专利名称：纯铜高精度半空心型材的制造方法
技术领域：
本发明涉及纯铜高精度半空心型材的制造方法，特别是以单动挤压工艺、带芯棒拉伸工艺生产纯铜高精度电工用半空心型材的制造方法，属于金属加工、制造技术领域。
由于上述纯铜的这些独特性质，纯铜型材、特别是纯铜半空心型材成为近年来电气行业广泛使用、推广的一种新型电工材料。由于纯铜半空心型材独特的结构，无论在电气性能，散热效果，刚度及方便使用等方面都大大优于传统的矩形母线，在欧美发达工业国家已开始取代矩形母线，如用于大功率高精度高可靠性电柜的C型汇流母线(见图1)、用于大型水轮发电机接线端的叉形铜材(见图2)、及用于安全滑触导线的H形滑触导线(见图3)。我国目前仅外资、合资企业开始引用，纯铜半空心型材以进口为主。
半空心型材是金属塑性加工行业对一类以较小开口包围较大空心截面的管状型材的统称。
目前可以采用下列方法制备半空心型材对一些壁厚较薄且相等的半空心型材，可以平板滚轧或折边成型；对另一些高温焊合性良好、且固溶强化的轻金属或铜合金也可以带焊合室的组合模在挤压机上成型。
但对于本发明涉及的电工用纯铜半空心型材来说，因其壁厚较厚，甚至壁厚不等，而纯铜高温强度较高(σb850℃≥2Nf/mm)，且焊合不良，故无法采用上述方法生产。
目前已知的生产纯铜半空心型材的方法有(一)以高精度厚壁铜管为母材，经金切加工获得成品；但该方法只能生产较短的、等壁厚的型材，且公差较大，无法生产异壁的或长条的型材。
(二)在双动挤压机上用固定针生产坯料，再经冷拉伸获得成品。目前极大多数双动挤压机采用随动针工艺生产铜管，即芯棒(针)穿孔后，在挤压时随挤压轴与铸锭一起运动，对针的强度要求不高。而固定针挤压是芯棒(针)穿孔后，在挤压时，芯棒(针)固定在一定的位置上、与铸锭有相对运动的一种特殊生产工艺；这种工艺对设备精度与芯棒(针)的强度要求很高，仅极少生产厂家能够掌握使用。以上这两种方法的特点是生产费用高、效率低，且由于穿孔针的浮动使产品精度难以得到保证，成材率低。如C型母线的成材率一般仅50％左右，使得产品价格十分昂贵。所以尽管纯铜半空心型材有诸多优良性能，作为一种理想的电工材料受到设计人员的青睐，但仅用于一些重要场合，而未能被广泛使用。
发明内容
为了克服上述生产纯铜半空心型材方法生产费用高、效率低、产品精度难以得到保证、成材率低的缺点，本发明提供了一种改进的纯铜半空心型材的制造方法，特别是纯铜高精度电工用半空心型材的制造方法。按照本发明提供的方法，通过改变模具结构解决了目前存在的生产工艺难题，使电工用纯铜半空心型材的制备能象普通实心型材那样的便于挤压，象管材那样的便于拉伸，且精度又大大高于管材。
本发明提供的纯铜高精度电工用半空心型材的制造方法，包括热挤压工序、带芯棒冷拉伸工序和调直、整形后续工序，有效利用纯铜固有的良好冷热塑性加工性能、及其制品要以一定的冷加工率来达到设定的使用强度的特性，充分发挥其加工过程的塑变范围，同时也解决了模具的强度问题。
现以典型的半空心型材—C型汇流母线(以下简称C型材)为例，其制造方法说明如下1、制备增大开口的V型坯料的热挤压工序本发明改变挤压模常规使用的相似形设计方法，采用拉开模具开口(即增大舌根截面)，使模具的型腔断面由C型变形成V型。从而保证了模具的使用强度；同时增设舌型模托，进一步有效控制模具工作时的弹性变形，并据此确定模具舌头部位的裕量。以硬模挤压工艺即可获得尺寸稳定的坯料。
2、带芯棒冷拉伸工序V型坯料变形成C型半空心型材的冷拉伸，采用有定位槽、带芯棒的卷口冷拉组合模。由于拉杆的强度远高于固定模舌根连接部位的抗弯能力，避免了舌形芯模的失稳断裂；定位槽可保证制品开口的位置公差，其与芯模上键的配合公差，又可避免因挤制品公差引起的拉伸变形不均所带来的问题；冷拉组合模的卷口设计可使坯料顺滑地进入模腔，保证变形均匀。冷拉组合模设计的另一特征在于使制品能像普通管材那样方便地衬芯拉伸，而不必考虑异型材穿模拉伸头制作的困难，以及因模具强度而受道次加工率的限制。
为了矫正冷拉伸后半空心型材可能产生的弯曲，宜使用可调模座的拉伸机拉伸，实现在线调直。
