高中壓開關(guān)柜斷路器深孔觸臂冷擠壓工藝研究
2019-11-21 來源：福建省三星電氣股份有限公司 作者：黃順家 王培農(nóng) 王新武 王漢欽
高、中壓開關(guān)柜斷路器觸臂是斷路器的核心零件，經(jīng)查閱現(xiàn)階段國內(nèi)外該產(chǎn)品的生產(chǎn)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(diǎn)為原材料成本高、產(chǎn)品的機(jī)械性能及物理性能受原材料本身狀態(tài)影響較大、毛料重量大、生產(chǎn)勞動強(qiáng)度高、消耗很大的自然及社會資源等。冷擠壓工藝是將金屬毛坯放在冷擠壓模腔中，在室溫下，通過壓力機(jī)上固定的凸模向毛坯施加壓力，使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形而制得零件的加工方法，是一種先進(jìn)的近終成型工藝。冷擠壓工藝可提高材料利用率，減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本；可使金屬材料內(nèi)部呈規(guī)則方向流動，提高產(chǎn)品的硬度、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率等機(jī)械及物理性能，從而大大提高產(chǎn)品的使用壽命及安全性能。本文綜合多種學(xué)科，應(yīng)用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)方法，對采用冷擠壓工藝生產(chǎn)該類電力設(shè)備核心部件進(jìn)行了研究。
1、零件工藝分析
1.1 工藝分析
圖1所示為高中壓開關(guān)柜斷路器觸臂設(shè)計(jì)圖，材質(zhì)為T2紫銅。
圖1 原高中壓開關(guān)柜斷路器觸臂設(shè)計(jì)圖
原有生產(chǎn)工藝是通過數(shù)控車床領(lǐng)用棒料 ? 80×250mm（11.18kg）進(jìn)行加工，單件加工工時(shí)需要1.10h，特別是采用鉆鏜加工內(nèi)孔需要花費(fèi) 0.6h 以上的工時(shí)，員工需要花費(fèi)很大的體力進(jìn)行鉆孔及搬運(yùn)。日產(chǎn)能8～10件，生產(chǎn)投入成本和生產(chǎn)效率不理想。
采用冷擠壓工藝分析如下：
1）擠壓方案確認(rèn)：該零件屬于套筒類產(chǎn)品，故采用反擠壓方案進(jìn)行擠壓。
2）材料確定：冷擠壓生產(chǎn)時(shí)如果材料硬度越高，那么擠壓過程中需要的擠壓力也會更高。依據(jù)擠壓力選定原則：減少擠壓變形量，提高擠壓效率，降低沖頭的擠壓沖擊力及原材料選擇優(yōu)化，材料選擇用 T2 的 R 狀態(tài)，而產(chǎn)品外形尺寸為 ? 79mm，為了 減 少 材 料 的 流 動 量 及 加 工 量 ，原 材 料 采 用? 80mm規(guī)格。
3）產(chǎn)品毛坯擠壓填充在凹凸模具之間，內(nèi)腔與外圓會存在同心度偏差。由于機(jī)加工原則為優(yōu)先加工外部再加工內(nèi)部，采用冷擠壓時(shí)內(nèi)孔的粗糙度可以達(dá)到Ra3.2以內(nèi)，所以內(nèi)孔可直接擠壓成形，外圓留加工余量。內(nèi)腔直接擠壓成形，可減少鉆、鏜削內(nèi)孔的工時(shí) 0.6h 和原材料重量 ? 50×215mm 約3.76kg。
4）該零件內(nèi)孔深度與內(nèi)孔直徑的尺寸比例為215/50=4.3，已趨于深孔。擠壓過程中材料的流動量大。沖頭承受的力高，易產(chǎn)生偏移彎曲折斷，故需要針對沖頭進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。
生產(chǎn)工藝分析如下（高中壓開關(guān)柜斷路器觸臂冷擠壓毛坯如圖2所示）：
圖2 高中壓開關(guān)柜斷路器觸臂冷擠壓毛坯圖
