變壓器高壓導電桿毛坯精密成形工藝及模具設計

文/司貞員，趙亞中，胡占樓·河南森源電氣股份有限公司劉汀，張麗萍·河南科技大學

變壓器高壓導電桿毛坯精密成形工藝及模具設計

文/司貞員，趙亞中，胡占樓·河南森源電氣股份有限公司劉汀，張麗萍·河南科技大學

司貞員，工程師，1999年畢業于鄭州工學院機械電子專業，同年進入河南森源電氣有限公司工作，主要從事電器產品的工藝設計和產品研發工作。

變壓器高壓導電桿是用于變壓器線圈引出線與外部高壓線連接的一個重要零部件，材料是T2銅，要求表面硬度不低于80HBS。采用傳統機械加工方法不僅費時、費料，而且還不能保證其硬度指標。本設計采用“四道變形工序”的冷擠壓精密成形工藝，解決了其成形和表面硬度問題。同時運用DEFORM軟件對成形過程進行有限元模擬分析，確定優化了工藝方案和模具參數，制定了高效率、低消耗的工藝流程。

前言

變壓器高壓導電桿是用于變壓器線圈引出線與外部高壓線連接的一個零件，如圖1所示，材料為T2銅。該零件屬于階梯軸類零件，它的特征是具有雙向臺階，形狀細長并且含有兩軸對稱凸臺，具體尺寸如圖2所示。從零件的外形來看可以用機械加工、擠壓等方法進行加工生產。但是因為其表面硬度要求較高，采用機械加工根本達不到，也不是熱擠壓和溫擠壓可以實現的，只能通過冷擠壓產生的加工硬化效果來達到，因此采用冷擠壓加工是最合適的方案。

工藝分析

制定冷擠壓件圖

圖1 變壓器高壓導電桿設計圖

圖2 變壓器高壓導電桿零件圖

圖3 變壓器高壓導電桿擠壓件圖

考慮到冷擠壓的特點，該零件的形狀需要作出以下修改：零件上的孔以及螺紋都采用機械加工去完成，需要留適當的加工余量，調整后的冷擠壓件圖如圖3所示。

工藝方案的制定

從該零件的外形來看可以采用圓棒料毛坯進行冷擠壓成形，由于其最大直徑為φ34mm，最小直徑為φ12.5mm，中間直徑分別為φ17.5mm和φ20mm。選擇毛坯直徑時若取最大直徑則與最小直徑差距太大，會使變形程度加大，不利于冷擠壓成形。另外若采用正擠壓，坯料長徑比不能過大，過大會加大摩擦阻力，增大擠壓力，所以也不能取太小的直徑。所取毛坯直徑應使各工序變形程度較小且不能超出材料的許用變形程度。經計算，取毛坯直徑為中間直徑φ28mm較為適宜。

該零件可采用兩道工序進行擠壓成形，1序用正擠壓和反擠壓同時進行的復合擠壓方式擠壓出φ12.5mm的小軸端和φ17.5mm的長軸端；2序用正擠壓和鐓擠壓同時進行的復合擠壓方式擠壓出異形凸臺和φ34mm最大臺階軸。在擠壓前和工序間采用硬脂酸鋅作為潤滑劑。

根據經驗判斷，該方案是能夠完成零件的成形工藝的。但該方案成形力會比較大，工序1大小端直徑和長度差別較大，會導致小軸端成形不充分，工序2中最難成形的部位即兩異形凸臺處的成形缺陷會比較大，所以該方案需要重新調整。

工藝方案的優化

考慮到采用兩道工序時擠壓力較大，且小軸端和異形凸臺部分成形效果不佳，且該零件需要在常溫下進行擠壓，為了減小擠壓力和更好的成形，可以將兩道工序增加為4道工序 ，即：正擠直徑φ12.5mm的短軸端→正擠直徑φ17.5mm的長軸端→復合擠壓異形凸臺→復合擠壓直徑φ34mm的最大臺階軸。各工序的模擬結果如圖4所示。

圖4 各工序模擬

工序1和2正擠壓時，為了減小擠壓力可以在凹模中設置工作帶，這樣可以減少摩擦接觸面積，提高模具壽命。工序3和工序4均為正擠壓和鐓擠同時進行的復合擠壓成形，由于坯料鐓擠的阻力要小于正擠壓的阻力，坯料在鐓擠方向會先填滿模腔，為了減慢鐓擠填充的速度，在鐓擠方向的模腔底面設置阻尼溝，正擠凸臺完成后，坯料在鐓擠方向還未貼住模腔，這樣可以降低擠壓力。

從模擬結果中可以得出，工序1擠壓力約為800kN，工序2擠壓力約為600kN，工序3擠壓力約為600kN，工序4擠壓力約為1000kN。工序1和工序2壓力行程曲線大致呈線性，擠壓力比較小，變化均勻，等效應力較小；工序3和工序4擠壓力初始時較小為線性變化，而后顯著增大后急劇上升，說明擠壓到一定程度后難以繼續變形，但總體等效應力不大。從模擬結果來看，各工序的成形效果較好，擠壓力大小適當，所以該零件采用四道變形工序的冷擠壓精密成形方案可行。

模具設計

工序1模具設計

工序1正擠壓模總裝圖如圖5所示，上下模通過導柱導套導向，保證了良好的導向精度，凸模12和上墊板8通過凸模固定圈11、法蘭盤10以及旋合螺母13連接到上模板，旋合螺母通過螺紋連接到法蘭盤上，凸模固定圈固定在旋合螺母和法蘭盤之間，這樣設計固定可靠，裝卸方便，可以提高生產率。

由于凹模模腔較深不便加工，所以采用組合式凹模，將凹模分為上凹模14和下凹模16兩部分，并且一同壓入到凹模預應力圈4中，然后將預應力圈同固定圈19連接緊固在下模板上，這種凹模結構不但增加強度、便于加工且易于模芯更換，保證了模具合模精度，提高換模速度。

圖5 工序1正擠壓模總裝圖

工序2模具設計

工序2正擠壓模總裝圖如圖6所示，上模部分只需更換凸模和凸模固定圈，其余部分通用。凸模為便于加工和減小內部與擠壓件頭部的應力集中，設計成凸模芯棒14和外凸模17組合的凸模形式。由于該工序需要容納長軸端，凹模為便于加工，分為上凹模16、中凹模19和下凹模22三部分，上凹模和中凹模壓入預應力圈5，為減小對下凹模的沖擊，在中凹模和下凹模之間加一墊板。

工序3模具設計

工序3復合擠壓模總裝圖如圖7所示，上模部分同樣只需更換凸模和凸模固定圈。上半部分凹模腔較淺，只需將凹模分為上凹模8和下凹模22。

圖6 工序2正擠壓模

圖7 工序3鐓擠壓模

圖8 工序4鐓擠壓模

工序4模具設計

工序4復合擠壓模總裝圖如圖8所示，其大體設計同工序3。

結論

⑴采用四道變形工序的冷擠壓精密成形的工藝方法成形變壓器高壓導電桿產品，工藝合理可靠，產品性能好，質量高。

⑵基于DEFORM-3D的有限元模擬可以直觀地分析坯料的變形和模具的受力情況，是優化成形工藝及模具設計的強有力工具。