異形銅端子鍛擠復(fù)合工藝探究

文／陳志強(qiáng)·廈門市克成五金制品有限公司

銅端子是普遍應(yīng)用于電力控制柜上的導(dǎo)電接觸件，材質(zhì)通常為紫銅(或叫紅銅)。傳統(tǒng)工藝多為擠壓銅型材+機(jī)加工制造，工藝缺點(diǎn)是小批量時銅型材的成本較高，而且機(jī)加工的工藝方式材料利用率較低、加工效率低、加工設(shè)備成本高。在此種背景之下，筆者嘗試了一種區(qū)別于傳統(tǒng)冷鍛工藝的多工序鍛擠復(fù)合工藝，在此與大家分享。

產(chǎn)品特征分析

銅端子產(chǎn)品(圖1)材質(zhì)為T2 紫銅，硬度為80 ～100HRA。上半部分為扁平狀結(jié)構(gòu)，并且頂部有齒形，齒形側(cè)面單邊倒C 角；下半部分為圓柱結(jié)構(gòu)，圓柱側(cè)面單邊有異形凹槽，圓柱底面有7 個螺紋孔；上半部分與下半部分過渡處有R 角，單面有加強(qiáng)筋。這些特征都可以考慮用鍛壓模具來完成，只有扁平部位上2 個側(cè)孔需要單獨(dú)沖孔或機(jī)加工鉆孔來實(shí)現(xiàn)。

圖1 銅端子產(chǎn)品3D 模型

鍛擠復(fù)合工藝分析

傳統(tǒng)的冷鍛工藝是用預(yù)制銅坯料來鐓粗成形圓柱部分，需要多次鐓粗成形，但是扁平部位的尺寸精度不高，齒形難以用模具成形出來。在此與大家探討的鍛擠復(fù)合成形工藝方案如圖2 所示。

圖2 鍛擠復(fù)合工藝2D 簡圖

圖3 鍛擠復(fù)合工藝3D 工序圖

鍛擠復(fù)合工藝3D 工序圖見圖3。從原材料考慮，銅棒材料成本最低，下料最簡單，坯料最容易獲得，故選用棒材鋸切下料得到圓柱體坯料。鍛擠復(fù)合工藝工序流程如下。

第一序：鋸切下料圓柱料坯，如圖3(a)所示。

第二序：考慮到用鍛擠復(fù)合工藝得到扁平舌部特征，但是舌部頂端有三個缺口，如果在擠壓末端再成形缺口特征則很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴牧狭鲃邮茏?，流動方向要變化。所以?yīng)該在材料流動的初始階段就成形出缺口特征，舌片與圓柱的加強(qiáng)筋特征可以一起成形出來，如圖3(b)所示。

第三序：反擠壓得到扁平舌部特征，其高度尺寸通過模具行程來控制，精度能保證在0.5mm 以內(nèi)。因?yàn)轫敳咳笨谔卣髟谏弦还ば蛞呀?jīng)成形出來，本工序只是擠壓讓材料垂直流動，所以頂部特征不會受影響，實(shí)際試驗(yàn)證明亦是如此，如圖3(c)所示。

第四序：擠壓圓柱側(cè)面的缺口特征，這個比較簡單，模具做好防呆定位和脫料即可，如圖3(d)所示。

第五序：擠壓底面7 個螺紋底孔特征。這個沒有多少難度，但要考慮分布在圓柱邊上的四個孔因?yàn)榭窟吿?，受?cè)向力不均衡造成的孔位偏差問題，需要在模具上做防護(hù)裝置及沖頭補(bǔ)強(qiáng)，防止沖頭受側(cè)向力過大而偏移折斷，如圖3(e)所示。

鍛擠復(fù)合工藝技術(shù)要點(diǎn)

此鍛擠復(fù)合工藝在工藝設(shè)計(jì)和模具制造過程中需要注意幾個技術(shù)細(xì)節(jié)。

⑴紫銅件采用冷鍛工藝，料坯硬度很關(guān)鍵，材料硬度對模具強(qiáng)度和壽命影響較大。為節(jié)省材料，料坯采用棒材鋸切下料。而棒材的正常硬度在80 ～100HV 之間，所以為使模具穩(wěn)定生產(chǎn)，料坯退火是非常必要的工序，將材料硬度降到50 ～60HV，鍛壓成形就容易多了。

⑵根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，一次鍛擠復(fù)合成形出齒形特征和加強(qiáng)筋特征，其中，上模腔結(jié)構(gòu)采用反擠壓模具結(jié)構(gòu)，減小摩擦阻力，利于材料流動；下模腔采用鍛壓模腔工藝，模芯采用錐度過盈配合，冷壓鑲套，保證模腔有足夠的強(qiáng)度。此種模具工藝能保證產(chǎn)品在開模時留在下模腔中，用機(jī)臺頂料缸通過頂料塊頂出，容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

⑶在工藝設(shè)計(jì)時，要考慮每道工序的產(chǎn)品定位問題，因?yàn)榧訌?qiáng)筋特征和圓柱側(cè)面的異形缺口特征都是不對稱的，所以模具上要設(shè)置防呆措施，以免產(chǎn)品放錯。

