1 引言
高壓開關(guān)產(chǎn)品零件品種多、改型頻繁，拉桿是 LW8-35SF6型戶外斷路器中的關(guān)鍵零件，要求具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的力學(xué)性能，以降低能耗和提高產(chǎn)品的可靠性鋁合金材料不僅導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、力學(xué)性能優(yōu)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(dǎo)體、觸頭座等，一般采用鋁合金擠壓棒 (管)經(jīng)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(tài)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(guān)類零部件的首選材料。
拉桿的擠壓件如圖1所示，傳統(tǒng)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(yán)重、效率低。新工藝采用桿部反擠頭部正擠的復(fù)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(chǎn)品的導(dǎo)電率、硬度及強度等完全達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
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(tài)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(chǎn)過程中，將圓柱形毛坯表面涂上水劑石墨，然后感應(yīng)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(yù)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(jìn)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(jìn)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(wěn)彎曲.若間接頂出模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難加。
采用一次復(fù)合擠壓成形工藝，即桿部反擠頭部正擠的復(fù)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(chǎn)生的摩擦力，從而降低了擠壓力。該方案模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(shè)計為中空結(jié)構(gòu)，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(chǎn)過程是 :下料-加熱-擠壓-熱處理-精加工。
3 拉桿熱擠壓工藝設(shè)計
3.1 模具結(jié)構(gòu)及工作過程
熱擠壓工藝設(shè)計是熱擠壓模具設(shè)計的第一步，直接影響到制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命、生產(chǎn)成本等。根據(jù)擠壓件形狀，凸模設(shè)計為空心狀，采用二層組合凹模結(jié)構(gòu)。復(fù)合熱擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖3所示，擠壓時.先將坯料放人凹模型腔內(nèi).隨著凸模 4的下行 ，坯料在組合式凹模 內(nèi)正擠成形，同時桿部反擠成形，隨著擠壓變形力逐漸增大，當(dāng)金屬正向流動到頂件器時，頭部成形結(jié)束，此時金屬反向繼續(xù)流動。當(dāng)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(nèi)形與頂件器口之間應(yīng)留有一定的斜度，以保證工件與頂件器不發(fā)生抱死現(xiàn)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(jù)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(nèi)外各留2mm 的單邊加工余量。根據(jù)原材料供貨情況，決定在生產(chǎn)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(jìn)行驗證，許用變形程度用斷面收縮率 ε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(fù)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(yù)先成形，金屬流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處桿部反擠;凸模繼續(xù)下行，當(dāng)桿部成形結(jié)束時，擠壓力達(dá)到最大，其復(fù)合擠壓力為 P復(fù)=P反。
4 模具結(jié)構(gòu)特點及工作過程中應(yīng)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(shè)計為二層組合結(jié)構(gòu)。實際生產(chǎn)證明，該模具結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，截面積小，單位擠壓力高，又長時間工作在高溫狀態(tài)，易變形，因此，應(yīng)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(yù)緊結(jié)構(gòu)，凹模材料選5CrNiMo，熱處理硬度44-84 HRC。凹模預(yù)緊圈要求不高，材料選40Cr就可以了，熱處理硬度24-46HRC。
設(shè)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(yīng)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(yīng)注意模具的預(yù)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(fù)合擠壓工藝生產(chǎn)高壓開關(guān)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(shè)備能力，一次成形頂出，模具結(jié)構(gòu)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(chǎn)效率大大提高，同時對于在小設(shè)備上生產(chǎn)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。
高壓開關(guān)產(chǎn)品零件品種多、改型頻繁，拉桿是 LW8-35SF6型戶外斷路器中的關(guān)鍵零件，要求具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的力學(xué)性能，以降低能耗和提高產(chǎn)品的可靠性鋁合金材料不僅導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、力學(xué)性能優(yōu)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(dǎo)體、觸頭座等，一般采用鋁合金擠壓棒 (管)經(jīng)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(tài)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(guān)類零部件的首選材料。
拉桿的擠壓件如圖1所示，傳統(tǒng)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(yán)重、效率低。新工藝采用桿部反擠頭部正擠的復(fù)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(chǎn)品的導(dǎo)電率、硬度及強度等完全達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
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(tài)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(chǎn)過程中，將圓柱形毛坯表面涂上水劑石墨，然后感應(yīng)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(yù)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(jìn)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(jìn)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(wěn)彎曲.若間接頂出模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難加。
采用一次復(fù)合擠壓成形工藝，即桿部反擠頭部正擠的復(fù)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(chǎn)生的摩擦力，從而降低了擠壓力。該方案模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(shè)計為中空結(jié)構(gòu)，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(chǎn)過程是 :下料-加熱-擠壓-熱處理-精加工。
3 拉桿熱擠壓工藝設(shè)計
3.1 模具結(jié)構(gòu)及工作過程
熱擠壓工藝設(shè)計是熱擠壓模具設(shè)計的第一步，直接影響到制件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命、生產(chǎn)成本等。根據(jù)擠壓件形狀，凸模設(shè)計為空心狀，采用二層組合凹模結(jié)構(gòu)。復(fù)合熱擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖3所示，擠壓時.先將坯料放人凹模型腔內(nèi).隨著凸模 4的下行 ，坯料在組合式凹模 內(nèi)正擠成形，同時桿部反擠成形，隨著擠壓變形力逐漸增大，當(dāng)金屬正向流動到頂件器時，頭部成形結(jié)束，此時金屬反向繼續(xù)流動。當(dāng)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(nèi)形與頂件器口之間應(yīng)留有一定的斜度，以保證工件與頂件器不發(fā)生抱死現(xiàn)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(jù)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(nèi)外各留2mm 的單邊加工余量。根據(jù)原材料供貨情況，決定在生產(chǎn)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(jìn)行驗證，許用變形程度用斷面收縮率 ε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(fù)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(yù)先成形，金屬流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處桿部反擠;凸模繼續(xù)下行，當(dāng)桿部成形結(jié)束時，擠壓力達(dá)到最大，其復(fù)合擠壓力為 P復(fù)=P反。
4 模具結(jié)構(gòu)特點及工作過程中應(yīng)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(shè)計為二層組合結(jié)構(gòu)。實際生產(chǎn)證明，該模具結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，截面積小，單位擠壓力高，又長時間工作在高溫狀態(tài)，易變形，因此，應(yīng)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(yù)緊結(jié)構(gòu)，凹模材料選5CrNiMo，熱處理硬度44-84 HRC。凹模預(yù)緊圈要求不高，材料選40Cr就可以了，熱處理硬度24-46HRC。
設(shè)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(yīng)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(yīng)注意模具的預(yù)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(fù)合擠壓工藝生產(chǎn)高壓開關(guān)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(shè)備能力，一次成形頂出，模具結(jié)構(gòu)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(chǎn)效率大大提高，同時對于在小設(shè)備上生產(chǎn)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。
