馮 冬，張桂銘，楊新民，俞閩華，王智丹

(江西江冶實(shí)業(yè)有限公司，江西 貴溪 335400)

0 引 言

在20世紀(jì)70年代初期所發(fā)明的一項(xiàng)新材料生產(chǎn)技術(shù)，在實(shí)際使用中可滿(mǎn)足材料的加工要求，被譽(yù)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(guó)的發(fā)展，已發(fā)展到擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的再發(fā)展，我國(guó)已是當(dāng)今世界連續(xù)擠壓技術(shù)裝備的主要生產(chǎn)國(guó)和使用國(guó)，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(xiàn)、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(jì)效益和社會(huì)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(jiǎn)單、金屬原子間隙更小，該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的線(xiàn)材加工中廣泛應(yīng)用，通過(guò)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(fù)雜或?qū)χ破繁诿嬉筝^高的銅件，在實(shí)際使用期間也可以滿(mǎn)足加工要求，能有效提升產(chǎn)品的熱力學(xué)性能。

1 銅加工連續(xù)擠壓工裝模具設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(huì)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?yàn)樵诮饘倌＞呷肟谔幊惺艿木薮髩毫?，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(tái)、鑲塊和限位器等構(gòu)成，鑲嵌式腔體在實(shí)際設(shè)計(jì)期間一般都采用“熱套”的工藝進(jìn)行加工，就是將模具表明進(jìn)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(zhǎng)圓形，而直徑則為從大至小的喇叭形，當(dāng)空腔板在工作一定時(shí)間后損壞失效時(shí)，只需更換易損壞的鑲嵌塊即可，無(wú)需更換整個(gè)空腔板。此外，由于分體式結(jié)構(gòu)整個(gè)腔體面板無(wú)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(jiàn)的類(lèi)型，在實(shí)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(qiáng)度不夠的原因出現(xiàn)開(kāi)裂，其中包括嚴(yán)重的傾覆變形，這些都是造成開(kāi)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(zhǔn)確分析這些相關(guān)原因，并進(jìn)行組合式擋料塊的設(shè)計(jì)，可以將其設(shè)計(jì)為可更換的組合結(jié)構(gòu)。同時(shí)，組合式擋料塊的實(shí)際設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)好的材料可以滿(mǎn)足抗沖擊、耐高溫與高壓的特地，而在底座設(shè)計(jì)期間采用了H13鋼的方式，組合式擋料塊在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，其工作體、側(cè)體和底座都可以滿(mǎn)足單獨(dú)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?yàn)樵跀D壓過(guò)程中的變形壓力大、發(fā)熱高，所以擠壓輪受到的高溫會(huì)比較大。常規(guī)的制冷方法存在一定的不足之處，主要是因?yàn)槔鋮s介質(zhì)相對(duì)于原料塊來(lái)說(shuō)，擠壓輪制冷作用并不明顯，因此，無(wú)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(shí)，內(nèi)冷擠壓輪一般由2個(gè)側(cè)體和1個(gè)工體所構(gòu)成，側(cè)體與工體中間有長(zhǎng)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(guò)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(jìn)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(guò)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(jì)主要是由進(jìn)水通道、出水通道和洗滌通道組成，進(jìn)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(yuǎn)離料塊，出水通道直徑為2～6 mm。內(nèi)冷式擋料塊在實(shí)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(zhǎng)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(jìn)

2.1 無(wú)氧銅帶

無(wú)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(jì)算機(jī)微型散熱器、柔性線(xiàn)路板等，無(wú)氧銅帶是一類(lèi)技術(shù)含量較高、性質(zhì)特殊的物質(zhì)，其在電學(xué)性質(zhì)、含氧量、化學(xué)組成、機(jī)械穩(wěn)定性、形狀公差準(zhǔn)確度、片形質(zhì)量、表面粗糙度和邊緣材料等方面均有較嚴(yán)格的規(guī)定。氧氣濃度過(guò)大和氧氣濃度分配不均也長(zhǎng)期影響無(wú)氧銅帶的制造，一般無(wú)氧銅帶的制造方式有2類(lèi)：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(zhǎng)，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(shì)，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(wú)氧銅棒為基材，采用連續(xù)擠壓過(guò)程獲得原帶材料，再通過(guò)冷軋、退火、表面處理等加工過(guò)程制備無(wú)氧代謝原銅帶材料的生產(chǎn)技術(shù)，這種方法的重點(diǎn)在于利用銅加工連續(xù)擠壓得到更大長(zhǎng)度的材料。目前由力博公司投產(chǎn)的630連續(xù)擠壓機(jī)可以制備最大長(zhǎng)度為320 mm的原帶材料，該技術(shù)制備的無(wú)氧銅帶具備如下優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)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(guò)程，同時(shí)具備效率高、節(jié)約材料的優(yōu)勢(shì)；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(xì)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(lèi)高電流的導(dǎo)電銅材，廣泛用作在高低壓配電箱、開(kāi)關(guān)觸頭、供電系統(tǒng)設(shè)備、母線(xiàn)槽等電氣設(shè)備上，還廣泛用作金屬熔煉、電化學(xué)電鍍、化學(xué)苛性鈉及超大電流控制的金屬電解裝置。目前在中國(guó)，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(zhǎng)，加工工藝時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)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(shì)，其顆粒比較細(xì)，熱力學(xué)特性和導(dǎo)電性能優(yōu)越。同時(shí)，異形銅排也是制造直流電動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)放大開(kāi)關(guān)、高溫低壓電器觸頭、輸配電裝置導(dǎo)線(xiàn)的主要原料，模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域也是通過(guò)連續(xù)擠壓工藝制造異形銅排的技術(shù)核心，因?yàn)楫愋毋~排擠壓模具的外形尺寸設(shè)計(jì)上不僅要按照工件外形尺寸進(jìn)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(zhǎng)度和內(nèi)外高度實(shí)現(xiàn)銅加工。

