扁形鈦銅復合棒擠壓模具設計與應用

田喜明，王成長，陳貴曾，晁鴻濤，馬建明

(1.海軍裝備部，陜西 西安710021)

(2.西北有色金屬研究院，陜西西安710016)

扁形鈦銅復合棒擠壓模具設計與應用

田喜明1，王成長2，陳貴曾2，晁鴻濤2，馬建明2

(1.海軍裝備部，陜西 西安710021)

(2.西北有色金屬研究院，陜西西安710016)

對長寬比較大的扁形截面鈦銅復合棒的擠壓模具進行了設計研究。通過合理選材，并選擇使擠壓力最小的模具模腔輪廓曲線和半模角，改變模孔工作帶的幾何形狀與尺寸，選擇適當的擠壓速度等，優化設計制備出扁形鈦銅復合棒專用擠壓模具。增加工作帶長度可以增大摩擦阻力，使向該處流動的供應體的流動靜壓力增大，迫使金屬向阻力小的方向流動，從而使型材整個斷面上金屬流量更加均勻。擠壓實驗結果表明，合理的模具設計對擠壓材的擠壓過程和擠壓制品質量有重要影響，錐形模具更適合于扁形鈦銅復合棒的擠壓。解決了科研生產實際對大的長寬比扁型鈦銅復合棒的需求。

鈦合金;鈦銅復合棒;擠壓模具;設計與應用

1 前言

鈦銅復合棒在航空零件加工、電解及氯堿制造等工業中有著廣泛的應用。擠壓法生產鈦銅復合棒，變形量一般在95%以上。擠壓時金屬處于對復合非常有利的三向壓應力狀態，伴隨大的變形，復合強度較高。在后續的電極制備車削螺紋時，可實現快的車削速度和大的進刀量，而不會出現鈦銅相分離的情況，生產效率高，可實現大批量化的生產。在擠壓過程中，模具的工作環境相當苛刻:①長時間的高溫作用;②長時間的高壓作用;③激冷、激熱作用;④反復循環應力作用;⑤偏心載荷和沖擊載荷作用;⑥高溫高壓下的高摩擦作用。擠壓模具使用條件惡劣，容易損壞，消耗量大，成為生產鈦銅復合棒成本中的重要部分。合理設計、制造和使用模具，能大大提高其使用壽命、生產效率、降低生產成本。

2 擠壓模結構參數的設計

在整個擠壓過程中，擠壓模具是確定制品外部尺寸、形狀及影響外表面質量的重要環節，它的結構形式，各部分的尺寸、材質和熱處理方法等，對擠壓力、金屬流動的均勻性、擠壓制品的尺寸精度和表面質量，以及模具使用壽命都有很大影響。因此擠壓模具的合理設計、制造和使用成為生產工藝研究中的又一個重要方面。圖1為常見的錐形擠壓模結構示意圖。

圖1 擠壓模的結構參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of extrusion die

3 設計方法

在充分考慮影響模具設計的各種因素之后，應根據擠壓制品的類型、擠壓設備與模具結構、工藝方法等來設計擠壓模具的模腔形狀和尺寸。計算?？壮叽鐣r，應該充分考慮被擠壓金屬材料的化學成分，擠壓制品的形狀、公稱尺寸及其允許公差，擠壓溫度及模具材料與被擠壓金屬材料在此溫度下的線膨脹系數、擠壓力及模具的彈塑性變形情況等因素。

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式中，A0為擠壓制品截面的公稱尺寸;M為擠壓制品公稱尺寸的允許偏差;Ky為使擠壓制品部分尺寸減少的系數(Ky為0.01～0.03);Kp為矯直拉伸時尺寸縮減的系數;KT為擠壓制品的溫度收縮量;

式中，t，t1分別為擠壓坯料和模具的加熱溫度;a，a1分別為擠壓溫度下被擠壓金屬材料和模具材料的線膨脹系數。

模具的孔型尺寸與制品截面尺寸是不相等的，因為模具的孔型尺寸受擠壓制品材料性能，模具材料性能，擠壓時錠坯的保護方式，截面形狀的幾何特點和公差范圍，矯直時的斷面收縮量、擠壓溫度、擠壓速度和擠壓力等因素影響。在確定孔型尺寸時，首先要保證制品在常溫狀態下符合公差要求，同時又能最大限度地延長模具的使用壽命。

4 鈦銅復合棒擠壓模具孔型設計

擠壓生產中一個重要的實際問題是工模具損耗較大，一般可占生產成本的10%左右。延長工模具使用壽命具有現實的經濟意義。提高擠壓工模具的使用壽命，合理地選材無疑是先決條件。

根據擠壓模具的工作條件，制造工模具的材料應滿足以下條件:有足夠的高溫強度和硬度，高的耐回火性、耐熱性、足夠的韌性、低的熱膨脹系數和良好的導熱性，良好的加工工藝性以及價格低廉等。但是，任何一種材料都很難滿足上述的所有條件，應視具體工作條件選用合適的材料。

選用特殊模具鋼3Cr2W8V制作了扁擠壓模具。模具表面進行了調制熱處理(HRC48～52)，工作表面粗糙度的Ra值不大于0.8 μm。保證了產品精度要求，有效延長了模具的使用壽命。除選擇優質材質外，還應采取諸如合理預熱和冷卻擠壓工模具、合理安裝、交替輪換使用等措施以提高擠壓工模具的使用壽命。