1）毛坯成形后的首道機(jī)加工基準(zhǔn)為內(nèi)孔 ? 50mm及底面，加工端面至30mm厚度，并鉆 ? 15.5mm孔，兩端倒角1×45°。尾座頂 ? 15.5孔mm，車削外圓至? 79mm，調(diào)頭，軟爪夾緊 ? 79mm校正，以 ? 15.5mm底 部 端 面 為 基 準(zhǔn) ，車 削 端 面 定 總 長 及 切 槽 和倒角。
2）表面處理電鍍。
綜上分析，該零件加工工序流程：軟態(tài)拉制 T2紫銅棒料—圓盤鋸床下料—潤滑—冷擠壓—車削? 15.5mm 孔底部及外圓 ? 79mm—調(diào)頭車削定總長及車槽倒角—表面處理電鍍。
1.2 工藝計(jì)算
1.2.1 毛坯重量計(jì)算
根據(jù)圖2計(jì)算出毛坯質(zhì)量為7.689kg。
1.2.2 毛坯尺寸計(jì)算
選定外徑為 80mm 的 T2 紫銅棒料為毛坯料外圓，根據(jù)毛坯質(zhì)量推算出毛料長度L=172mm。確定擠壓坯料尺寸為 ? 80×172mm。
1.2.3 斷面收縮率計(jì)算
斷面收縮率 εF=（F0-F1）÷F0×100% （1）
F0—變形前毛坯的橫斷面積，mm2；
F1—變形后毛坯的橫斷面積，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
所以斷面收縮率 εF=（5024-3187.89）÷5024×100%=36.55%
1.2.4 擠壓次數(shù)確認(rèn)
當(dāng)斷面收縮率 εF≤ εF許時(shí)，只用一次擠壓就可以成形；當(dāng)斷面收縮率 εF≥ εF許，需要進(jìn)行多次擠壓。
表1 常用材料的許用變形量εεF許對照表
查表 1 可得在正擠壓情況下銅及銅合金的許用變形量 εF許為 92%～95%，確定該零件只需一次就可以擠壓成形。
1.2.5 擠壓力計(jì)算及設(shè)備選擇
P=cp F （2）
P—擠壓力，KN；
p—平均單位擠壓力，Mpa，可在圖3中查出；
F—凸模與毛坯直接接觸表面在水平面上的投影面積，mm2；
c—安全系數(shù)，因材質(zhì)的軟硬波動、潤滑處理的質(zhì)量、表面粗糙度等意外因素、需要額外增加，一般取c≥ 1.3。
圖3 有色金屬反擠壓時(shí)單位擠壓力圖算表
由式（2）可得，P=1.3×25×25×3.14×620MPa=1581.8k N
根據(jù)上文計(jì)算出的 P 值，選擇擠壓力 1600k N以上的四柱液壓機(jī)設(shè)備。
2 模具設(shè)計(jì)
2.1 模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)
模具結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。由于觸臂類零件都是類似，長短不一，故采用通用模架，只需更換凸模 8和凹模3就可以重復(fù)使用。隨時(shí)更換，既降低了成本，又?jǐn)U大了使用范圍。增加卸料板及根據(jù)零件特點(diǎn)針對凸模進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。
4
圖4 深孔觸臂冷擠壓模具圖
1.通用模架；2.墊塊；3.凹模；4.凹模壓板；5.卸料板；6.上模板；7.沖頭夾套；8.沖頭
2.2 凸凹模具受力分析
凸模單位最大受力p凸=P÷F凸（3）
P—總擠壓力，N；
F凸—沖頭水平投影受力面積，Mpa/mm。由式（3）可得，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，N；F凹—凹模水平投影受力面積，Mpa/mm。
由式（4）可得，凹模單位最大受力：p凹=1581775÷5024=315Mpa
2.3 凸模設(shè)計(jì)分析
從上可得凸模在擠壓過程中承受的力比凹模大，凸模長度與工作直徑比值為 215÷50=4.3，凸模細(xì)長，在擠壓過程中易產(chǎn)生縱向彎曲和偏移，為了防止及減少失穩(wěn)的情況，減少沖頭的受力。對沖頭進(jìn)行設(shè)計(jì)如下：
