扁形鈦銅復(fù)合棒擠壓模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田喜明，王成長(zhǎng)，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(fù)合棒擠壓模具設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田喜明1，王成長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)寬比較大的扁形截面鈦銅復(fù)合棒的擠壓模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。通過(guò)合理選材，并選擇使擠壓力最小的模具模腔輪廓曲線(xiàn)和半模角，改變?？坠ぷ鲙У膸缀涡螤钆c尺寸，選擇適當(dāng)?shù)臄D壓速度等，優(yōu)化設(shè)計(jì)制備出扁形鈦銅復(fù)合棒專(zhuān)用擠壓模具。增加工作帶長(zhǎng)度可以增大摩擦阻力，使向該處流動(dòng)的供應(yīng)體的流動(dòng)靜壓力增大，迫使金屬向阻力小的方向流動(dòng)，從而使型材整個(gè)斷面上金屬流量更加均勻。擠壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理的模具設(shè)計(jì)對(duì)擠壓材的擠壓過(guò)程和擠壓制品質(zhì)量有重要影響，錐形模具更適合于扁形鈦銅復(fù)合棒的擠壓。解決了科研生產(chǎn)實(shí)際對(duì)大的長(zhǎng)寬比扁型鈦銅復(fù)合棒的需求。

鈦合金;鈦銅復(fù)合棒;擠壓模具;設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 前言

鈦銅復(fù)合棒在航空零件加工、電解及氯堿制造等工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。擠壓法生產(chǎn)鈦銅復(fù)合棒，變形量一般在95%以上。擠壓時(shí)金屬處于對(duì)復(fù)合非常有利的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，伴隨大的變形，復(fù)合強(qiáng)度較高。在后續(xù)的電極制備車(chē)削螺紋時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快的車(chē)削速度和大的進(jìn)刀量，而不會(huì)出現(xiàn)鈦銅相分離的情況，生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)大批量化的生產(chǎn)。在擠壓過(guò)程中，模具的工作環(huán)境相當(dāng)苛刻:①長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用;②長(zhǎng)時(shí)間的高壓作用;③激冷、激熱作用;④反復(fù)循環(huán)應(yīng)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(chǎn)鈦銅復(fù)合棒成本中的重要部分。合理設(shè)計(jì)、制造和使用模具，能大大提高其使用壽命、生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

2 擠壓模結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

在整個(gè)擠壓過(guò)程中，擠壓模具是確定制品外部尺寸、形狀及影響外表面質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，它的結(jié)構(gòu)形式，各部分的尺寸、材質(zhì)和熱處理方法等，對(duì)擠壓力、金屬流動(dòng)的均勻性、擠壓制品的尺寸精度和表面質(zhì)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(shè)計(jì)、制造和使用成為生產(chǎn)工藝研究中的又一個(gè)重要方面。圖1為常見(jiàn)的錐形擠壓模結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 擠壓模的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of extrusion die

3 設(shè)計(jì)方法

在充分考慮影響模具設(shè)計(jì)的各種因素之后，應(yīng)根據(jù)擠壓制品的類(lèi)型、擠壓設(shè)備與模具結(jié)構(gòu)、工藝方法等來(lái)設(shè)計(jì)擠壓模具的模腔形狀和尺寸。計(jì)算模孔尺寸時(shí)，應(yīng)該充分考慮被擠壓金屬材料的化學(xué)成分，擠壓制品的形狀、公稱(chēng)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(xiàn)膨脹系數(shù)、擠壓力及模具的彈塑性變形情況等因素。

?？壮叽缤ǔ２捎靡韵鹿接?jì)算:

式中，A0為擠壓制品截面的公稱(chēng)尺寸;M為擠壓制品公稱(chēng)尺寸的允許偏差;Ky為使擠壓制品部分尺寸減少的系數(shù)(Ky為0.01～0.03);Kp為矯直拉伸時(shí)尺寸縮減的系數(shù);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(xiàn)膨脹系數(shù)。

模具的孔型尺寸與制品截面尺寸是不相等的，因?yàn)槟＞叩目仔统叽缡軘D壓制品材料性能，模具材料性能，擠壓時(shí)錠坯的保護(hù)方式，截面形狀的幾何特點(diǎn)和公差范圍，矯直時(shí)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(shí)，首先要保證制品在常溫狀態(tài)下符合公差要求，同時(shí)又能最大限度地延長(zhǎng)模具的使用壽命。

4 鈦銅復(fù)合棒擠壓模具孔型設(shè)計(jì)

