銅加工連續(xù)擠壓工裝模具的改進

馮 冬，張桂銘，楊新民，俞閩華，王智丹

(江西江冶實業(yè)有限公司，江西 貴溪 335400)

0 引 言

在20世紀70年代初期所發(fā)明的一項新材料生產(chǎn)技術(shù)，在實際使用中可滿足材料的加工要求，被譽為銅材料的一次革命性金屬加工技術(shù)，隨著該技術(shù)在我國的發(fā)展，已發(fā)展到擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的再發(fā)展，我國已是當今世界連續(xù)擠壓技術(shù)裝備的主要生產(chǎn)國和使用國，目前銅生產(chǎn)工藝向高效、低耗、節(jié)約、環(huán)保型的方向發(fā)展，雖然銅加工連續(xù)擠壓工藝的使用期限較短，但銅扁線、銅棒、銅棒、銅帶等工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品已制成，并取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。在銅加工中使用連續(xù)擠壓技術(shù)較傳統(tǒng)工藝流程更簡單、金屬原子間隙更小，該技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)的線材加工中廣泛應(yīng)用，通過多方向連續(xù)擠壓加工可提高銅制品的熱塑性，可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)較復雜或?qū)χ破繁诿嬉筝^高的銅件，在實際使用期間也可以滿足加工要求，能有效提升產(chǎn)品的熱力學性能。

1 銅加工連續(xù)擠壓工裝模具設(shè)計

1.1 鑲嵌式腔體

在銅加工連續(xù)擠壓工藝中，金屬模具最常見的損壞方式有破損和熱塑性變形，在高溫和高壓的情況下，銅會在金屬模具入口處形成巨大的摩擦，從而產(chǎn)生鎳基，也正因為在金屬模具入口處承受的巨大壓力，鑲件結(jié)構(gòu)中使用混凝土澆筑方式，從而有效防止入口處裂紋的發(fā)生。鑲嵌模具主要由模具表面、操作平臺、鑲塊和限位器等構(gòu)成，鑲嵌式腔體在實際設(shè)計期間一般都采用“熱套”的工藝進行加工，就是將模具表明進行相應(yīng)的加熱操作，再利用熱脹冷縮把鑲塊固定在模具表面上。鑲嵌塊尺寸一般采用長圓形，而直徑則為從大至小的喇叭形，當空腔板在工作一定時間后損壞失效時，只需更換易損壞的鑲嵌塊即可，無需更換整個空腔板。此外，由于分體式結(jié)構(gòu)整個腔體面板無需使用昂貴的高溫鎳基合金材料，只需要在腔體塊上使用高溫鎳基合金材料即可，空心板采用H13鋼，空心板回收利用大大降低空心板的生產(chǎn)成本[2]。

1.2 組合式擋料塊

銅加工連續(xù)擠壓工裝模具中的組合式擋料塊也是最常見的類型，在實際加工期間，因與擠壓輪摩擦的方式就可以產(chǎn)生一定的熱量，這種熱量的發(fā)生可以將全部擠壓力承受，具體可以承受在擠壓輪溝槽內(nèi)，通常出現(xiàn)的損傷情況是由于強度不夠的原因出現(xiàn)開裂，其中包括嚴重的傾覆變形，這些都是造成開裂的主要原因，為增加使用壽命，并降低銅加工的生產(chǎn)成本，就需要準確分析這些相關(guān)原因，并進行組合式擋料塊的設(shè)計，可以將其設(shè)計為可更換的組合結(jié)構(gòu)。同時，組合式擋料塊的實際設(shè)計中是經(jīng)由耐熱和高壓鎳基合金材料制成，基于此制成的組合式擋料塊能夠提高砌塊材料的具體承載能力，且還可以起到降低生產(chǎn)成本的作用。此外，在實際銅加工期間，其組合式擋料塊的工作體和側(cè)體由耐高溫鎳基合金材料制成，設(shè)計好的材料可以滿足抗沖擊、耐高溫與高壓的特地，而在底座設(shè)計期間采用了H13鋼的方式，組合式擋料塊在生產(chǎn)和使用過程中，其工作體、側(cè)體和底座都可以滿足單獨更換的需求，且在更換期間也不影響其他部件的使用，由此可以有效降低銅加工60 %以上的生產(chǎn)成本。

