一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及方法与流程

1.本发明涉及高性能铜及铜合金材料加工技术领域，具体的涉及一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及方法。


背景技术：

2.铜及铜合金线材是一种与人们日常生活密切相关的导体材料。特别是近年来，随着我国新能源汽车、高速铁路、电子通讯产品等高新技术领域的快速发展，对铜及铜合金线材的需求量也在不断的增加。与此同时，随着设备轻量化、小型化的发展趋势，以及节约铜资源的需要，要求铜及铜合金线材的线径变得越来越小，且对线材的综合性能提出了更高的要求。然而，在铜线拉拔成形过程中面临的一个问题是：随着铜线材直径的不断减小，铜线材的延伸率会急剧恶化，容易使铜线材在加工和使用过程中发生断裂。
3.针对这个问题，研发人员常采用以下两种方法以改善铜线材的延伸率：一是在铜及铜合金中添加微合金化元素的方法，以改善铜线材的延伸率。然而，这些微合金化元素会固溶于铜基体中，导致基体晶格发生畸变，增加电子的散射几率，降低铜线材的电导率；二是在铜线拉拔成形过程中增加中间退火热处理工序，以改善线材的延伸率。然而，中间退火热处理会显著降低铜线材的强度，且会增加铜线材的加工工序，降低生产效率。因此，如何在保证铜线材具有较高强度和电导率性能的前提下改善铜及铜合金线材的延伸率，成为当前的一个研究热点。


技术实现要素：

4.针对现有铜线材加工技术所存在的问题，本发明提供一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及其使用方法，目的是通过拉拔弯曲成形方法制备综合性能优异的铜线材，改善铜线材的加工性能，进一步促进铜线材的应用。为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：
5.本发明一方面涉及一种制备铜合金线材的拉拔弯曲成形装置，包括底座(1)，其特征在于，所述底座(1)上固定安装有外壳(2)，所述外壳(2)下侧安装有凹模(3)，所述外壳(2)上侧安装有凸模(4)，所述凸模(4)左侧滑动连接有第一滑动板(5)，所述第一滑动板(5)上转动连接有第一螺纹杆(6)，所述底座(1)左侧上表面固定安装有第一支架(7)，所述第一螺纹杆(6)转动连接在第一支架(7)上，所述第一支架(7)上侧固定安装有第一电机(8)，所述第一电机(8)的输出轴上安装有第一电机齿轮(9)，所述第一螺纹杆(6)上螺纹连接有第一滑块(10)，所述第一滑块(10)上固定安装有第一齿轮(11)，所述第一电机齿轮(9)和第一齿轮(11)互相啮合，所述凸模(4)上侧安装有竖直挤压机构(12)，所述竖直挤压机构(12)包括：第二电机(1201)、第二电机齿轮(1202)、第二齿轮(1203)、第二螺纹杆(1204)、第二滑块(1205)、第二支架(1206)和第二滑动板(1207)，所述第二支架(1206)固定安装在底座(1)上，所述第二电机(1201)固定安装在第二支架(1206)上，所述第二电机齿轮(1202)固定安装在第二电机(1201)上，所述第二滑动板(1207)滑动连接在凸模(4)上，所述第二螺纹杆
(1204)转动连接在第二支架(1206)上，所述第二螺纹杆(1204)下侧转动连接在第二滑动板(1207)上，所述第二滑块(1205)螺纹连接在第二螺纹杆(1204)上，所述第二齿轮(1203)固定安装在第二滑块(1205)上，所述第二电机齿轮(1202)和第二齿轮(1203)互相啮合。
6.本发明拉拔弯曲成形装置工作原理是：
7.一种制备铜合金线材的拉拔弯曲成形装置，使用时，将胚料通过凸模4和凹模3之间，固定在绕线装置16上，控制器17控制第三电机15转动，第三电机15转动带动绕线装置16转动，将胚料缠绕在绕线装置16上，同时控制器17控制第一电机8和第二电机1201转动，第一电机8转动带动第一电机齿轮9转动，第一电机齿轮9转动带动第一齿轮11转动，第一齿轮11转动带动第一滑块10转动，第一滑块10转动带动第一螺纹杆6向凸模4方向移动，将胚料在横向方向上产生形变，第二电机1201转动带动第二电机齿轮1202转动，第二电机齿轮1202转动带动第二齿轮1203转动，第二齿轮1203转动带动第二滑块1205转动，第二滑块1205转动带动第二螺纹杆1204向凸模4方向移动，将胚料在纵向方向上产生形变，胚料经过横向和纵向的形变后，通过凸模4和凹模3之间的弧形通道后，再一次拉拔，成型后的铜丝缠绕在绕线装置16上，本发明加工效率高，加工过程中铜丝不易断裂。
