真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

文／馬雪飛，葛媛媛·天津平高智能電氣有限公司

陳磊·平高集團(tuán)有限公司

真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬及模具設(shè)計(jì)

文／馬雪飛，葛媛媛·天津平高智能電氣有限公司

陳磊·平高集團(tuán)有限公司

馬雪飛，產(chǎn)品工程師，主要從事真空電氣設(shè)備的試驗(yàn)、生產(chǎn)協(xié)調(diào)和材料成形工藝研究，主持完成的特高壓環(huán)氧樹脂穿墻套管高壓注射技術(shù)項(xiàng)目獲平高集團(tuán)公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，主持完成的800kV特高壓輸變絕緣子真空澆注模具項(xiàng)目獲平高集團(tuán)公司科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，擁有3項(xiàng)專利。

通過(guò)分析真空滅弧室觸頭冷擠壓成形的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行改進(jìn)，制定冷擠壓新工藝?；贒eform-3D軟件，應(yīng)用剛塑性有限元算法對(duì)真空滅弧室觸頭冷擠壓成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，得到冷擠壓過(guò)程中材料的流動(dòng)狀態(tài)和等效應(yīng)力分布規(guī)律。用冷擠壓的方式加工該零件可以提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。

真空滅弧室觸頭系高壓開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量的好壞直接影響了高壓開(kāi)關(guān)的壽命。傳統(tǒng)加工方式是將端部與桿部作為兩個(gè)零件分別加工，之后再焊接成形，存在觸頭棒上下兩部分的垂直度等形位公差不容易保證及焊縫處的強(qiáng)度低等缺陷，制約了真空滅弧室產(chǎn)品整體性能的提升。采用冷擠壓工藝可以將一定規(guī)格的銅棒直接擠壓成接近成品外形的類T字形毛坯，再對(duì)這個(gè)毛坯進(jìn)行精加工至所需形狀。不但節(jié)約了材料，提高了加工效率，而且還提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了成本。

本文針對(duì)真空滅弧室觸頭的成形特性，制定出工藝方案，并運(yùn)用Deform-3D軟件對(duì)真空滅弧室觸頭的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了金屬的流動(dòng)規(guī)律和載荷、應(yīng)力分布等情況，并設(shè)計(jì)了模具結(jié)構(gòu)圖，對(duì)真空滅弧室觸頭的生產(chǎn)制造有重要的意義。

背景

真空滅弧室用于真空斷路器、真空接觸器、真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)以及真空重合器和分段器。真空開(kāi)關(guān)由于具有很多其他開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)而在電力系統(tǒng)中壓領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。真空開(kāi)關(guān)目前在中壓領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位，同時(shí)不斷向低壓、高壓領(lǐng)域滲透發(fā)展，特別是在高壓、超高壓領(lǐng)域發(fā)展能給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

真空滅弧室觸頭是真空滅弧室產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接決定了真空滅弧室的質(zhì)量和真空開(kāi)關(guān)的綜合性能表現(xiàn)。真空滅弧室的發(fā)展與真空開(kāi)關(guān)的發(fā)展是緊緊聯(lián)系在一起的，甚至它的研究工作要超前一些。因?yàn)橹挥袦缁∈壹夹g(shù)的重大突破，才可帶來(lái)真空開(kāi)關(guān)技術(shù)水平的大大提高。真空滅弧室觸頭冷擠壓制造工藝具有傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)省材料、優(yōu)化材料組織結(jié)構(gòu)、提高整體使用性能等，并且貼合了節(jié)能環(huán)保的總體發(fā)展目標(biāo)。近些年來(lái)，隨著工、農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)迫切需要得到升級(jí)和改造，推廣節(jié)能、綠色、可持續(xù)的工藝技術(shù)，更需要先進(jìn)節(jié)約的成形工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)。典型的真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

真空滅弧室觸頭成形工藝分析

真空滅弧室觸頭采用無(wú)氧銅材料，此材料有良好的冷加工性能，能用傳統(tǒng)的加工工藝如拉伸、壓延、精鍛和旋壓等，采用冷擠壓工藝制作觸頭零件。毛坯在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下，促使零件內(nèi)部晶粒變形和反復(fù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成較高的位錯(cuò)密度和細(xì)小的等軸晶，材料組織致密、且具有連續(xù)的纖維流向，對(duì)改善材料的組織和提高性能有較好的作用。