3、校直、整形后续工序冷拉伸后半空心型材制品的轻微弯曲，可在液压校直机校直，和配以凸轮式手扳扩槽器，进行整形。这样可方便地达到产品要求的尺寸精度。
本发明提供的方法采用与现行工艺不同的创新构思，以简捷的方法解决了纯铜高精度电工用半空心型材的生产难题，提供了一套完整而简单的生产工艺，大大降低了产品对设备的要求。本发明的方法设计构思新颖、方法实用，一般管棒型铜加工企业完全可利用现有装备用本方法生产纯铜半空心型材。在大幅度降低产品生产成本的同时，获得高质量的产品。这对综合性能优良的纯铜半空心型材的推广使用具有积极意义和极大的社会效益，具有显著的实用性。
使用本发明方法生产的纯铜高精度电工用半空心型材，尺寸精度高而稳定，由一般熟练工在普通挤压机即可生产出精度高于高级复动挤压机以固定针工艺生产的制品。由铸锭到成品的综合成材率可达72％以上，高于此类制品目前一般成材率50％的水平，并可获得强度大σb≥300N/mm2纯铜半空心型材。
下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明，但并非限制本发明方法的使用范围。
图1是C型材截面图；图2是叉形铜材截面图；图3是H形滑触导线截面图；图4是V型热挤压模(型腔部分)及其A-A剖面图；图5是舌型模托(型腔部分)及其B-B剖面图；图6是冷拉组合模及其C-C剖面图；图7是带芯棒冷拉伸工艺示意图；图8是液压校直机工作示意图；图9是凸轮式手扳扩槽器工作示意图。
图1中，(1)是C型材的开口(相当于模具舌根)、(2)C型材的内腔(相当于模具的舌)、(3)是C型材的截面(相当于模具型腔)。
图4中，(32)是V型热挤压模、(4)是V型热挤压模型腔、(5)是定位销孔、(6)是舌根、(7)是舌、舌到舌根(6)所围的面积为A、(8)是出口锥、(9)是定径带、(10)是舌根宽度的断面，其面积为W；图5中，(33)是舌型模托、(11)是舌型模托型腔。
图6中，(12)是芯模、(13)是模口卷口、(14)是外模、(15)是定位槽、(16)是键(虚线部分)。
图7中，(17)是拉杆、(18)是拉伸头、(19)是夹钳、(20)是坯料、(21)是成品。
图8中，(22)是液压缸、(23)是顶头、(24)是待校直工件、(25)是垫块、(26)是直尺。
图9中，(27)是待整形工件、(28)是开口槽、(29)是凸轮、(30)是扳手、(31)是护板。
C型材的较小开口(1)相当于模具舌根，C型材截面(3)相当于模具型腔，C型材内腔(2)相当于模具的舌。作为导电和支承材料，要求C型材的导电率≥96.5％IACS(即56m/Ωmm2)，强度σb≥250N/mm2，弯曲度≤1.5/1000，壁厚公差≤2.5％。由此可见，当模具工作时，较小的舌根无法承受大面积舌所形成的弯矩而变形，是造成挤压或拉伸失败的主要原因。据此，本工艺在热挤压工序，采用符合电工用纯铜质量标准的铸锭，加热至850℃左右，在带水封出口的挤压机(单动、双动均可)上，用V型热挤压模(32)(见图4)以常规的型材挤压工艺生产。由于拉开了开口距离，使模具的型腔由C型变成了V型，在舌(7)面积A略有增加的情况下，大幅度增加了舌根宽度的断面(10)的面积W，这样就大大增加了模具的抗弯能力。经实测与本案相似截面的纯铜半空心型材在850℃左右挤压，当3Cr2W8V或Y4类的热作模具钢挤压模厚度为45mm时，其由模具的舌到舌根(6)所围的面积A与舌根宽度的断面(10)的面积w之比值小于1.4，便可顺利实现挤压。
V型热挤压模(32)通过定位销孔(5)与舌型模托(33)定位，连成一体。
出口锥(8)用于减少挤压阻力，保护挤压制品不受划伤。
定径带(9)用于确定挤压制品的尺寸，其宽度一般为10mm左右。
增设舌型模托(33)(又称底模)，则可进一步减小热挤压模工作时的产生的弹性变形，使挤压坯料尺寸保持稳定。也就是在热挤压中，应根据模具材料的许用强度，设法将半空心型材的模具型腔断面设计成使用强度小于许用强度的常规型材型腔模具。这样不但简化了模具的制作，也降低了对挤压的操作要求，避免了用固定针挤压时对设备同心度的高要求。采用整体平模(又称硬模)，使操作工人能方便地根据压余带留型材的尺寸，及时修正模具，有效控制挤压制品的尺寸公差。同时由于水封的急冷隔氧作用，可获得表面光洁、具有细小等轴晶粒组织，冷塑性良好的坯料。