8.作为本发明进一步的方案：所述凸模上安装有固定块，防止第一滑动板和第二滑动板滑出凸模。
9.作为本发明进一步的方案：所述底座上固定安装有第三支架，所述第三支架上安装有第三电机，所述第三电机的输出轴上安装有绕线装置，用于铜丝的拉拔和收料。
10.作为本发明进一步的方案：所述第二支架侧面安装有控制器，用于控制在安装不同规格模具时设备的不同运转状态。
11.本发明另一方面还涉及一种制备铜合金线材的拉拔弯曲成形方法，所述方法包括以下步骤：
12.(1)以常规拉拔方法所制得的硬态铜或铜合金线材作为初始样品，根据相关拉拔工艺流程，制作合适的拉拔弯曲成形模具；
13.(2)根据拉拔弯曲成形模具型腔尺寸，将部分铜线材进行预先减径，并在其表面、凸形模块和凹形模块的拉拔与弯曲变形通道的表面均匀涂抹润滑剂；
14.(3)使用螺栓将凸形模块和凹形模块组装起来，并利用夹具将拉拔弯曲成形模具放置在拉拔机上，再将预先减径的铜线材放置于拉拔弯曲成形模具的通道内，在拉拔弯曲成形通道出口处对铜线材施加一定的拉力，并将铜线材拉拔速度控制在500～1400mm/min左右，使铜线材顺利完成拉拔弯曲成形。
15.进一步地，所述凸形模块和所述凹形模块上还可设置调整螺栓，用于微调和固定变形模具，以保证拉拔弯曲成形过程的连续性。
16.进一步地，所述步骤(1)的铜及铜合金线材成分为常用的商用无氧纯铜、cu-0.4mg(wt.％)、cu-2.0ag(wt.％)及cu-0.3sn(wt.％)合金。
17.进一步地，所述步骤(1)的作为初始样品的硬态铜及铜合金线材直径为：0.2～2.6mm。
18.进一步地，所述润滑剂为工业润滑油。
19.进一步地，所述经拉拔弯曲成形方法制备的高强高韧铜及铜合金线材，与普通拉拔方法制备的铜及铜合金线材相比，抗拉强度降低幅度在3～10％范围内，电导率几乎不
变，而延伸率的提升幅度则高达10～30％。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.将胚料通过凸模和凹模之间，固定在绕线装置上，控制器控制第三电机转动，第三电机转动带动绕线装置转动，将胚料缠绕在绕线装置上，同时控制器控制第一电机和第二电机转动，通过第一电机转动带动第一电机齿轮转动，第一电机齿轮转动带动第一齿轮转动，第一齿轮转动带动第一滑块转动，第一滑块转动带动第一螺纹杆向凸模方向移动，有利于将胚料在横向方向上产生形变，通过第二电机转动带动第二电机齿轮转动，第二电机齿轮转动带动第二齿轮转动，第二齿轮转动带动第二滑块转动，第二滑块转动带动第二螺纹杆向凸模方向移动，有利于将胚料在纵向方向上产生形变，胚料经过横向和纵向的形变后，通过凸模和凹模之间的弧形通道后，再一次拉拔，有利于成型后的铜丝不易断裂，最终铜丝缠绕在绕线装置上，本发明加工效率高，加工过程中铜丝不易断裂。
22.(2)本发明所采用拉拔弯曲模具，可在常用拉拔机上进行简便的装卸，并进行铜线材的连续性加工；
23.(3)本发明在铜线材进行拉拔弯曲成形前，将工业润滑剂均匀地涂覆于铜线材和模具型腔表面，能够显著的降低铜线拉拔弯曲成形过程中的摩擦系数，相应的减小了相关模具损伤和拉拔弯曲成形过程中所需的拉力，使变形后的铜线材表面光滑无缺陷，同时提高模具的使用寿命；
24.(4)本发明所采用的拉拔弯曲成形方法，在铜及铜合金线材变形过程中会发生线径减小的拉拔变形和弯曲变形过程，其中在弯曲变形中会使线材的受力方向与常规拉拔变形相比发生改变，类似于“反向”拉伸变形，导致铜线材在弯曲变形过程中产生“包辛格效应”，产生“应变诱发回复”效应，进而明显提高铜线材的延伸率。与常规拉拔变形方法所制得的线材相比，拉拔弯曲成形线材无需采用中间退火处理就可以明显提高铜线材的可拉性，这简化了铜线材的工艺流程，提高了生产效率,具有较好的经济价值。
附图说明
25.图1为本发明的拉拔弯曲成形模具结构示意图；
26.图2为本发明拉拔弯曲成形装置俯视图；
27.图3为本发明拉拔弯曲成形装置俯视图的a-a剖面图。
具体实施方式
