异形铜端子锻挤复合工艺探究

文／陈志强·厦门市克成五金制品有限公司

铜端子是普遍应用于电力控制柜上的导电接触件，材质通常为紫铜(或叫红铜)。传统工艺多为挤压铜型材+机加工制造，工艺缺点是小批量时铜型材的成本较高，而且机加工的工艺方式材料利用率较低、加工效率低、加工设备成本高。在此种背景之下，笔者尝试了一种区别于传统冷锻工艺的多工序锻挤复合工艺，在此与大家分享。

产品特征分析

铜端子产品(图1)材质为T2 紫铜，硬度为80 ～100HRA。上半部分为扁平状结构，并且顶部有齿形，齿形侧面单边倒C 角；下半部分为圆柱结构，圆柱侧面单边有异形凹槽，圆柱底面有7 个螺纹孔；上半部分与下半部分过渡处有R 角，单面有加强筋。这些特征都可以考虑用锻压模具来完成，只有扁平部位上2 个侧孔需要单独冲孔或机加工钻孔来实现。

图1 铜端子产品3D 模型

锻挤复合工艺分析

传统的冷锻工艺是用预制铜坯料来镦粗成形圆柱部分，需要多次镦粗成形，但是扁平部位的尺寸精度不高，齿形难以用模具成形出来。在此与大家探讨的锻挤复合成形工艺方案如图2 所示。

图2 锻挤复合工艺2D 简图

图3 锻挤复合工艺3D 工序图

锻挤复合工艺3D 工序图见图3。从原材料考虑，铜棒材料成本最低，下料最简单，坯料最容易获得，故选用棒材锯切下料得到圆柱体坯料。锻挤复合工艺工序流程如下。

第一序：锯切下料圆柱料坯，如图3(a)所示。

第二序：考虑到用锻挤复合工艺得到扁平舌部特征，但是舌部顶端有三个缺口，如果在挤压末端再成形缺口特征则很难实现，因为材料流动受阻，流动方向要变化。所以应该在材料流动的初始阶段就成形出缺口特征，舌片与圆柱的加强筋特征可以一起成形出来，如图3(b)所示。

第三序：反挤压得到扁平舌部特征，其高度尺寸通过模具行程来控制，精度能保证在0.5mm 以内。因为顶部缺口特征在上一工序已经成形出来，本工序只是挤压让材料垂直流动，所以顶部特征不会受影响，实际试验证明亦是如此，如图3(c)所示。

第四序：挤压圆柱侧面的缺口特征，这个比较简单，模具做好防呆定位和脱料即可，如图3(d)所示。

第五序：挤压底面7 个螺纹底孔特征。这个没有多少难度，但要考虑分布在圆柱边上的四个孔因为靠边太近，受侧向力不均衡造成的孔位偏差问题，需要在模具上做防护装置及冲头补强，防止冲头受侧向力过大而偏移折断，如图3(e)所示。

锻挤复合工艺技术要点

此锻挤复合工艺在工艺设计和模具制造过程中需要注意几个技术细节。

⑴紫铜件采用冷锻工艺，料坯硬度很关键，材料硬度对模具强度和寿命影响较大。为节省材料，料坯采用棒材锯切下料。而棒材的正常硬度在80 ～100HV 之间，所以为使模具稳定生产，料坯退火是非常必要的工序，将材料硬度降到50 ～60HV，锻压成形就容易多了。

⑵根据产品的结构特征，一次锻挤复合成形出齿形特征和加强筋特征，其中，上模腔结构采用反挤压模具结构，减小摩擦阻力，利于材料流动；下模腔采用锻压模腔工艺，模芯采用锥度过盈配合，冷压镶套，保证模腔有足够的强度。此种模具工艺能保证产品在开模时留在下模腔中，用机台顶料缸通过顶料块顶出，容易实现自动化生产。

