冷镦、冷挤压基础知识

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冷镦、冷挤压基础知识

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冷镦、冷挤压基础知识介绍
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冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重要组成部分。冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。显然，冷挤压加工是靠模具来控制金属流动，靠金属体积的大量转移来成形零件的。
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　　冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%～50%，节能40%～80%而且能够提高锻件质量，改善作业环境。

6 h* \0 \% ]+ U8 V2 J. b　　目前，冷挤压技术已在紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现便拓展了其发展空间。日本80年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%～40%是采用冷挤压工艺生产的。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷挤压生产工艺技术己逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。与其他加工工艺相比冷挤压有如下优点：
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　　1）节约原材料。冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件，因而能大量减少切削加工，提高材料利用率。冷挤压的材料利用率一般可达到80%以上。

　　2）提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造零件，能使生产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍。
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　　3）制件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可达IT7～IT8级，表面粗糙度可达R0.2～R0.6。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特别高之处进行精磨。

　　4）提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形成合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。此外，合理的冷挤压工艺可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。因此，某些原需热处理强化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺，有些零件原需要用强度高的钢材制造，用冷挤压工艺后就可用强度较低的钢材替用。
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　　5）可加工形状复杂的，难以切削加工的零件。如异形截面、复杂内腔、内齿及表面看不见的内槽等。
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; @: g; ^4 v' X% i) N9 b　　6）降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零件的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低。
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6 w- |5 F1 y1 p; n  b" ?　　冷挤压技术在应用中存在的难点主要有：

, e! V- o! \  e' E, }' E+ s　　1）对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大，这使得模具所受的应力远比一般冲压模大，冷挤压钢材时，模具所受的应力常达2000MPa～2500MPa。例如制造一个直径38mm,壁厚5.6mm，高100mm的低碳钢杯形件为例，采用拉延方法加工时，最大变形力仅为17t，而采用冷挤压方法加工时，则需变形力132t，这时作用在冷挤压凸模上的单位压力达2300MPa以上。模具除需要具有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐磨性。此外，金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至250℃～300℃左右，因而，模具材料需要一定的回火稳定性。由于上述情况，冷挤压模具的寿命远低于冲压模。
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　　2）需要大吨位的压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千吨的压力机。

　　3）由于冷挤压的模具成本高，一般只适用于大批量生产的零件。它适宜的最小批量是5～10万件。

6 Q0 Z& T0 X) O9 U# P/ ]- j2 G　　4）毛坯在挤压前需进行表面处理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且难以实现生产自动化。
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+ ]' m& R1 O5 K* D　　5）不宜用于高强度材料加工。

　　6）冷挤压零件的塑性、冲击韧性变差，而且零件的残余应力大，这会引起零件变形和耐腐蚀性的降低（产生应力腐蚀）

　　国内外冷挤压技术发展过程

　　现代冷挤压技术是从18世纪末开始的，法国人在法国革命时代把铅从小孔中挤出制成枪弹，开始了冷挤压。1830年在法国已经有人开始利用机械压力机，采用反挤压方法制造铅管和锡管。1906年美国为了制造黄铜的西服纽扣，已经有人取得了正挤压空心杯形坯料的专利权。1909年美国人获得专利的Hooker法——正向冲挤法，金属流动方向与冲挤方向相同，就是在买了1906年的专利之后发展起来的，该专利中的杯形坯料，是采用拉深法制造的。第一次世界大战中，曾用Hooker法制造了黄铜弹壳，而在第二次世界大战以前的1934年，德国人就利用这种方法试制了钢弹壳，但因热胶着严重，没有成功。直到第二次世界大战中期由于采用了新的表面润滑处理方法——使工件表面形成磷酸盐薄膜，挤压方法制造钢质弹壳获得成功。自此，冷挤压技术走向实用，成为冷锻技术中应用最广泛的一种方法。

　　60年代，日本汽车工业的成长，为冷挤压技术的发展创造了有利的条件。从冷挤压设备上看，自从1933年，日本会田株式会社生产了日本第一台 2000kN PK型精压机（肘杆式压力机）以来，到目前为止，己生产了2000多台PK系列压力机。随着汽车工业的发展，对高精度压力机的要求愈加迫切，会田株式会社又研制成功了各种锻造压力机。同时，日本小松研制了以高精度和易于操作为目标的 LIC、LZC系列冷锻成形压力机。
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　　从冷挤压产品上看，日本70年代成功冷挤压启动离合器齿轮、传动轴花键、交流发电机磁极铁芯。80年代，又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈、内座圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精零件。为日本汽车的高性能化和降低生产成本做出了很大贡献。

