生改变，也会导致异型管材的偏壁、扭拧。

3异型铜材成形模具的优化方案

3.1“D”型铜管热挤压用模具的优化方案

有足够的稳定性、物理性能是挤压异型铜材所使用的挤压模具的基本要求。具有这些特性才能在生产工作条件下保障产品尺寸标准、品质好，而不是过早塑形变形或者开裂等。设计合理的挤压模具是异型铜管生产效率与质量的可靠保障。导致异型铜材出现问题的主要是挤压模具、穿孔针、拉拔模具等，针对这些模具进行优化势在必行。3.1.1热挤压模具不同问题的应对方案。①热挤压模具开裂的应对方案。“D”型铜管在热挤压过程中，模具出现开裂现象是由于热挤压模具的设计缺乏合理性所导致的。“D”型铜管在热挤压过程中所使用的锥模是传统铜材的模具，在生产过程中，工况使得模具有热疲劳产生，最终导致模具开裂。应对模具开裂现象，本文基于传统铜材热挤压锥模基础，对“D”型铜管的热挤压模具进行改造。原理上是要对热挤压模具的挤压比进行缩减，那么实际操作中就是增大入口角的角度，增加工作带的长度。改造之后进行试验，发现模具未开裂，但是成品的质量参差不齐，这表明虽然改进了开裂问题，但其他问题仍需进一步探索解决方案。②热挤压产品偏壁的应对方案。产品偏壁问题产生原因上文已表述，那么现在就针对这些因素进行改进。将不在同一中心线的穿孔针、挤压筒、挤压轴、热挤压模具中心调整一致。此外，热挤压模具工作面和挤压筒的结合部分调整到位，不留空隙。对模具与模座的结合间隙进行细致检查，并调整到位。最后，在进行试验，发现偏壁问题并未解决。此后改变思路，从锭坯加热阶段进行研究。在生产过程中，其他条件不变，只有温度不断升高，以此来判断铜锭的加热是否会引起产品偏壁。试验过程中，先加热至860度，偏壁现象存在；后加热至880度，偏壁问题仍未解决。因此可断定，偏壁与铜锭加热温度关系不大。经排除法排除后，调整挤压筒、挤压轴断面变形、模座支撑面改变、内衬磨损、针支撑连接器、穿孔针等的松动，这些无法与偏壁关联。那么剩下的就是模具本身设计问题，使得金属不能按原计划方式进行流动。[2]原模具除定型孔外的部分都是锥模。异型管材生产过程中，金属流过定型孔时候，在接近模具表面位置有挤压死区呈一定比例形成存在。应力在受挤压时并不能释放完全，导致模具跟穿孔针之间发生相对转动，最后的产品则会发生偏壁。那么，采用定位键进行定位，则可避免模具跟穿孔针发生相对位移。有了模具与模套之间连接键的改良模具在经过测试后，结果合格，基本解决了偏壁问题。3.1.2“D”型铜管生产用穿孔针的优化方案。在“D”型铜管生产过程中，其断面不对称，导致其所受的应力不均匀，在穿孔针前端部位有一种弯曲应力产生，所以“D”型铜管受力不均产生壁偏现象。且由于急冷急热，穿孔针的针头就容易出现开裂问题，本文对整体式的穿孔针进行优化改进，改进后的穿孔针由整体式变为两体式，也称组合式，如图4所示，1为针体部分，2为针头部分。穿孔针的设计改为针头与针体两个部分，其中针体设计成管状结构，在其内部可加设水冷却管用来解决穿孔针的高温需要退火的问题。针头部位是可拆卸的，针体则可以循环使用。这种组合式的穿孔针投入试验后，制成异型铜管100段，90根以上未发生偏壁现象。因此，这种改进是正确的。

3.2“D”型铜管的拉拔用模具优化方案

模座设置成浮动形式的。在实际生产过程中，可以根据当时的状况来随时进行调节，把模具与模座之间的相对位置调整成最佳状态，着力解决产品偏壁现象。这种浮动模座最大的优点是根据生产过程中产品状态随时随地调节，非常灵活，用于解决异型管材的偏壁问题大有益处。[3]

4结束语

本文以“D”型铜管的生产过程为例，对异型铜材成形模具提出优化设计方案。主要针对的是异型铜材在生产加工过程中，因拉拔模具、挤压模具等所导致的产品不合格问题。对挤压阶段的模具进行优化设计后，可更好地应对异型铜材的热挤压成形问题；对拉拔阶段的模具进行优化设计后，可更好地应对异型铜材的拉拔成形问题。通过这些改造与优化，可有效解决异型铜材成形过程中的偏差与废品，促进生产的顺利实施，对该类型产品的生产具有积极意义。

参考文献：

[1]卢祥胜，赵庆辉，张永统，陈全明.异型铜材生产工艺优化[J].模具技术，2014（01）：29-33.

[2]赵庆辉.异型铜材成形模具设计与优化[D].河南科技大学，2015.

[3]刘永亮，李耀群.铜及铜合金挤压生产技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

作者:俞土明 单位:杭州富阳星宇铜业有限公司