纯铜在热加工后，呈退火状态，强度很低，只能靠冷塑加工提高强度。对C型材≥250N/mm2的强度要求。则需要20％左右的冷加工率，而冷拉组合模(见图6)的型腔尺寸就是产品的截面尺寸。对C型材而言不可能再以相似的方式将模具根部拉开。因此由拉伸变形产生的压力，仍将在拉模的舌部产生很大的弯矩，足以破坏细小的舌根断面；同时V型挤压制品也不能穿过C型模腔。
本发明的方法以带拉杆(17)的芯模(12)取代拉模中的舌，而拉杆(17)的抗拉强度远远高于较小舌根的抗弯能力，且拉杆(17)纵向定位也很稳定，因此也不必考虑芯头固定强度对产品道次加工率的限制。舌根也由此演变为芯模上的键(16)，与键(16)配合的定位槽(15)又可保证开口位置的偏差，而其配合公差则可减小挤压坯料公差对拉伸的不利影响。模口的卷口设计(13)增加了坯料进入模腔的变形范围，使V型坯料在无加工率变形，很少增加强度的情况下，能够顺利进入C型变形成形模腔(见图7)。
由于采用了芯模(12)与外模(14)分离的组合结构，拉伸头(18)只要锻成小于外模孔径，即可穿过模孔，芯模也能象拉管一样方便地进入C型材内(见图7)，而不必很困难地以铣削等方式制作异型材的拉伸引头。
夹钳(19)夹住拉伸头(18)，把坯料(20)拔出冷拉组合模，得到成品(21)。
通过冷拉组合模得到的半空心型材纵向有很好的刚度，截面因开口造成保持力较差。故冷拉伸后如有较大的弯曲，难以通过后续工序矫正。故应采用在线调直，宜使用可调模座的拉伸机拉伸，随时对半空心型材较大的弯曲进行调直。
冷拉组合模由于形状复杂，工作强度大而不均，其材料宜采用高合金冷作模具钢制作。
对半空心型材的轻微弯曲，可在液压校直机校直(见图8)。将待校直工件(24)通过垫块(25)放置于直尺(26)上，用液压缸(22)驱动顶头(23)对半空心型材进行校直。
如果需要，可以用凸轮式手扳扩槽器对半空心型材进行整形(见图9)。将带有扳手(30)的凸轮(29)放入待整形工件(27)的开口槽(28)中，扳动扳手(30)使凸轮(29)转动，调整开口槽(28)的大小使达到产品要求的尺寸精度。护板(31)的作用是保护待整形工件(27)。
一种纯铜高精度半空心型材的制造方法，包括下列工序1、制备增大开口的V型坯料的热挤压工序将符合电工用纯铜质量标准的铸锭加热至850℃左右，在带水封出口的挤压机(单动、双动均可)上，用V型热挤压模(32)以常规的型材挤压工艺生产。V型热挤压模(32)的型腔为V型，其开口大于C型材要求的开口。其由模具的舌到舌根(6)所围的面积A与舌根宽度的断面(10)的面积W之比值小于1.4。
V型热挤压模(32)通过定位销孔(5)与舌型模托(33)定位，连成一体。
出口锥(8)用于减少挤压阻力，保护挤压制品不受划伤。
定径带(9)用于确定挤压制品的尺寸，其宽度一般为10mm左右。
V型热挤压模(32)设有舌型模托(33)，舌型模托(33)可以进一步有效控制模具工作时的弹性变形，舌型模托(33)的厚度约为65mm。以硬模挤压工艺即可获得尺寸稳定的V型坯料。
2、带芯棒冷拉伸工序V型坯料变形成C型半空心型材的冷拉伸，采用有定位槽带芯棒的卷口冷拉组合模。冷拉组合模采用芯模(12)与外模(14)分离的组合结构，模口有模口卷口(13)，可使坯料顺滑地进入模腔，保证变形均匀。
芯模(12)带拉杆(17)，取代拉模中的舌，芯模(12)放入C型材内；芯模上的键(16)通过定位槽(15)定位于外模(14)。
将拉伸头(18)锻成小于外模孔径，穿过模孔；夹钳(19)夹住拉伸头(18)，把坯料(20)拔出冷拉组合模，得到成品(21)。
3、校直、整形后续工序对半空心型材的轻微弯曲，可在液压校直机校直(见图8)。将待校直工件(24)通过垫块(25)放置于直尺(26)上，用液压缸(22)驱动顶头(23)对半空心型材进行校直。
如果需要，可以用凸轮式手扳扩槽器对半空心型材进行整形(见图9)。将带有扳手(30)的凸轮(29)放入待整形工件(27)的开口槽(28)中，扳动扳手(30)使凸轮(29)转动，调整开口槽(28)的大小使达到产品要求的尺寸精度。
