銅加工連續擠壓工裝模具的改進

馮 冬，張桂銘，楊新民，俞閩華，王智丹

(江西江冶實業有限公司，江西 貴溪 335400)

0 引 言

在20世紀70年代初期所發明的一項新材料生產技術，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，隨著該技術在我國的發展，已發展到擁有獨立知識產權的再發展，我國已是當今世界連續擠壓技術裝備的主要生產國和使用國，目前銅生產工藝向高效、低耗、節約、環保型的方向發展，雖然銅加工連續擠壓工藝的使用期限較短，但銅扁線、銅棒、銅棒、銅帶等工業化生產產品已制成，并取得良好的經濟效益和社會效益[1]。在銅加工中使用連續擠壓技術較傳統工藝流程更簡單、金屬原子間隙更小，該技術已經在國內的線材加工中廣泛應用，通過多方向連續擠壓加工可提高銅制品的熱塑性，可生產結構較復雜或對制品壁面要求較高的銅件，在實際使用期間也可以滿足加工要求，能有效提升產品的熱力學性能。

1 銅加工連續擠壓工裝模具設計

1.1 鑲嵌式腔體

在銅加工連續擠壓工藝中，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，鑲件結構中使用混凝土澆筑方式，從而有效防止入口處裂紋的發生。鑲嵌模具主要由模具表面、操作平臺、鑲塊和限位器等構成，鑲嵌式腔體在實際設計期間一般都采用“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，由于分體式結構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成本[2]。

1.2 組合式擋料塊

銅加工連續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生一定的熱量，這種熱量的發生可以將全部擠壓力承受，具體可以承受在擠壓輪溝槽內，通常出現的損傷情況是由于強度不夠的原因出現開裂，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成本，就需要準確分析這些相關原因，并進行組合式擋料塊的設計，可以將其設計為可更換的組合結構。同時，組合式擋料塊的實際設計中是經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體由耐高溫鎳基合金材料制成，設計好的材料可以滿足抗沖擊、耐高溫與高壓的特地，而在底座設計期間采用了H13鋼的方式，組合式擋料塊在生產和使用過程中，其工作體、側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 %以上的生產成本。

1.3 內冷式擠壓輪

銅加工連續擠壓大截面的制品期間，因為在擠壓過程中的變形壓力大、發熱高，所以擠壓輪受到的高溫會比較大。常規的制冷方法存在一定的不足之處，主要是因為冷卻介質相對于原料塊來說，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，從而造成擠壓輪損傷面積很大[3]。同時，內冷擠壓輪一般由2個側體和1個工體所構成，側體與工體中間有長度為6～20 mm的大圓孔道，利用側體與工體工作中的管道相互連接，通過在擠壓輪中布置內冷水流管道，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成本，降低超過30 %的生產成本。

1.4 內冷式擋料塊

連續擠壓模具中的內冷塊擋料塊的設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，并將生產成本降低30 %以上。

2 銅加工連續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品的電極片，也應用于電力、電器、通信、光電、電腦等領域，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含量較高、性質特殊的物質，其在電學性質、含氧量、化學組成、機械穩定性、形狀公差準確度、片形質量、表面粗糙度和邊緣材料等方面均有較嚴格的規定。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、設備投入高、建設周期較長，第二道工藝少了加熱等操作，具備工藝流程少、節能、投入小的優勢，其不足之處是企業效益低下[4]。銅加工連續擠壓工藝是以20～30 mm的無氧銅棒為基材，采用連續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技術，這種方法的重點在于利用銅加工連續擠壓得到更大長度的材料。目前由力博公司投產的630連續擠壓機可以制備最大長度為320 mm的原帶材料，該技術制備的無氧銅帶具備如下優點：①連續擠壓工藝可以把大壓力生產中不必要的摩擦力轉換為變形的推動力和熱量，可以直接擠壓毛坯，從而避免發熱、熱軋、刨切的過程，同時具備效率高、節約材料的優勢；②優質鉛銅棒的鑄態結構采用連續擠壓方法生產細小均勻的再結晶組織，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、開關觸頭、供電系統設備、母線槽等電氣設備上，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，制造銅排的常規技術主要有2種：①連續擠壓工藝；②傳統擠壓工藝。這2種技術的主要弊端是生產流程較長，加工工藝時間長，材料消耗高，成品生產速度慢，產品質量也較難保證。其中銅加工連續擠壓工藝制造銅排的主要生產流程為：對銅桿的拉拔-連續擠壓、精加工和鋸切，而將其與常規技術比較，具有工藝流程少、設備投入較低、有效節約、生產管理緊密的優勢，其顆粒比較細，熱力學特性和導電性能優越。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、高溫低壓電器觸頭、輸配電裝置導線的主要原料，模具設計領域也是通過連續擠壓工藝制造異形銅排的技術核心，因為異形銅排擠壓模具的外形尺寸設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，也就是必須兼顧內部長度和內外高度實現銅加工。

