高中壓開關櫃（guì）斷路器深孔觸臂冷擠壓工藝研究
2019-11-21 來源（yuán）：福建省（shěng）三星電氣股份有限公司 作者：黃（huáng）順家 王培農（nóng） 王新（xīn）武 王漢欽
高、中壓開關櫃斷路器觸臂是斷路器的核心（xīn）零件（jiàn），經查閱現階段國內外該產品的生產工藝主要為采用 T2 紫銅棒料或管料通過數（shù）控車床加工而成，其缺點為原材料成本高（gāo）、產品（pǐn）的機械性能及物（wù）理性能受原材料本身狀態影響較大、毛料重量大、生產勞動強度（dù）高、消耗很大的自然及社會資源等。冷擠壓工藝是將金屬毛（máo）坯放（fàng）在冷擠壓模（mó）腔中，在室溫下，通過壓力機上固定的凸模向毛坯施加壓力，使金屬毛坯產生塑性變形（xíng）而製得零（líng）件的加（jiā）工方（fāng）法，是一種先進的近終成型工藝。冷擠壓工藝可提高材料利用（yòng）率（lǜ），減（jiǎn）少產品生（shēng）產（chǎn）周期，降低產品生產成本；可使金屬（shǔ）材料（liào）內部呈規則方向流動，提高（gāo）產（chǎn）品的硬度、抗（kàng）拉強度、電導率等機械及物理性能，從而大大提高產品的使用壽命及安全性（xìng）能。本文綜合（hé）多種學科（kē），應用先進的模塊化設計方法，對采（cǎi）用（yòng）冷擠壓工藝生產該類電力設備核心部件進行了研究。
1、零件（jiàn）工（gōng）藝分析
1.1 工藝（yì）分析
圖1所示為高（gāo）中壓開關櫃斷路（lù）器觸臂設計圖，材質為T2紫銅。
圖1 原高中壓開關櫃斷（duàn）路器觸臂設計圖（tú）
原有生產工藝是通過數控車床領用棒料 ϕ 80×250mm（11.18kg）進行加工，單件加工工時需要1.10h，特別是采用鑽鏜加（jiā）工內孔需要（yào）花費 0.6h 以（yǐ）上的工時，員工需要花費很大的體力進行鑽孔及搬（bān）運。日（rì）產能8～10件，生產投入成本和生產效率不理想。
采用冷擠壓工藝分析如下：
1）擠壓方案確認：該零件屬於套筒類產品，故采用反擠壓方案進行擠壓。
2）材料確定：冷（lěng）擠壓生產時如果材料硬度越高，那麽擠壓過程中需要的擠（jǐ）壓力也會更高。依據擠壓（yā）力選定（dìng）原（yuán）則：減少擠壓變形量，提高擠壓效率，降低衝頭的（de）擠壓衝擊力及原材料選擇優化，材（cái）料選擇用 T2 的 R 狀態，而產品外形尺（chǐ）寸為 ϕ 79mm，為（wéi）了 減 少 材 料 的 流 動 量 及 加 工（gōng） 量 ，原 材 料 采 用ϕ 80mm規格（gé）。
3）產品毛坯擠壓填充在凹凸模具之（zhī）間，內（nèi）腔與外圓會存在同心度（dù）偏差。由於機加工原（yuán）則為優先加工外部再加（jiā）工內部，采（cǎi）用冷擠壓時內孔的（de）粗糙（cāo）度可以達到Ra3.2以內（nèi），所以內孔可直接擠（jǐ）壓成形，外圓留加工餘量（liàng）。內腔（qiāng）直接擠壓成形，可減少鑽、鏜削內孔的工時 0.6h 和原材料重量 ϕ 50×215mm 約3.76kg。
4）該零件內孔深度與內孔直徑的尺寸比例為215/50=4.3，已趨（qū）於深（shēn）孔。擠壓過程中材料的流動量大。衝頭承受的力高，易（yì）產生偏移彎曲折斷，故需要針對衝頭進行（háng）詳細的設計。
生產工藝分析如下（高中（zhōng）壓開關櫃斷路器觸臂冷擠壓毛坯如（rú）圖2所示）：
圖2 高中壓開關櫃斷路器（qì）觸臂冷擠（jǐ）壓毛坯圖