1.3 內(nèi)冷式擠壓輪

銅加工連續(xù)擠壓大截面的制品期間，因為在擠壓過程中的變形壓力大、發(fā)熱高，所以擠壓輪受到的高溫會比較大。常規(guī)的制冷方法存在一定的不足之處，主要是因為冷卻介質(zhì)相對于原料塊來說，擠壓輪制冷作用并不明顯，因此，無法使擠壓輪工作溫度減小至所能忍受的溫度范圍內(nèi)，從而造成擠壓輪損傷面積很大[3]。同時，內(nèi)冷擠壓輪一般由2個側(cè)體和1個工體所構(gòu)成，側(cè)體與工體中間有長度為6～20 mm的大圓孔道，利用側(cè)體與工體工作中的管道相互連接，通過在擠壓輪中布置內(nèi)冷水流管道，有效改善擠壓輪的制冷性能，進而減小擠壓輪的工作溫度，增加擠壓輪的壽命和生產(chǎn)成本，降低超過30 %的生產(chǎn)成本。

1.4 內(nèi)冷式擋料塊

連續(xù)擠壓模具中的內(nèi)冷塊擋料塊的設(shè)計主要是由進水通道、出水通道和洗滌通道組成，進水通道為直徑2～6 mm的圓孔，圓孔中心距離料塊底部8～12 mm，角度15°～18°，底部8～12 mm遠離料塊，出水通道直徑為2～6 mm。內(nèi)冷式擋料塊在實際使用期間可以增加塊的冷卻效果，減少堵塞塊料溫度可延長料塊壽命，并將生產(chǎn)成本降低30 %以上。

2 銅加工連續(xù)擠壓工裝模具的改進

2.1 無氧銅帶

無氧銅帶主要用作制造中高端產(chǎn)品的電極片，也應(yīng)用于電力、電器、通信、光電、電腦等領(lǐng)域，如電纜、射頻同軸電纜、計算機微型散熱器、柔性線路板等，無氧銅帶是一類技術(shù)含量較高、性質(zhì)特殊的物質(zhì)，其在電學性質(zhì)、含氧量、化學組成、機械穩(wěn)定性、形狀公差準確度、片形質(zhì)量、表面粗糙度和邊緣材料等方面均有較嚴格的規(guī)定。氧氣濃度過大和氧氣濃度分配不均也長期影響無氧銅帶的制造，一般無氧銅帶的制造方式有2類：①立式半連鑄或全連鑄-熱軋-冷軋；②臥式連鑄-冷軋，前者流程多、材料消耗大、設(shè)備投入高、建設(shè)周期較長，第二道工藝少了加熱等操作，具備工藝流程少、節(jié)能、投入小的優(yōu)勢，其不足之處是企業(yè)效益低下[4]。銅加工連續(xù)擠壓工藝是以20～30 mm的無氧銅棒為基材，采用連續(xù)擠壓過程獲得原帶材料，再通過冷軋、退火、表面處理等加工過程制備無氧代謝原銅帶材料的生產(chǎn)技術(shù)，這種方法的重點在于利用銅加工連續(xù)擠壓得到更大長度的材料。目前由力博公司投產(chǎn)的630連續(xù)擠壓機可以制備最大長度為320 mm的原帶材料，該技術(shù)制備的無氧銅帶具備如下優(yōu)點：①連續(xù)擠壓工藝可以把大壓力生產(chǎn)中不必要的摩擦力轉(zhuǎn)換為變形的推動力和熱量，可以直接擠壓毛坯，從而避免發(fā)熱、熱軋、刨切的過程，同時具備效率高、節(jié)約材料的優(yōu)勢；②優(yōu)質(zhì)鉛銅棒的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)擠壓方法生產(chǎn)細小均勻的再結(jié)晶組織，晶粒大小約為0.020 mm。

