鋁合金拉桿的熱擠壓工藝及模具設計

　　1、引言

　　高壓開關產品零件品種多、改型頻繁，拉桿是 LW8-35SF6型戶外斷路器中的關鍵零件，要求具有較高的導電、導熱性能和良好的力學性能，以降低能耗和提高產品的可靠性鋁合金材料不僅導電導熱性好、力學性能優良，而且比強度高、密度小，因而在高壓電器零部件的制造中，除采用銅及其合金外，大量采用鋁合金。研究表明，對于綜合性能要求較高的一類功能件，如拉桿、接頭、導體、觸頭座等，一般采用鋁合金擠壓棒 (管)經切削加工制成，2A50 合金就是其中常用材料之一。2A50合金在熱態下具有良好的可塑性，可通過鑄造、擠壓等變形工藝改善組織，提高性能，且可以熱處理強化，工藝性較好，因而成為高壓開關類零部件的首選材料。


　　拉桿的擠壓件如圖1所示，傳統上采用棒料直接切削加工而成，材料的利用率一般在 16%-40%，浪費嚴重、效率低。新工藝采用桿部反擠頭部正擠的復合熱擠壓方法，能使坯料尺寸精度大幅度提高，毛坯重量減輕72%以上，產品的導電率、硬度及強度等完全達到設計標準。


　　2、拉桿熱擠壓工藝分析

　　拉桿零件材料為 2A50(LD5) 合金，屬于 A1-Mg-Si-Cu系，具有良好的鍛造性能，在熱態下易變形，且抗蝕性能、焊接性能和切削性能良好，中等強度，塑性很好閉。在生產過程中，將圓柱形毛坯表面涂上水劑石墨，然后感應加熱至490℃，放入組合凹模的模具中擠壓成形。工作前把模具預熱至250℃左右，每次擠壓前，需向模腔噴灑潤滑劑。擠壓變形后可進行固溶時效熱處理，以提高其硬度，固溶溫度為 (515±5)℃，時間為3h，時效溫度為(160±5) ℃，時間為5h。


　　拉桿擠壓可以采用正擠壓或反擠壓的方法成形桿部。由于拉桿變形程度大，且桿部長徑比大于7，正擠壓時，金屬的流動方向與凸模運動方向相同，坯料與凹模之間存在摩擦力，則擠壓力中不僅有變形力，還包括該摩擦力。在坯料與凹模溫度過高及潤滑不良時，因坯料與凹模之間有相對運動，會進一步增大擠壓力。由于該零件的桿部較長，直接頂出時容易失穩彎曲.若間接頂出模具結構復雜，操作困難加。


　　采用一次復合擠壓成形工藝，即桿部反擠頭部正擠的復合擠壓成形工藝可以解決上述問題，其工藝流程如圖2所示。由于采用了桿部反擠，坯料與凹模之間無相對運動產生的摩擦力，從而降低了擠壓力。該方案模具結構簡單，生產效率高 YA23-315四柱式萬能液壓機活動橫梁到工作臺面距離為1250mm，行程長，凸模設計為中空結構，成形桿部的模腔在凸模上，可以完成脫模。拉桿熱擠壓工藝的生產過程是 :下料-加熱-擠壓-熱處理-精加工。


　　3、拉桿熱擠壓工藝設計

　　3.1、模具結構及工作過程

　　熱擠壓工藝設計是熱擠壓模具設計的第一步，直接影響到制件質量、生產效率、模具壽命、生產成本等。根據擠壓件形狀，凸模設計為空心狀，采用二層組合凹模結構。復合熱擠壓模具結構如圖3所示，擠壓時.先將坯料放人凹模型腔內.隨著凸模 4的下行 ，坯料在組合式凹模 內正擠成形，同時桿部反擠成形，隨著擠壓變形力逐漸增大，當金屬正向流動到頂件器時，頭部成形結束，此時金屬反向繼續流動。當擠壓完成后，上模回程，工件留在凹模7中，壓力機下缸動作，通過頂桿11將頭部大直徑部分頂出凹模 7，即可完成脫模。工件頭部內形與頂件器口之間應留有一定的斜度，以保證工件與頂件器不發生抱死現象，頂桿1兼作頭部正擠壓的凹模。


　　3.2、坯料尺寸的計算

　　根據拉桿零部件的要求，考慮到 2A50在熱處理后的零件尺寸和留機加工余量，擠壓件內外各留2mm 的單邊加工余量。根據原材料供貨情況，決定在生產中坯料采用Φ90mm 的棒料，高度取85mm。


　　3.3、許用變形程度的計算

　　采用熱擠壓成形工藝，需對材料的許用變形程度進行驗證，許用變形程度用斷面收縮率來表示擠壓過程中毛坯的變形程度為:


　　3.4、擠壓力的計算

　　在此復合擠壓中，凸模下行，擠壓力克服金屬的變形阻力及毛坯與模具之間的摩擦力，金屬開始流人型腔，拉桿頭部預先成形，金屬流經轉彎處桿部反擠;凸模繼續下行，當桿部成形結束時，擠壓力達到最大，其復合擠壓力為 P復=P反。


　　4、模具結構特點及工作過程中應注意的問題

　　本工藝采用一次擠壓成形，采用通用模架，凹模設計為二層組合結構。實際生產證明，該模具結構簡單、使用方便。通過改變凸模與頂件器，可以擠壓出不同頭部形狀和桿部直徑及長度的零件。


　　由于凸模為空心結構，截面積小，單位擠壓力高，又長時間工作在高溫狀態，易變形，因此，應采用熱強度較高的 3Cr2W8V材料，熱處理硬度50-55HRc。凹模采用單層預緊結構，凹模材料選5CrNiMo，熱處理硬度44-84 HRC。凹模預緊圈要求不高，材料選40Cr就可以了，熱處理硬度24-46HRC。


　　設計合理的人模角度和工作帶寬度，便于金屬流動，以盡量減小金屬與模具間的摩擦力，降低擠壓力。凹模尺寸與頂件器應有斜度，工作中保持凹模與制件有一定的摩擦力，又不影響開模后制件脫模，同時應注意模具的預熱。保證錐面摩擦的均勻，以避免在擠壓過程中拉桿頭部的偏移。在反擠過程中要保證坯料與模具的清潔度和間隙尺寸，減少成層和氣泡采用桿部反擠頭部正擠的復合擠壓工藝生產高壓開關零件 LW8-35SF6鋁合金拉桿是一種值得推廣的新工藝，不僅工藝合理，而且操作方便。該工藝最大限度地利用了 3150 k油壓機的設備能力，一次成形頂出，模具結構簡單、通用性強，且擠壓力小，特別適用于變形程度較大的長桿件的熱擠壓成形。新工藝的采用，使生產效率大大提高，同時對于在小設備上生產成形變形程度較大的其他類似長桿零件有很好的借鑒意義。

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