1）毛坯成形後的首道機加工基準（zhǔn）為內孔 ϕ 50mm及底麵，加工端麵（miàn）至30mm厚度，並鑽 ϕ 15.5mm孔，兩端倒角（jiǎo）1×45°。尾座頂 ϕ 15.5孔（kǒng）mm，車削外圓至ϕ 79mm，調（diào）頭，軟爪夾緊 ϕ 79mm校（xiào）正，以 ϕ 15.5mm底 部 端 麵 為 基 準 ，車 削 端 麵 定 總 長 及 切 槽 和倒（dǎo）角。
2）表麵處理電鍍。
綜上分析，該零件加工工序流程：軟態拉製 T2紫銅棒料—圓盤鋸床下料—潤滑—冷擠壓—車削ϕ 15.5mm 孔底部及外圓 ϕ 79mm—調頭車削定總長及車槽倒角—表麵處理電鍍。
1.2 工藝計算
1.2.1 毛坯重量計算
根據圖2計算出毛坯質量為7.689kg。
1.2.2 毛坯尺寸計算
選定外徑為 80mm 的 T2 紫銅棒料為毛坯料外圓，根據毛坯質量推算出毛料長度L=172mm。確定擠（jǐ）壓坯料尺寸（cùn）為 ϕ 80×172mm。
1.2.3 斷麵收縮率計算
斷麵收縮率 εF=（F0-F1）÷F0×100% （1）
F0—變形前毛坯的橫斷麵積（jī），mm2；
F1—變形後（hòu）毛（máo）坯的橫斷麵積，mm2。
由上可得F0=40×40×3.14=5024mm2
F1=40.5 × 40.5 × 3.14- 25 × 25 × 3.14=5150.39-1962.5=3187.89 mm2
所以斷麵收縮率（lǜ） εF=（5024-3187.89）÷5024×100%=36.55%
1.2.4 擠壓次數確認
當斷麵收縮率 εF≤ εF許時，隻用一次擠壓就（jiù）可以成形；當斷（duàn）麵（miàn）收縮率 εF≥ εF許，需要進行多次擠壓。
表1 常用（yòng）材料的許（xǔ）用變形量εεF許對照表
查表 1 可得在正擠壓情況下（xià）銅及銅合金的許用（yòng）變（biàn）形量 εF許為 92%～95%，確定該零（líng）件隻需一次就可以擠壓成形。
1.2.5 擠壓力（lì）計算及（jí）設備選擇（zé）
P=cp F （2）
P—擠壓力，KN；
p—平均單位擠壓力，Mpa，可在圖3中（zhōng）查出；
F—凸模與毛坯直接（jiē）接觸表麵在水平（píng）麵上的投影麵積，mm2；
c—安全係數，因材質的軟硬波（bō）動、潤滑處理的質量（liàng）、表麵粗糙度等意外因素、需要額外增加，一般取c≥ 1.3。
圖3 有色（sè）金屬（shǔ）反擠壓時單位（wèi）擠壓力圖算表
由式（2）可得，P=1.3×25×25×3.14×620MPa=1581.8k N
根據上文計算出（chū）的 P 值，選擇擠壓力 1600k N以上的四柱液壓機設備。
2 模具設計
2.1 模具結（jié）構（gòu）及設計特點
模具結構如圖 4 所示。由於觸臂類零（líng）件（jiàn）都是類似（sì），長短不一，故采用通用模架，隻需更換凸模（mó） 8和凹模3就可以（yǐ）重複使用。隨（suí）時更換，既降低了（le）成本，又擴大了使用範圍。增加卸料板及根據零件特點針對凸模進行細節設計。
4
圖4 深孔觸臂冷擠壓模具圖
1.通用模架；2.墊塊（kuài）；3.凹模；4.凹模壓（yā）板；5.卸（xiè）料板；6.上模板；7.衝（chōng）頭夾套；8.衝頭
2.2 凸凹模具受力分析
凸模單位最（zuì）大受力p凸=P÷F凸（3）
P—總擠壓力，N；
F凸—衝頭（tóu）水平投影受力麵積，Mpa/mm。由式（3）可（kě）得，凸模單位最大受力：p凸=1581775÷1962.5=807Mpa
凹模單位最大受力p凹=P÷F凹（4）
P—總擠壓力（lì），N；F凹—凹模水平投影受力麵積，Mpa/mm。
由式（4）可得，凹模單位最大受力：p凹=1581775÷5024=315Mpa
2.3 凸（tū）模設計分析