我國(guó)高等院校在鍛造成形的數(shù)值模擬與物理模擬應(yīng)用較好，應(yīng)用并解決了大量工程實(shí)際問(wèn)題。盡管模擬技術(shù)的重要性已經(jīng)引起廣泛重視，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鍛造企業(yè)對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用依然很少。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CAE技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是Deform-3D軟件的推廣和應(yīng)用，在零件制造前通過(guò)模擬分析對(duì)整個(gè)擠壓成形過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)計(jì)和工藝編制過(guò)程中的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，提高模具一次試模成功率，從而使產(chǎn)品和模具的開(kāi)發(fā)周期和生產(chǎn)成本得到改進(jìn)和完善。

運(yùn)用CAD軟件Solidworks對(duì)零件進(jìn)行造型。圖2為真空滅弧室觸頭的三維模型，其材料為無(wú)氧銅。通過(guò)對(duì)零件的成形特性進(jìn)行分析，在保證足夠的生產(chǎn)效率、較低的成本以及較高的模具壽命等前提下，采用毛坯→一次正擠壓成形→機(jī)加工→零件的生產(chǎn)工藝流程。

圖2 真空滅弧室觸頭三維模型

真空滅弧室觸頭的數(shù)值模擬及分析

采用Deform-3D軟件模擬真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程。真空滅弧室觸頭材料均選用材料庫(kù)中的CDA110，為彈塑性材料。模擬溫度設(shè)置為20℃，上、下模與坯料間的摩擦因子取0.12，工作帶長(zhǎng)度2.5mm。

等效應(yīng)力場(chǎng)分析

圖3為等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，反映了變形過(guò)程中各處變形抗力和應(yīng)力集中情況。變形主要集中在拐角處，此處變形劇烈，應(yīng)力增加最快，最大應(yīng)力范圍在459～569MPa之間，始終為應(yīng)力集中區(qū)。

載荷分析

圖4為成形過(guò)程中模具的行程-載荷關(guān)系。從圖4中可以看出，在填充階段前期，載荷上升比較平穩(wěn)，到后期因?yàn)榻饘倭鲃?dòng)愈加困難，所需載荷較大，最高載荷在370～430t之間振蕩，使得變形抗力急劇增大；最終載荷穩(wěn)定在400t左右，對(duì)壓力機(jī)噸位的選擇具有指導(dǎo)意義。

圖3 等效應(yīng)力場(chǎng)的分布情況

圖4 成形過(guò)程中模具的行程-載荷關(guān)系

損傷值分析

圖5為真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程的損傷值分布。從圖5可以看出，在整個(gè)變形過(guò)程中，坯料側(cè)面在向下擠壓的過(guò)程中損傷值較大，損傷值主要集中在0.15～0.32之間，零件質(zhì)量較好，不易出現(xiàn)裂紋。

圖5 真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程的損傷值分布

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

坯料為圓柱形銅棒，銅棒毛坯平端面水平放置在凹模腔內(nèi)，上模隨滑塊下行，進(jìn)入凹模模腔；毛坯受到三向變形壓力，銅棒料毛坯受壓力向下流動(dòng)，上端有局部反向流動(dòng)動(dòng)作；壓力機(jī)行程到位后制件成形，上模上升同時(shí)頂出桿上行，頂在制件下端向上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)制件頂出。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 模具結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)好的模具結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行模具制造，模具順利安裝在500t四柱液壓機(jī)上，實(shí)際生產(chǎn)出的合格零件如圖7所示。

圖7 擠壓零件

結(jié)論

⑴采用剛(粘）塑性有限元法對(duì)真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了金屬填充的規(guī)律，應(yīng)力分布、變形量變化、損傷值分布和載荷-行程變化曲線等信息，為實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證提供理論支持。

⑵試驗(yàn)結(jié)果表明：零件質(zhì)量較好，無(wú)裂紋等缺陷，說(shuō)明真空滅弧室觸頭冷擠壓成形過(guò)程工藝的制定與模具的設(shè)計(jì)均合理，且數(shù)值模擬結(jié)果可靠。