2.3.1 沖頭表面粗糙度拋光至 Rz1.6，減少擠壓摩擦力。
2.3.2 原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)內(nèi)孔底部為90度R3mm角，不利于擠壓過程中原材料的流動，造成擠壓壓力增加，所以必須變更底部根角的設(shè)計(jì) R 角。觸臂是采用M14 的螺栓連接鎖緊，其 M14 墊片最大外徑為27mm，底部根角最大可以達(dá)到 R10mm。本設(shè)計(jì)為R8mm。
2.3.3 沖頭底面設(shè)計(jì)為圓錐面角度為0.3°，增加擠壓過程中材料的流動性，減少受力。
2.3.4 因零件正中心后續(xù)加工需要鉆 ? 15.5mm的通孔，為了保證沖頭的穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生縱向偏移導(dǎo)致彎曲折斷，在沖頭正中心增加深度為 0.3mm，直徑為 ? 14mm 的定位凹槽，使沖頭在擠壓過程中不會偏移導(dǎo)致彎曲折斷；
圖5 凸模設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)圖
2.3.5 在擠壓完成后，沖頭與零件脫模過程中，中間空腔會產(chǎn)生真空，需要在沖頭鉆 ? 0.3mm 的小孔，使沖頭在脫模過程中不會因真空吸力導(dǎo)致零件吸附在沖頭上而無法脫模。
凸模設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖5所示。
2.4 凹模設(shè)計(jì)分析
2.4.1 凹模采用組合式有如下優(yōu)點(diǎn)
1）減少切向拉應(yīng)力，有效的防止內(nèi)層凹模的縱向開裂，提高凹模的強(qiáng)度，延長模具壽命。
2）減少凹模材料的使用量，降低材料成本及熱處理成本。
2.4.2 零件臂厚14.5mm，零件在擠壓過程中需要沖頭脫模動作。為了增加脫模效果，需要內(nèi)凹模內(nèi)腔制作成為內(nèi)倒錐設(shè)計(jì)，倒錐錐長控制在0.3mm以內(nèi)。
3、實(shí)驗(yàn)與分析
3.1 通過以上工藝及模具優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了觸臂批量生產(chǎn)。如圖 6 所示為冷擠壓生產(chǎn)的深孔觸臂毛坯實(shí)物圖。
3.2 金屬流線更加密實(shí)，流線擠壓過程不會被切斷，增加了零件的機(jī)械強(qiáng)度。金屬流線圖對照詳見圖7。
圖6 冷擠壓生產(chǎn)的深孔觸臂毛坯
圖7 金屬流線圖對照
3.3 提高了產(chǎn)品的硬度，并使零件的材料基體更加密實(shí)，晶粒組織更為均勻、細(xì)化。棒料與冷擠壓性能對照詳見表2，經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)詳見表3。
表2 棒料與冷擠壓性能對照表
表3 經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)
4、結(jié)論
4.1 采用冷擠壓工藝生產(chǎn)該零件具有提高生產(chǎn)效率、提高原材料利用率、降低原材料使用成本、零件的硬度得到顯著提高和金屬流線更加合理從而提高產(chǎn)品使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。
4.2 詳實(shí)的工藝模具分析、計(jì)算充分考慮冷擠壓過程中產(chǎn)生的問題并列出相應(yīng)解決方案，最終有效的生產(chǎn)出合格的毛坯。
4.3 突破性的提出平面斜錐、端角增加圓角、增加真空導(dǎo)氣孔等工藝和設(shè)計(jì)，有效地減少了擠壓過程中材料流動性原因產(chǎn)生的擠壓力和脫模時(shí)產(chǎn)生的真空吸附力，提高了沖頭的生產(chǎn)壽命。
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