從上可得凸模在擠壓過程中承（chéng）受的（de）力比凹模大，凸模長度與工（gōng）作（zuò）直徑比值為 215÷50=4.3，凸模（mó）細長，在擠壓過程中易產生縱（zòng）向彎曲（qǔ）和偏移，為了防止及減少失穩的（de）情況，減少衝頭的受力。對（duì）衝頭（tóu）進行設計如下：
2.3.1 衝（chōng）頭表麵粗糙度拋光（guāng）至 Rz1.6，減少擠壓摩擦力。
2.3.2 原圖紙設計內孔底部為90度R3mm角，不利於擠壓過程（chéng）中（zhōng）原材料的（de）流動，造成擠壓壓力增加，所以必須變更底部（bù）根角的設計 R 角。觸（chù）臂是采用M14 的螺栓連接鎖緊，其 M14 墊片最大外（wài）徑為27mm，底部根角最大可以達到 R10mm。本設計為（wéi）R8mm。
2.3.3 衝頭底麵設計為圓錐麵角度為0.3°，增加擠壓過程中材（cái）料的流動性，減少受力。
2.3.4 因零件正（zhèng）中心後續加工需要鑽 ϕ 15.5mm的通孔，為了（le）保證衝（chōng）頭的穩定性，不會產生縱向偏移導（dǎo）致彎曲折斷，在衝頭正中心增加深度為（wéi） 0.3mm，直徑為 ϕ 14mm 的定位凹槽，使衝頭在擠壓過程中不會（huì）偏移導致彎曲折斷；
圖5 凸模設計細節圖
2.3.5 在擠壓完成後，衝（chōng）頭與零件脫模過程中，中間空腔會產（chǎn）生（shēng）真空，需要在衝頭鑽 ϕ 0.3mm 的小孔，使衝頭在脫模過程中不會因真空吸力導致零件吸附在衝頭（tóu）上而無法脫模。
凸模設計（jì）細節如圖5所示。
2.4 凹模設計分析
2.4.1 凹模采用組合式有如下優點（diǎn）
1）減少切向拉應力，有效的（de）防止內層凹模的縱向開裂，提高凹模的強度，延長模具壽命。
2）減少凹模材料的使用量，降低（dī）材料成本及熱處理成本。
2.4.2 零件臂厚14.5mm，零件在（zài）擠壓過（guò）程（chéng）中（zhōng）需要衝頭脫模動作。為了增加脫模效果，需要內凹（āo）模內（nèi）腔製作成為內倒錐設計，倒（dǎo）錐錐長控製在0.3mm以內。
3、實驗與（yǔ）分析
3.1 通（tōng）過以上工藝及模（mó）具優化（huà）後實現（xiàn）了觸（chù）臂批（pī）量（liàng）生產。如圖 6 所示（shì）為冷擠壓生產的深孔觸臂毛坯實物圖（tú）。
3.2 金屬流線更加密實，流線擠壓過程不會被切斷，增加（jiā）了零件的機械（xiè）強度。金屬流線圖對照詳見圖7。
圖6 冷擠壓生產的深孔觸臂（bì）毛坯
圖7 金屬流線圖對（duì）照
3.3 提高了產品的硬度，並使零件的材料基體（tǐ）更（gèng）加密實，晶粒組織更為均（jun1）勻、細化。棒料與冷擠（jǐ）壓（yā）性能對照詳見（jiàn）表2，經濟性能指標詳見表3。
表2 棒料與冷擠壓性（xìng）能（néng）對照（zhào）表
表3 經濟性能指標
4、結論
4.1 采用冷擠壓工藝生產（chǎn）該零件（jiàn）具有（yǒu）提高生產（chǎn）效率、提高原材料（liào）利用（yòng）率、降低原材料使（shǐ）用成本、零件的（de）硬度（dù）得到（dào）顯著提高和金屬流線更加（jiā）合理從而提高（gāo）產品使用壽命等優點。
4.2 詳實的工藝模具分析、計算充分考慮（lǜ）冷擠壓過程中產生的問題並列出相應解決方（fāng）案，最終有效的生產出合格的毛坯。
4.3 突破性的提出平麵斜錐、端（duān）角增加圓角、增加真空導（dǎo）氣孔等（děng）工藝和設（shè）計，有效（xiào）地減少了擠壓過程中材料流（liú）動性原因產生的擠壓力和脫模時產生的真空吸附力，提高了衝頭的生（shēng）產壽命。
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