28.下面通过实施例对本发明作进一步详细的说明。
29.实施例1
30.本实施例提供了一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及其使用方法，包括以下步骤：
31.(1)以经过常规大拉变形后所制得的直径为2.6mm的硬态纯铜线材为初始材料，根据拉拔弯曲成形工艺，拉拔弯曲成形量约15.0％，制作相应通道直径为2.4mm的拉拔弯曲成形模具；
32.(2)将直径为2.6mm的纯铜线材部分线段进行预减径至直径2.4mm，并在纯铜线材表面、凸形模块和凹形模块表面涂覆润滑剂，所述润滑剂为工业润滑剂；
33.(3)将涂覆了润滑剂的凸形模块和凹形模块利用螺栓在拉拔机上安装、调整好位置后，使涂覆了润滑剂的直径为2.4mm的纯铜线段放置于拉拔弯曲成形模具的通道内，在拉拔弯曲成形模具的通道出口处对纯铜线材施加一定的拉力，并控制拉拔速度在1400mm/min左右，使纯铜线材完成拉拔弯曲成形过程，在拉拔过程中随时在纯铜线材进料口处涂覆工业润滑剂，经过拉拔弯曲成形后得到表面光滑的纯铜线材。
34.本实施例对经过拉拔弯曲成形的直径为2.4mm的纯铜线材进行了性能测试，作为性能对比，也检测了采用常规拉拔方法、相同拉拔速度所制得的相同直径的纯铜线材的性能。性能测试结果显示，采用拉拔弯曲成形方法所制得的纯铜线材的抗拉强度达到390mpa，延伸率达到6.31％，电导率达到94.9％iacs；而采用常规拉拔方法所制得的纯铜线材的抗拉强度达到420mpa，延伸率达到4.86％，电导率达到95.2％iacs。对比两者的性能测试结果可知，拉拔弯曲成形方法会使纯铜线材的抗拉强度略有降低，降低幅度约为～10％，但能够显著提升纯铜线材的延伸率，提升幅度达到30％。此外，纯铜线材的电导率轻微下降。
35.实施例2
36.本实施例提供了一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及其使用方法，包括以下步骤：
37.(1)以经过常规拉拔变形后所制得的直径为2.0mm的硬态cu-0.4mg(wt.％)合金线材为初始材料，根据拉拔弯曲成形工艺，拉拔弯曲成形量约19.0％，制作相应通道直径为1.8mm的拉拔弯曲成形模具；
38.(2)将直径为2.0mm的cu-0.4mg(wt.％)合金线材部分线段进行预减径至直径1.8mm，并在cu-0.4mg(wt.％)合金线材表面、凸形模块和凹形模块表面涂覆润滑剂，所述润滑剂为工业润滑剂；
39.(3)将涂覆了润滑剂的凸形模块和凹形模块利用螺栓在拉拔机上安装、调整好位置后，使涂覆了润滑剂的预先减径至直径为1.8mm的cu-0.4mg(wt.％)合金线材线段放置于拉拔弯曲成形模具的通道内，在拉拔弯曲成形模具的通道出口处对纯铜线材施加一定的拉力，并控制拉拔速度在800mm/min左右，使cu-0.4mg(wt.％)合金线材完成拉拔弯曲成形过程，在拉拔过程中随时在纯铜线材进料口处涂覆工业润滑剂，经过拉拔弯曲成形后得到表面光滑的cu-0.4mg(wt.％)合金线材。
40.本实施例对经过拉拔弯曲成形的直径为1.8mm的cu-0.4mg(wt.％)合金线材进行了性能测试，作为性能对比，也检测了采用常规拉拔方法、相同拉拔速度所制得的相同直径的cu-0.4mg(wt.％)合金线材的性能。性能测试结果显示，采用拉拔弯曲成形方法所制得的cu-0.4mg(wt.％)合金线材的抗拉强度达到～605mpa，延伸率达到4.48％，电导率达到72.3％iacs；而采用常规拉拔方法所制得的cu-0.4mg(wt.％)合金线材的抗拉强度达到630mpa，延伸率达到3.89％，电导率达到72.4％iacs。对比两者的性能测试结果可知，拉拔弯曲成形方法会使cu-0.4mg(wt.％)合金线材的抗拉强度略有降低，降低幅度约为4％，但能够显著提升cu-0.4mg(wt.％)合金线材的延伸率，提升幅度达到20％。此外，cu-0.4mg(wt.％)合金线材的电导率几乎保持不变。
41.实施例3
42.本实施例提供了一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及其使用方法，包括以下步骤：
43.(1)以经过常规大拉变形后所制得的直径为0.60mm的硬态cu-2.0ag合金线材为初始材料，根据拉拔弯曲成形工艺，拉拔弯曲成形量约20.0％，制作相应通道直径为0.54mm的拉拔弯曲成形模具；