⑶在工艺设计时，要考虑每道工序的产品定位问题，因为加强筋特征和圆柱侧面的异形缺口特征都是不对称的，所以模具上要设置防呆措施，以免产品放错。

⑷因为是多道工序成形，而每道工序锻压后产品的圆柱部位尺寸都会变化，所以在工艺设计和模具制造的时候要充分考量产品的取放和定位问题，后道工序模腔尺寸设计时要预留前道工序的变形余量，以便产品顺利放进模腔定位和取出。

⑸为得到较好的产品表面质量，与产品接触部分的模具表面粗糙度很重要，这就要从模材选用、热处理硬度、模腔结构、加工方式及抛光精度等几个方面整体控制；原则是在材料需要流动的地方，尽可能的减小材料与模具的摩擦力，从而降低模具受力，提高模具寿命和产品质量。

⑹冷锻工艺还有一个重要的环节就是润滑，润滑效果会直接影响产品质量和模具寿命，生产中选用合适的润滑方式至关重要，既要考虑润滑效果的可靠性、使用方便性，也要考虑生产成本的经济性。对于铜、铝等有色金属的冷锻，个人建议使用高温润滑油，其液体的状态使用和清洁比较方便，冷锻时产品和模具升温后其润滑性能依然稳定。

试验工序

在考虑全面注意事项后，进行生产试制，得到的产品满足要求，试制过程见图4，试模过程见图5，最终实物见图6。

锻挤复合工艺分析

锻挤复合工艺优势

⑴提高材料利用率，降低生产成本。

就此铜端子产品来说，采用冷锻冷挤复合工艺，相较于用铜型材+机加工的工艺，其材料利用率提高了20%。虽然生产工序增多了，但都是通过模具来实现的，相较于机加工的效率提高了不少，设备成本也有所下降，总体算下来，生产成本还是有一定优势。

⑵尺寸精度好，外观品质好。

图4 试制过程

图5 试模过程

图6 试制得到的实际产品

冷锻产品的精度可以达到图纸的尺寸要求，只需要很少的机加工辅助即可做成成品，表面质量亦能直接满足要求，而不像热锻一样会有氧化皮，外观面需要机加工才能达到要求。冷锻产品的外表面只需做去油清洗即可彻底清洁干净，生产容易实现。

冷锻冷挤复合工艺缺陷

⑴模具工艺及技术要求较高。

相对于普通的冲压模具或一般挤压模具，冷锻冷挤复合模具的工艺技术难度会大一些，模具强度和加工工艺也要求更高。按产品的不同材质，不同的工艺选用合适的模具材料，模具结构设计和加工工艺及加工精度等综合要求整体较高，需要模具技术人员有丰富的经验知识。

⑵生产需要一定的技术和经验。

相对于普通冲压生产，冷锻冷挤复合生产的技术难度会稍大一点，要求作业人员有一定的经验。作业人员必须要了解工艺特性，掌握安全的作业方法，懂得一般的故障排除和品质判断，并对模具要有基本了解。因为冷锻模具受力较大，存在一定的爆模或开裂的风险，设备和模具上要有安全防护措施，作业人员必须了解并掌握使用方法，按规范要求操作。

结束语

冷锻工艺虽然在我国古代很早就已经应用了，但是一直没有多少进步；到了近代，由于工业的落后，我国的冷锻技术比西方和日本等国家发展的晚且很缓慢；直到进入21 世纪后，伴随着我国工业化的高速发展，冷锻技术也有了快速的进步，正在加速追赶世界先进水平。近些年来，我国汽车工业的蓬勃发展也为冷锻技术的发展带来新的活力和动力。各种3D成形软件和塑性成形分析软件的应用为冷锻技术开创了新的道路，科技的力量正在促使着冷锻技术发生重大改变。各种新型检测方法的应用，新型模具材料、润滑介质的研发，机电新技术在冷锻设备上的使用等，各种工业技术的发展都在促使着冷锻技术的进步。反过来，冷锻也是工业制造技术的一种，是工业发展的基础，冷锻技术的发展也在促进着工业技术的进步。