⑷因?yàn)槭嵌嗟拦ば虺尚?，而每道工序鍛壓后產(chǎn)品的圓柱部位尺寸都會變化，所以在工藝設(shè)計(jì)和模具制造的時候要充分考量產(chǎn)品的取放和定位問題，后道工序模腔尺寸設(shè)計(jì)時要預(yù)留前道工序的變形余量，以便產(chǎn)品順利放進(jìn)模腔定位和取出。

⑸為得到較好的產(chǎn)品表面質(zhì)量，與產(chǎn)品接觸部分的模具表面粗糙度很重要，這就要從模材選用、熱處理硬度、模腔結(jié)構(gòu)、加工方式及拋光精度等幾個方面整體控制；原則是在材料需要流動的地方，盡可能的減小材料與模具的摩擦力，從而降低模具受力，提高模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量。

⑹冷鍛工藝還有一個重要的環(huán)節(jié)就是潤滑，潤滑效果會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和模具壽命，生產(chǎn)中選用合適的潤滑方式至關(guān)重要，既要考慮潤滑效果的可靠性、使用方便性，也要考慮生產(chǎn)成本的經(jīng)濟(jì)性。對于銅、鋁等有色金屬的冷鍛，個人建議使用高溫潤滑油，其液體的狀態(tài)使用和清潔比較方便，冷鍛時產(chǎn)品和模具升溫后其潤滑性能依然穩(wěn)定。

試驗(yàn)工序

在考慮全面注意事項(xiàng)后，進(jìn)行生產(chǎn)試制，得到的產(chǎn)品滿足要求，試制過程見圖4，試模過程見圖5，最終實(shí)物見圖6。

鍛擠復(fù)合工藝分析

鍛擠復(fù)合工藝優(yōu)勢

⑴提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。

就此銅端子產(chǎn)品來說，采用冷鍛冷擠復(fù)合工藝，相較于用銅型材+機(jī)加工的工藝，其材料利用率提高了20%。雖然生產(chǎn)工序增多了，但都是通過模具來實(shí)現(xiàn)的，相較于機(jī)加工的效率提高了不少，設(shè)備成本也有所下降，總體算下來，生產(chǎn)成本還是有一定優(yōu)勢。

⑵尺寸精度好，外觀品質(zhì)好。

圖4 試制過程

圖5 試模過程

圖6 試制得到的實(shí)際產(chǎn)品

冷鍛產(chǎn)品的精度可以達(dá)到圖紙的尺寸要求，只需要很少的機(jī)加工輔助即可做成成品，表面質(zhì)量亦能直接滿足要求，而不像熱鍛一樣會有氧化皮，外觀面需要機(jī)加工才能達(dá)到要求。冷鍛產(chǎn)品的外表面只需做去油清洗即可徹底清潔干凈，生產(chǎn)容易實(shí)現(xiàn)。

冷鍛冷擠復(fù)合工藝缺陷

⑴模具工藝及技術(shù)要求較高。

相對于普通的沖壓模具或一般擠壓模具，冷鍛冷擠復(fù)合模具的工藝技術(shù)難度會大一些，模具強(qiáng)度和加工工藝也要求更高。按產(chǎn)品的不同材質(zhì)，不同的工藝選用合適的模具材料，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝及加工精度等綜合要求整體較高，需要模具技術(shù)人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)知識。

⑵生產(chǎn)需要一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

相對于普通沖壓生產(chǎn)，冷鍛冷擠復(fù)合生產(chǎn)的技術(shù)難度會稍大一點(diǎn)，要求作業(yè)人員有一定的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)人員必須要了解工藝特性，掌握安全的作業(yè)方法，懂得一般的故障排除和品質(zhì)判斷，并對模具要有基本了解。因?yàn)槔溴懩＞呤芰^大，存在一定的爆?；蜷_裂的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備和模具上要有安全防護(hù)措施，作業(yè)人員必須了解并掌握使用方法，按規(guī)范要求操作。

結(jié)束語

冷鍛工藝雖然在我國古代很早就已經(jīng)應(yīng)用了，但是一直沒有多少進(jìn)步；到了近代，由于工業(yè)的落后，我國的冷鍛技術(shù)比西方和日本等國家發(fā)展的晚且很緩慢；直到進(jìn)入21 世紀(jì)后，伴隨著我國工業(yè)化的高速發(fā)展，冷鍛技術(shù)也有了快速的進(jìn)步，正在加速追趕世界先進(jìn)水平。近些年來，我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展也為冷鍛技術(shù)的發(fā)展帶來新的活力和動力。各種3D成形軟件和塑性成形分析軟件的應(yīng)用為冷鍛技術(shù)開創(chuàng)了新的道路，科技的力量正在促使著冷鍛技術(shù)發(fā)生重大改變。各種新型檢測方法的應(yīng)用，新型模具材料、潤滑介質(zhì)的研發(fā)，機(jī)電新技術(shù)在冷鍛設(shè)備上的使用等，各種工業(yè)技術(shù)的發(fā)展都在促使著冷鍛技術(shù)的進(jìn)步。反過來，冷鍛也是工業(yè)制造技術(shù)的一種，是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，冷鍛技術(shù)的發(fā)展也在促進(jìn)著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。