2.2 銅排及異形銅排

銅排是一類高電流的導電銅材，廣泛用作在高低壓配電箱、開關(guān)觸頭、供電系統(tǒng)設(shè)備、母線槽等電氣設(shè)備上，還廣泛用作金屬熔煉、電化學電鍍、化學苛性鈉及超大電流控制的金屬電解裝置。目前在中國，制造銅排的常規(guī)技術(shù)主要有2種：①連續(xù)擠壓工藝；②傳統(tǒng)擠壓工藝。這2種技術(shù)的主要弊端是生產(chǎn)流程較長，加工工藝時間長，材料消耗高，成品生產(chǎn)速度慢，產(chǎn)品質(zhì)量也較難保證。其中銅加工連續(xù)擠壓工藝制造銅排的主要生產(chǎn)流程為：對銅桿的拉拔-連續(xù)擠壓、精加工和鋸切，而將其與常規(guī)技術(shù)比較，具有工藝流程少、設(shè)備投入較低、有效節(jié)約、生產(chǎn)管理緊密的優(yōu)勢，其顆粒比較細，熱力學特性和導電性能優(yōu)越。同時，異形銅排也是制造直流電動機、勵磁電動機、電動放大開關(guān)、高溫低壓電器觸頭、輸配電裝置導線的主要原料，模具設(shè)計領(lǐng)域也是通過連續(xù)擠壓工藝制造異形銅排的技術(shù)核心，因為異形銅排擠壓模具的外形尺寸設(shè)計上不僅要按照工件外形尺寸進行投影放大，而且也需要按照高度和體積之間的比例，也就是必須兼顧內(nèi)部長度和內(nèi)外高度實現(xiàn)銅加工。

2.3 無氧銅棒

無氧銅棒廣泛用作生產(chǎn)真空電器配件，但是由于真空電器配件在生產(chǎn)過程中封存于氫氣中，氧氣濃度也被嚴格控制，所以目前應(yīng)用的無氧銅棒生產(chǎn)工藝一般是：連鑄-熱拔半熔，連續(xù)擠壓技術(shù)生產(chǎn)無氧銅桿的工藝為：連鑄-連續(xù)擠壓拉拔。連續(xù)擠壓工裝模具制備的產(chǎn)品具有工藝流程投資較少、快速節(jié)能、含氧量較少、綜合性能高、技術(shù)投入較少、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靈活的優(yōu)勢，通過工藝攻關(guān)，力博集團制造的無氧銅棒各項技術(shù)指標已全面達到用戶要求，并應(yīng)用于真空電器件領(lǐng)域。

3 連續(xù)擠壓技術(shù)在銅加工的具體應(yīng)用

3.1 連續(xù)擠壓技術(shù)在銅加工中的工藝流程

銅加工連續(xù)擠壓工裝技術(shù)通過擠壓輥和材料內(nèi)部的摩擦，使產(chǎn)生的動力轉(zhuǎn)換為材料輸出功率的基本操作原理，其工藝圖詳見圖1。與常規(guī)加工成形方法比較，連續(xù)擠壓能夠進行更平滑的斷面切割，在銅材生產(chǎn)上優(yōu)越性更加突出，是優(yōu)選的生產(chǎn)技術(shù)[5]。如圖1所示，擠壓之前的準備工序是相當繁瑣且關(guān)鍵，首先將銅原料粗加工至標準狀態(tài)，經(jīng)洗凈晾干后保持銅材的潔凈度，將經(jīng)改款后的規(guī)則矩形端部焊接于筒中，對二端均勻緩慢地施以同樣的壓力，或上下同時施以相反的壓力，使正向壓力與反力取得均衡，從而防止切斷銅材現(xiàn)象的發(fā)生，同時連續(xù)擠壓可以使銅材內(nèi)原子間運動更為頻繁，成型表面更為平整。

圖1 連續(xù)擠壓技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of continuous extrusion technology

3.2 改進擠壓模具的不等長定徑帶和偏心結(jié)構(gòu)

在銅材的擠壓工藝中，一般使用平面花紋形式的初步設(shè)計，此時銅材制品的橫截面積、銅材制品的邊長和進料方式等需要綜合考慮，主要考慮銅材在擠壓模型中的位移。一般銅加工連續(xù)擠壓工裝模具的定徑邊長約為3～6 mm左右，但因為銅材的耐蝕性很差，且材質(zhì)較柔軟，在長期擠壓加工過程中必須確保其一定成形，端部中心點應(yīng)偏離擠壓腔的中心軸線。

3.3 改進增加延展槽區(qū)域

銅加工連續(xù)擠壓工裝模具設(shè)計期間，需要改進延展槽的區(qū)域，因為在連續(xù)擠壓期間，上述中心點可能出現(xiàn)一定的變化情況，這種變化主要呈現(xiàn)位置的偏移，以及長度的不確定等內(nèi)容，這也就促使連續(xù)擠壓工裝模具在銅制品加工期間可能存在一定的局限性。