实施例2、如实施例1的一种纯铜高精度半空心型材的制造方法，但使用可调模座的拉伸机拉伸，随时对半空心型材较大的弯曲进行调直。
实施例3、如实施例1、2的一种纯铜高精度半空心型材的制造方法，但冷拉组合模采用高合金冷作模具钢制作。
实施例4、如实施例1、2、3的一种纯铜高精度半空心型材的制造方法，纯铜导电率≥96.5％IACS(即56m/Ωmm2)，强度σb≥250N/mm2，弯曲度≤1.5/1000，壁厚公差≤2.5％。
权利要求
1.纯铜高精度半空心型材的制造方法，包括热挤压、冷拉伸工序，其特征在于热挤压工序是在带水封出口的挤压机(单动、双动均可)上，使用V型热挤压模(32)进行；V型热挤压模(32)的型腔为V型，其开口大于C型材要求的开口；由模具的舌到舌根(6)所围的面积A与舌根宽度的断面(10)的面积W之比值小于1.4；V型热挤压模(32)设有舌型模托(33)，V型热挤压模(32)通过定位销孔(5)与舌型模托(33)定位，连成一体；将铸锭加热后，以常规的硬模挤压工艺制得V型坯料；冷拉伸工序采用有定位槽带芯棒的卷口冷拉组合模进行；冷拉组合模采用芯模(12)与外模(14)分离的组合结构，模口有模口卷口(13)；芯模(12)带拉杆(17)，芯模(12)放入C型材内；芯模上的键(16)通过定位槽(15)定位于外模(14)；将V型坯料的拉伸头(18)锻成小于外模孔径，穿过模孔；夹钳(19)夹住拉伸头(18)，把坯料(20)拔出冷拉组合模，得到成品(21)。
2.根据权利要求1所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于该方法还包括将所述的成品(21)在液压校直机校直和用凸轮式手扳扩槽器进行整形；成品(21)在液压校直机校直时，是将待校直工件(24)通过垫块(25)放置于直尺(26)上，用液压缸(22)驱动顶头(23)校直；用凸轮式手扳扩槽器进行整形时，是将带有扳手(30)的凸轮(29)放入待整形工件(27)的开口槽(28)中，扳动扳手(30)使凸轮(29)转动，调整开口槽(28)的大小。
3.根据权利要求1、2所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于冷拉伸工序使用可调模座的拉伸机。
4.根据权利要求1、2所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于冷拉组合模采用高合金冷作模具钢制作。
5.根据权利要求3所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于冷拉组合模采用高合金冷作模具钢制作。
6.根据权利要求4所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于纯铜导电率≥96.5％IACS(即56m/Ωmm2)，强度σb≥250N/mm2，弯曲度≤1.5/1000，壁厚公差≤2.5％。
7.根据权利要求5所述的纯铜高精度半空心型材的制造方法，其特征在于纯铜导电率96.5％IACS(即56m/Ωmm2)，强度σb≥250N/mm2，弯曲度≤1.5/1000，壁厚公差≤2.5％。
全文摘要
一种纯铜高精度半空心型材的制造方法，包括在850℃左右，用V型热挤压模(32)挤压生产V型坯料，并用有定位槽带芯棒的卷口冷拉组合模冷拉得到半空心型材。V型热挤压模(32)的开口大于C型材要求的开口，组合模采用芯模(12)与外模(14)分离的组合结构，模口有模口卷口(13)，可使坯料顺滑地进入模腔，保证变形均匀。将拉伸头(18)锻成小于外模孔径，穿过模孔；夹钳(19)夹住拉伸头(18)，把坯料(20)拔出冷拉组合模，得到成品(21)。如果需要，可以进行校直、整形。使用本发明方法生产的型材，尺寸精度高而稳定，强度大，成材率高。
文档编号B21C1/00GK1473671SQ0312936
公开日2004年2月11日 申请日期2003年6月18日 优先权日2003年6月18日
发明者董云伟 申请人:董云伟