44.(2)将直径为0.60mm的cu-2.0ag(wt.％)合金线材部分线段进行预先减径至直径0.54mm，并在cu-2.0ag(wt.％)合金线材表面、凸形模块和凹形模块表面涂覆润滑剂，所述润滑剂为工业润滑剂；
45.(3)将涂覆了润滑剂的凸形模块和凹形模块利用螺栓在拉拔机上安装、调整好位置后，使涂覆了润滑剂的预先减径至直径为0.60mm的cu-2.0ag(wt.％)合金线段放置于拉拔弯曲成形模具的通道内，在拉拔弯曲成形模具的通道出口处对cu-2.0ag(wt.％)合金线材施加一定的拉力，并控制拉拔速度在800mm/min左右，使cu-2.0ag(wt.％)合金线材完成拉拔弯曲成形过程，在拉拔过程中随时在cu-2.0ag(wt.％)合金线材进料口处涂覆工业润滑剂，经过拉拔弯曲成形后得到表面光滑的cu-2.0ag(wt.％)合金线材。
46.本实施例对经过拉拔弯曲成形的直径为0.54mm的cu-2.0ag(wt.％)合金线材进行了性能测试，作为性能对比，也检测了采用常规拉拔方法、相同拉拔速度所制得的相同直径的cu-2.0ag(wt.％)合金线材的性能。性能测试结果显示，采用拉拔弯曲成形方法所制得的cu-2.0ag(wt.％)合金线材的抗拉强度达到570mpa，延伸率达到3.32％，电导率达到88.3％iacs；而采用常规拉拔方法所制得的cu-2.0ag(wt.％)合金线材的抗拉强度达到600mpa，延伸率达到2.89％，电导率达到88.4％iacs。对比两者的性能测试结果可知，拉拔弯曲成形方法会使cu-2.0ag(wt.％)合金线材的抗拉强度略有降低，降低幅度约为5％，但能够显著提升cu-2.0ag(wt.％)合金线材的延伸率，提升幅度达到15％，此外cu-2.0ag(wt.％)合金线材的电导率几乎保持不变。
47.实施例4
48.本实施例提供了一种高强高韧铜及铜合金线材的拉拔弯曲成形装置及其使用方法，包括以下步骤：
49.(1)以经过常规拉拔变形后所制得的直径为0.20mm的硬态cu-0.3sn(wt.％)合金线材为初始材料，根据拉拔弯曲成形工艺，拉拔弯曲成形量约19.0％，制作相应通道直径为0.18mm的拉拔弯曲成形模具；
50.(2)将直径为0.20mm的cu-0.3sn(wt.％)合金线材部分线段进行预减径至直径0.18mm，并在cu-0.3sn(wt.％)合金线材表面、凸形模块和凹形模块表面涂覆润滑剂，所述润滑剂为工业润滑剂；
51.(3)将涂覆了润滑剂的凸形模块和凹形模块利用螺栓在拉拔机上安装、调整好位置后，使涂覆了润滑剂的预先减径至直径为0.18mm的cu-0.3sn(wt.％)合金线段放置于拉拔弯曲成形模具的通道内，在拉拔弯曲成形模具的通道出口处对cu-0.3sn(wt.％)合金线材施加一定的拉力，并控制拉拔速度在500mm/min左右，使cu-0.3sn(wt.％)合金线材完成拉拔弯曲成形过程，在拉拔过程中随时在cu-0.3sn(wt.％)合金线材进料口处涂覆工业润滑剂，经过拉拔弯曲成形后得到表面光滑的cu-0.3sn(wt.％)合金线材。
52.本实施例对经过拉拔弯曲成形的直径为0.18mm的cu-0.3sn(wt.％)合金线材进行了性能测试，作为性能对比，也检测了采用常规拉拔方法、相同拉拔速度所制得的相同直径的cu-0.3sn(wt.％)合金线材的性能。测试结果如表1所示。
53.表1铜及铜合金线材性能数据表
[0054][0055]
性能测试结果显示，采用拉拔弯曲成形方法所制得的cu-0.3sn合金线材的抗拉强度达到593mpa，延伸率达到3.17％，电导率达到80.5％iacs；而采用常规拉拔方法所制得的cu-0.3sn(wt.％)合金线材的抗拉强度达到610mpa，延伸率达到2.88％，电导率达到80.4％iacs。对比两者的性能测试结果可知，拉拔弯曲成形方法会使cu-0.3sn(wt.％)合金线材的抗拉强度略有降低，降低幅度约为3.0％，但能够显著提升cu-0.3sn(wt.％)合金线材的延伸率，提升幅度达到10.0％，此外cu-0.3sn(wt.％)合金线材的电导率几乎保持不变。
[0056]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。