優化設計主要基于傳統設計理論和經驗方法，其目的主要是控制型材擠壓時各部分流速的均勻性。

通過改變?？坠ぷ鲙У膸缀涡螤钆c尺寸優化模具。工作帶對金屬流動起阻礙作用，增加工作帶長度可以增大摩擦阻力，使向該處流動的供應體的流動靜壓力增大，迫使金屬向阻力小的方向流動，從而使型材整個斷面上金屬流量趨于均勻。依金屬種類、型材品種和形狀不同，一般可取2～8 mm。本實驗選取工作帶長度為(8.0±0.5)mm，在工作帶上單邊下挖1 mm且與工作帶圓角過渡。

研究結果和生產實踐表明，擠壓模具的失效與報廢大多是由于磨損、開裂、尺寸超差、塌腔等造成的，而這些現象都與擠壓力(包括摩擦力)過大有關。因此，應選擇使擠壓力最小的模具模腔輪廓曲線和半模角。

雖然提高擠壓速度能提高生產率，但會升高擠壓力，影響模具壽命，還可能增大制品組織不均勻性，因此應選擇適當的擠壓速度。擠壓力、擠壓速度應作為擠壓模具優化設計的目標參數。

根據GB/T12769－2003中復合棒的斷面形狀、規格及允許偏差規定，(d±0.3)mm，h的尺寸公差范圍比較大，在確定孔型尺寸時只需考慮擠壓制品冷卻時的線收縮量、模具預熱時的線膨脹量、擠壓后制品表面銅層尺寸及修磨量。經驗公式為:

為了有效減小擠壓力，提高擠壓模具使用壽命，扁形截面擠壓模具采用錐模設計，半模角α=60°，能有效改善擠壓過程中的金屬流動，提高產品表面質量。由于扁形截面長寬比較大，考慮到模具安全系數，且受到裝配條件限制，選用平行延伸孔型設計，如圖2所示。

擠壓時，工模具的工作條件十分惡劣，引起其變形和損壞的因素也錯綜復雜。因此，在設計時應盡可能考慮各種不利因素的影響，選擇合理的結構，規定合理的加工工藝和熱處理制度，選擇合適的材料。圖3為經優化設計制作的扁形界面鈦銅復合棒擠壓模具實物圖。

5 應用

鈦銅復合棒擠壓試驗是在稀有金屬材料加工國家工程研究中心16.3 MN臥式擠壓機上進行的。采用正向擠壓法，擠壓坯料采用銅包套，在電爐加熱780～800℃保溫1～1.5 h，采用本研究設計的模具，以80～120 mm/s速度擠壓，石墨二硫化鉬潤滑，在16.3 MN臥式擠壓機上取得了良好的擠壓效果，產品完全符合國家GB/T12769－2003技術標準，解決了科研生產對扁型擠壓棒的需求。

6 結論

(1)增加工作帶長度可以增大摩擦阻力，使向該處流動的供應體的流動靜壓力增大，迫使金屬向阻力小的方向流動，從而使型材整個斷面上金屬流量趨于均勻。

(2)根據扁形截面鈦銅復合棒技術條件要求，設計制作了適用的擠壓模具，能夠合理調整金屬的流動速度。擠壓過程平穩，金屬流動均勻，實驗證明所設計的模具可滿足實際生產的要求。

(3)制備出的扁形截面鈦銅復合棒角部填充飽滿，滿足產品的尺寸要求，性能優良，完全符合國家標準GB/T12769－2003技術標準。

References

［1］Zhao Yongqing(趙永慶).我國鈦合金的研制與發展［J］.Advanced Materials Industry(新材料產業)，2007(10):28－32.

［2］The People's Republie of China National Bureau of Standards(中華人民共和國國家標準局).GB/T12769－2003，Titanium Copper Composite Stick(鈦銅復合棒)［S］.Beijing:CNBS，2003.

［3］Li Zhong(李 中).鈦銅復合棒的生產和應用［J］.Titanium Industry Progress(鈦工業進展)，1995，12(6):34－35.

［4］Kong Xianping(孔憲平)，Gao Wenzhu(高文柱).爆炸焊接復合鈦/銅復合棒的孔型軋制［J］.Titanium Industry Progress(鈦工業進展)，2003(2):25－27.

［5］Hu Zhenghuan(胡正寰)，Xia Jushen(夏巨諶).Materials Engineering Dictonary(中國材料工程大典(第21卷))［M］.Bingjing:Chemical Industry Press，2006.

Design and Application of Extrusion Die for Titanium-Copper Flat-Like Cladding Bar

TIAN Ximing1，WANG Chengzhang2，CHEN Guizeng2，CHAO Hongtao2，MA Jianming2
(1.Navy General Armaments Department，Xi'an 710021，China)
(2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi'an 710016，China)

Extrusion die with big ratio of length to width for titanium-copper flat-like cladding bar was researched.By choosing the appropriate material，adjusting working cincture size and appropriate extrusion speed，the extrusion die was optimized.The results show that a suitable die has important effects on the extrusion process and the quality of the products.Taper die，which satisfies the requirement for the titanium-copper flat-like cladding bar with big ratio of length to width，has been proved to be better.

titanium alloy;Ti/Cu cladding bar;extrusion die;design and application

田喜明

TG375+4

A

1674－3962(2012)03－0056－03

2012－01－08

陜西省工業攻關項目(2009K06－12)

田喜民，男，1977年生，工程師