擠壓生產(chǎn)中一個(gè)重要的實(shí)際問(wèn)題是工模具損耗較大，一般可占生產(chǎn)成本的10%左右。延長(zhǎng)工模具使用壽命具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。提高擠壓工模具的使用壽命，合理地選材無(wú)疑是先決條件。

根據(jù)擠壓模具的工作條件，制造工模具的材料應(yīng)滿(mǎn)足以下條件:有足夠的高溫強(qiáng)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(shù)和良好的導(dǎo)熱性，良好的加工工藝性以及價(jià)格低廉等。但是，任何一種材料都很難滿(mǎn)足上述的所有條件，應(yīng)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(jìn)行了調(diào)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(chǎn)品精度要求，有效延長(zhǎng)了模具的使用壽命。除選擇優(yōu)質(zhì)材質(zhì)外，還應(yīng)采取諸如合理預(yù)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(yōu)化設(shè)計(jì)主要基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)方法，其目的主要是控制型材擠壓時(shí)各部分流速的均勻性。

通過(guò)改變模孔工作帶的幾何形狀與尺寸優(yōu)化模具。工作帶對(duì)金屬流動(dòng)起阻礙作用，增加工作帶長(zhǎng)度可以增大摩擦阻力，使向該處流動(dòng)的供應(yīng)體的流動(dòng)靜壓力增大，迫使金屬向阻力小的方向流動(dòng)，從而使型材整個(gè)斷面上金屬流量趨于均勻。依金屬種類(lèi)、型材品種和形狀不同，一般可取2～8 mm。本實(shí)驗(yàn)選取工作帶長(zhǎng)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(guò)渡。

研究結(jié)果和生產(chǎn)實(shí)踐表明，擠壓模具的失效與報(bào)廢大多是由于磨損、開(kāi)裂、尺寸超差、塌腔等造成的，而這些現(xiàn)象都與擠壓力(包括摩擦力)過(guò)大有關(guān)。因此，應(yīng)選擇使擠壓力最小的模具模腔輪廓曲線(xiàn)和半模角。

雖然提高擠壓速度能提高生產(chǎn)率，但會(huì)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(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臄D壓速度。擠壓力、擠壓速度應(yīng)作為擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)。

根據(jù)GB/T12769－2003中復(fù)合棒的斷面形狀、規(guī)格及允許偏差規(guī)定，(d±0.3)mm，h的尺寸公差范圍比較大，在確定孔型尺寸時(shí)只需考慮擠壓制品冷卻時(shí)的線(xiàn)收縮量、模具預(yù)熱時(shí)的線(xiàn)膨脹量、擠壓后制品表面銅層尺寸及修磨量。經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)，半模角α=60°，能有效改善擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。由于扁形截面長(zhǎng)寬比較大，考慮到模具安全系數(shù)，且受到裝配條件限制，選用平行延伸孔型設(shè)計(jì)，如圖2所示。

擠壓時(shí)，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(cuò)綜復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮各種不利因素的影響，選擇合理的結(jié)構(gòu)，規(guī)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(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)制作的扁形界面鈦銅復(fù)合棒擠壓模具實(shí)物圖。

5 應(yīng)用

鈦銅復(fù)合棒擠壓試驗(yàn)是在稀有金屬材料加工國(guó)家工程研究中心16.3 MN臥式擠壓機(jī)上進(jìn)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(shè)計(jì)的模具，以80～120 mm/s速度擠壓，石墨二硫化鉬潤(rùn)滑，在16.3 MN臥式擠壓機(jī)上取得了良好的擠壓效果，產(chǎn)品完全符合國(guó)家GB/T12769－2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了科研生產(chǎn)對(duì)扁型擠壓棒的需求。

6 結(jié)論

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

(2)根據(jù)扁形截面鈦銅復(fù)合棒技術(shù)條件要求，設(shè)計(jì)制作了適用的擠壓模具，能夠合理調(diào)整金屬的流動(dòng)速度。擠壓過(guò)程平穩(wěn)，金屬流動(dòng)均勻，實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的模具可滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

(3)制備出的扁形截面鈦銅復(fù)合棒角部填充飽滿(mǎn)，滿(mǎn)足產(chǎn)品的尺寸要求，性能優(yōu)良，完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12769－2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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［5］Hu Zhenghuan(胡正寰)，Xia Jushen(夏巨諶).Materials Engineering Dictonary(中國(guó)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(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(2009K06－12)

田喜民，男，1977年生，工程師