3.4 改進設(shè)立阻流環(huán)

在銅材前端安裝環(huán)?？梢砸种平饘俜肿舆\動，也可使銅材出現(xiàn)一定的擴散，利用對銅在橫向截面上產(chǎn)生的不規(guī)則形狀連續(xù)擠壓，壓環(huán)能夠削弱核心上銅分子的活動，進而將金屬分子轉(zhuǎn)移到不太可能的橫向屈曲的地方。

3.5 改進前期預(yù)熱工作

在銅加工連續(xù)擠壓工裝模具改進期間，需要改進前期的預(yù)熱工作，可關(guān)閉延長槽的兩扇門，使連續(xù)擠壓模具加熱至高溫，使延長槽中的溫度保持兩端一致，由于溫度控制的提高，合金原子間的活性也會出現(xiàn)明顯的提高，能夠有效降低連續(xù)擠壓工藝中出現(xiàn)的不平衡問題，提高生產(chǎn)效率。

4 連續(xù)擠壓在銅加工的應(yīng)用效果

銅加工連續(xù)擠壓工裝技術(shù)應(yīng)用期間，通過建立相應(yīng)的模具就可以在實際使用期間提升銅加工的質(zhì)量，為可以有效驗證連續(xù)擠壓技術(shù)下的銅加工效果，就可以在實際研究期間使用聯(lián)合拉拔機的方式進行加工，通過此方式進行銅材料的加工就可以提升銅材料的質(zhì)量。一般來說，設(shè)備運行系統(tǒng)在實際設(shè)計期間主要以SCHUMAG為主，在設(shè)計下其設(shè)備型號也主要為KZ-RP-0B(20-120)，其中涉及的恒定扭矩的主電機為180kWD.C，在此背景下，就需要結(jié)合銅材料的具體材料特性進行分析，設(shè)定相應(yīng)的拉拔設(shè)備速度，可以將設(shè)備的速度設(shè)計在300 m/min下，在這種背景下進行連續(xù)加壓就可以促使銅材產(chǎn)生最大拉拔力為，其拉拔力以25 kN為主。在完成以上內(nèi)容之后就需要仔細分析銅材料處理前的特性，并將其具體特性進行準確分析，將相應(yīng)的參數(shù)信息進行記錄，如表1所示，通過分析表1所示的內(nèi)容就可以掌握處理前材料的具體特性，這樣就能夠為驗證連續(xù)擠壓技術(shù)在銅加工中的應(yīng)用效果奠定基礎(chǔ)作用，并使用連續(xù)擠壓技術(shù)對相應(yīng)材料進行處理后就可以得到全新的材料特性，處理后材料特性如表2所示[6]。通過對表2內(nèi)容進行研究后就可以明確，利用連續(xù)擠壓技術(shù)加工的銅材料與常規(guī)的擠壓加工有明顯的差異，這些差異的具體表現(xiàn)模式主要為內(nèi)部直徑均勻壓縮，而經(jīng)過切割之后也會具有切割后公差小的優(yōu)勢。基于此，分析銅加工連續(xù)擠壓工裝模具改進措施對銅加工質(zhì)量具有一定影響，其中對棒材制度的影響均不超過1 mm，而對銅材成型的質(zhì)量影響更高，可以促使銅制品更好的投入使用，并滿足具體使用要求。

表2 連續(xù)擠壓技術(shù)處理后終期材料特性Tab.2 Terminal material characteristics after being subject to continuous extrusion

5 結(jié) 語

綜上所述，連續(xù)擠壓工藝因其高效節(jié)能、技術(shù)投入較低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高等許多優(yōu)勢而應(yīng)用于銅生產(chǎn)行業(yè)，某企業(yè)自20世紀90年代開始注重于連續(xù)擠壓工藝的研發(fā)與技術(shù)的研制，創(chuàng)造出的連續(xù)擠壓工藝在銅生產(chǎn)行業(yè)中具有較強大的技術(shù)實力。該文對銅加工連續(xù)擠壓工裝模具進行研究，通過對生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新，提高銅生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。隨著科技的不斷創(chuàng)新，連續(xù)擠壓技術(shù)將更加成熟，給未來金屬工業(yè)帶來重要的支持。