2.3 無(wú)氧銅棒

無(wú)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(guò)程中封存于氫氣中，氧氣濃度也被嚴(yán)格控制，所以目前應(yīng)用的無(wú)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(wú)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(shì)，通過(guò)工藝攻關(guān)，力博集團(tuán)制造的無(wú)氧銅棒各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已全面達(dá)到用戶(hù)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(guò)擠壓輥和材料內(nèi)部的摩擦，使產(chǎn)生的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為材料輸出功率的基本操作原理，其工藝圖詳見(jiàn)圖1。與常規(guī)加工成形方法比較，連續(xù)擠壓能夠進(jìn)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(zhǔn)備工序是相當(dāng)繁瑣且關(guān)鍵，首先將銅原料粗加工至標(biāo)準(zhǔn)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(duì)二端均勻緩慢地施以同樣的壓力，或上下同時(shí)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(shí)連續(xù)擠壓可以使銅材內(nèi)原子間運(yùn)動(dòng)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(jìn)擠壓模具的不等長(zhǎng)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(jì)，此時(shí)銅材制品的橫截面積、銅材制品的邊長(zhǎng)和進(jìn)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(zhǎng)約為3～6 mm左右，但因?yàn)殂~材的耐蝕性很差，且材質(zhì)較柔軟，在長(zhǎng)期擠壓加工過(guò)程中必須確保其一定成形，端部中心點(diǎn)應(yīng)偏離擠壓腔的中心軸線(xiàn)。

3.3 改進(jìn)增加延展槽區(qū)域

銅加工連續(xù)擠壓工裝模具設(shè)計(jì)期間，需要改進(jìn)延展槽的區(qū)域，因?yàn)樵谶B續(xù)擠壓期間，上述中心點(diǎn)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(zhǎng)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(jìn)設(shè)立阻流環(huán)

在銅材前端安裝環(huán)?？梢砸种平饘俜肿舆\(yùn)動(dòng)，也可使銅材出現(xiàn)一定的擴(kuò)散，利用對(duì)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(dòng)，進(jìn)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(jìn)前期預(yù)熱工作

在銅加工連續(xù)擠壓工裝模具改進(jìn)期間，需要改進(jìn)前期的預(yù)熱工作，可關(guān)閉延長(zhǎng)槽的兩扇門(mén)，使連續(xù)擠壓模具加熱至高溫，使延長(zhǎng)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(huì)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(wèn)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(guò)建立相應(yīng)的模具就可以在實(shí)際使用期間提升銅加工的質(zhì)量，為可以有效驗(yàn)證連續(xù)擠壓技術(shù)下的銅加工效果，就可以在實(shí)際研究期間使用聯(lián)合拉拔機(jī)的方式進(jìn)行加工，通過(guò)此方式進(jìn)行銅材料的加工就可以提升銅材料的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)期間主要以SCHUMAG為主，在設(shè)計(jì)下其設(shè)備型號(hào)也主要為KZ-RP-0B(20-120)，其中涉及的恒定扭矩的主電機(jī)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(jìn)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(jì)在300 m/min下，在這種背景下進(jìn)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(xì)分析銅材料處理前的特性，并將其具體特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，將相應(yīng)的參數(shù)信息進(jìn)行記錄，如表1所示，通過(guò)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?yàn)轵?yàn)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(duì)相應(yīng)材料進(jìn)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(guò)對(duì)表2內(nèi)容進(jìn)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(guò)切割之后也會(huì)具有切割后公差小的優(yōu)勢(shì)?；诖?，分析銅加工連續(xù)擠壓工裝模具改進(jìn)措施對(duì)銅加工質(zhì)量具有一定影響，其中對(duì)棒材制度的影響均不超過(guò)1 mm，而對(duì)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(mǎn)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(yǔ)

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(shì)而應(yīng)用于銅生產(chǎn)行業(yè)，某企業(yè)自20世紀(jì)90年代開(kāi)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(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。該文對(duì)銅加工連續(xù)擠壓工裝模具進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)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(lái)金屬工業(yè)帶來(lái)重要的支持。