2.3 無氧銅棒

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

3 連續擠壓技術在銅加工的具體應用

3.1 連續擠壓技術在銅加工中的工藝流程

銅加工連續擠壓工裝技術通過擠壓輥和材料內部的摩擦，使產生的動力轉換為材料輸出功率的基本操作原理，其工藝圖詳見圖1。與常規加工成形方法比較，連續擠壓能夠進行更平滑的斷面切割，在銅材生產上優越性更加突出，是優選的生產技術[5]。如圖1所示，擠壓之前的準備工序是相當繁瑣且關鍵，首先將銅原料粗加工至標準狀態，經洗凈晾干后保持銅材的潔凈度，將經改款后的規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象的發生，同時連續擠壓可以使銅材內原子間運動更為頻繁，成型表面更為平整。

圖1 連續擠壓技術工藝流程圖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構

在銅材的擠壓工藝中，一般使用平面花紋形式的初步設計，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，端部中心點應偏離擠壓腔的中心軸線。

3.3 改進增加延展槽區域

銅加工連續擠壓工裝模具設計期間，需要改進延展槽的區域，因為在連續擠壓期間，上述中心點可能出現一定的變化情況，這種變化主要呈現位置的偏移，以及長度的不確定等內容，這也就促使連續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 改進設立阻流環

在銅材前端安裝環?？梢砸种平饘俜肿舆\動，也可使銅材出現一定的擴散，利用對銅在橫向截面上產生的不規則形狀連續擠壓，壓環能夠削弱核心上銅分子的活動，進而將金屬分子轉移到不太可能的橫向屈曲的地方。

3.5 改進前期預熱工作

在銅加工連續擠壓工裝模具改進期間，需要改進前期的預熱工作，可關閉延長槽的兩扇門，使連續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明顯的提高，能夠有效降低連續擠壓工藝中出現的不平衡問題，提高生產效率。

4 連續擠壓在銅加工的應用效果

銅加工連續擠壓工裝技術應用期間，通過建立相應的模具就可以在實際使用期間提升銅加工的質量，為可以有效驗證連續擠壓技術下的銅加工效果，就可以在實際研究期間使用聯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量。一般來說，設備運行系統在實際設計期間主要以SCHUMAG為主，在設計下其設備型號也主要為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，就需要結合銅材料的具體材料特性進行分析，設定相應的拉拔設備速度，可以將設備的速度設計在300 m/min下，在這種背景下進行連續加壓就可以促使銅材產生最大拉拔力為，其拉拔力以25 kN為主。在完成以上內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，將相應的參數信息進行記錄，如表1所示，通過分析表1所示的內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擠壓技術在銅加工中的應用效果奠定基礎作用，并使用連續擠壓技術對相應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內容進行研究后就可以明確，利用連續擠壓技術加工的銅材料與常規的擠壓加工有明顯的差異，這些差異的具體表現模式主要為內部直徑均勻壓縮，而經過切割之后也會具有切割后公差小的優勢?；诖?，分析銅加工連續擠壓工裝模具改進措施對銅加工質量具有一定影響，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 連續擠壓技術處理后終期材料特性Tab.2 Terminal material characteristics after being subject to continuous extrusion

5 結 語

綜上所述，連續擠壓工藝因其高效節能、技術投入較低、產品質量穩定性高等許多優勢而應用于銅生產行業，某企業自20世紀90年代開始注重于連續擠壓工藝的研發與技術的研制，創造出的連續擠壓工藝在銅生產行業中具有較強大的技術實力。該文對銅加工連續擠壓工裝模具進行研究，通過對生產技術的創新，提高銅生產的效率和質量。隨著科技的不斷創新，連續擠壓技術將更加成熟，給未來金屬工業帶來重要的支持。