淺析異型銅材成形模具的設計與優化

俞土明

摘要：作為工業原料，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還是應用，都占據銅管材市場的主要地位。在銅材的生產過程當中，模具起到非常關鍵的作用。銅材生產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過程中存在的常見問題進行研究和分析，通過改變生產過程中的工藝、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。此種生產方法生產出的產品表面質量好、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，如果采用傳統方法就會有問題產生。[1]

1? 異型銅材的生產加工現狀

以某公司生產的異型銅材生產加工過程為例，了解異型銅材的生產加工現狀。該公司生產的“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。所以生產難度特別大，產品底面與弧面厚度不一致（即偏壁問題）非常容易出現在生產過程中。

經過研究得出，出現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生。

2? 異型銅管生產過程出現的問題

2.1 “D”型銅管熱擠壓生產階段出現的問題

“D”型銅管在其熱擠壓生產階段會有問題產生，如產品偏壁、模具開裂、產品扭擰等。 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，但如果發生不同角度的扭曲幸虧，那么就是扭擰問題。

發生這些情況，銅管就宣告報廢，無法使用了。發生偏壁、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的摩擦作用會變弱，在整個熱擠壓過程中，金屬會快速流動，容易出現金屬的流動不均勻情況。流動速度不均勻會發生扭擰、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生改變，最終導致產品的偏壁。

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偏移。在生產過程中，工作時間的過長會導致擠壓軸的活動導軌受損，從而發生上述四者不再處于同一中心線的情況，最終發生產品偏壁現象。

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，產品必然質量不好。

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，發現熱擠壓模具之所以會開裂，是因為在生產過程中，因壓力、摩擦力、溫度等因素的影響，模具容易產生熱疲勞現象，熱疲勞現象使得模具變得脆弱而開裂。

2.2 “D”型銅管拉拔生產階段出現的問題

“D”型管材拉拔模具是錐模，在實際生產過程中，模具與模座的配合不好，兩者發生位移，則會出現偏壁、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生的軸向應力會導致拉拔用芯頭與模具的位置發生改變，也會導致異型管材的偏壁、扭擰。

3? 異型銅材成形模具的優化方案

3.1 “D”型銅管熱擠壓用模具的優化方案

有足夠的穩定性、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工作條件下保障產品尺寸標準、品質好，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效率與質量的可靠保障。導致異型銅材出現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，模具出現開裂現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銅材的模具，在生產過程中，工況使得模具有熱疲勞產生，最終導致模具開裂。

應對模具開裂現象，本文基于傳統銅材熱擠壓錐?；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，發現模具未開裂，但是成品的質量參差不齊，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熱擠壓產品偏壁的應對方案。

產品偏壁問題產生原因上文已表述，那么現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、熱擠壓模具中心調整一致。此外，熱擠壓模具工作面和擠壓筒的結合部分調整到位，不留空隙。對模具與模座的結合間隙進行細致檢查，并調整到位。最后，在進行試驗，發現偏壁問題并未解決。

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品偏壁。試驗過程中，先加熱至860度，偏壁現象存在;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。

經排除法排除后，調整擠壓筒、擠壓軸斷面變形、模座支撐面改變、內襯磨損、針支撐連接器、穿孔針等的松動，這些無法與偏壁關聯。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生相對轉動，最后的產品則會發生偏壁。

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

3.1.2 “D”型銅管生產用穿孔針的優化方案

在“D”型銅管生產過程中，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生，所以“D”型銅管受力不均產生壁偏現象。且由于急冷急熱，穿孔針的針頭就容易出現開裂問題，本文對整體式的穿孔針進行優化改進，改進后的穿孔針由整體式變為兩體式，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根以上未發生偏壁現象。因此，這種改進是正確的。

3.2 “D”型銅管的拉拔用模具優化方案

模座設置成浮動形式的。在實際生產過程中，可以根據當時的狀況來隨時進行調節，把模具與模座之間的相對位置調整成最佳狀態，著力解決產品偏壁現象。這種浮動模座最大的優點是根據生產過程中產品狀態隨時隨地調節，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”型銅管的生產過程為例，對異型銅材成形模具提出優化設計方案。主要針對的是異型銅材在生產加工過程中，因拉拔模具、擠壓模具等所導致的產品不合格問題。對擠壓階段的模具進行優化設計后，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，促進生產的順利實施，對該類型產品的生產具有積極意義。

參考文獻：

[1]盧祥勝，趙慶輝，張永統，陳全明.異型銅材生產工藝優化[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技術[M].北京：冶金工業出版社，2002.