/ @4 r2 A) m$ L# x2 U7 r　　我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当。70年代，我国曾在自行车、汽车电器等批量生产的产品中，推广过冷挤压生产工艺技术，也开发成功了启动齿轮的挤压成形，并投入批量生产。但由于未从根本上解决工艺、设备、材料、模具、润滑、自动化装置以及毛坯料的原始尺寸、原始状态、后处理等一系列技术问题，因而未得到较大发展。80年代，随着家电和汽车摩托车工业的迅速发展，对冷挤压工艺设备及生产技术的引进、消化、吸收，科研人员通过生产实践攻克了冷挤压技术的不少难题与此同时冷锻设备也有了较大发展。目前，我国己能用冷挤压工艺生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻齿轮、汽车用等速万向节、内燃机用火花塞与活塞销、汽车挺杆、照相机零件、汽车启动器定向套筒、启动齿轮等，且己达到国外同等水平。
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　　冷挤压技术的发展趋势

" Z, [) \8 h( k& W& g4 ^　　1）随着能源危机的日趋严重，人们对环境质量将更加关注，加之市场竞争日益加剧，促使锻件生产向高效、高质、精化、节能节材方向发展。因此用挤压成形等工艺手段所生产的精化锻件的产量，在市场竞争中将得到较大的发展。

　　2）汽车向轻型化、高速度、平稳性方向发展，对锻件的尺寸精度、重量精度及力学性能等都提出了较高的要求。如轿车发动机用连杆锻件除对大小头之间的误差有要求外，对每件的重量误差也要求不大于八克。新产品的高要求，将促进精化生产工艺的发展。
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　　3）专业化、规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势。在法国，以挤压成形工艺生产锻件的专业厂家1991－1994年全员劳动生产率，即每人生产挤压件的产量及产值，均高于一般生产模锻件或者自由锻件的厂家。以1994年为例，专业厂家挤压件人均产量为 51024KG，创产值775688法郎。而同期一般性生产模锻件的厂家，其人均产量仅为39344KG，产值592384法郎，仅相当于挤压件专业生产厂家的77.1%和76.37%。自由锻件生产厂与之相比则更低。
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　　4) 挤压专机将成为一种发展趋势。随着中小型锻件的精化生产发展及冷挤压、温挤压工艺的推广应用，多工位冷挤压压力机、精压机及针对某种锻件而设计制造的专机会得到大力发展。

6 f/ ^; p( u+ d: {　　冷温挤压的定义和分类

　　挤压是迫使金屑块料产生塑性流动，通过凸模与凹模间的间隙或凹模出口，制造空心或断面比毛坯断面要小的零件的一种工艺方法。如果毛坯不经加热就进行挤压，便称为冷挤压。冷挤压是无切屑、少切屑零件加工工艺之一，所以是金屑塑性加工中一种先进的工艺方法。如果将毛坯加热到再结晶温度以下的温度进行挤压，便称为温挤压。温挤压仍具有少无切屑的优点。
根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，
　
' i# Y) z: t- K$ H　　常用的挤压方法可以分为以下几类。
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　　(一)正挤压 挤压时，金属的流动方向与凸横的运动方向相一致。正挤压又分为实心件正挤压空心件正挤压两种。正挤压法可以制造各种形状的实心件和空心件，如螺钉、心轴、管子和弹壳等。

　　(二)反挤压 挤压时，金屑的流动方向与凸模的运动方向相反，反挤压法可以制造各种断面形状的杯形件，如仪表罩壳、万向节轴承套等。
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! v( |$ z0 f" [- x- w6 Q# {4 A& ?　　(三)复合挤压 挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分金屑流动方向则与凸模的运动方向相反，复合挤压法可以制造双杯类零件，也可以制造杯杆类零件和杆杆类零件。

　　(四)减径挤压 变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减。主要用于制造直径相差不大的阶梯轴类零件以及作为深孔杯形件的修整工序。
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　　以上几种挤压的共同特点是：金屑流动方向都与凸模轴线平行，因此可统称为轴向挤压法。另外还有径向挤压和镦挤法。

　　冷挤压的主要矛盾

　　冷挤压是在金属冷态下，而且是在强烈的三向压应力状态下变形的，因此变形抗力较大，如以制造一个直径38mm、厚5.6mm、高100mm的杯形低碳钢零件为例，采用深拉伸方法加工。最后一次拉伸工序仅需变形力170KN而采用冷挤压加工则需变形力1320KN。这时作用在凸模上的单位压力达到2300MP以上,相当于大气压力的23000倍。
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: f- U+ m+ J6 J2 C6 ~3 Y　　由于变形抗力高，所以就导致以下的缺点：

　　(1)模具易磨损，易破坏、因此要求模具材料好。目前一般模具钢，其许用应力最大只能达2500MPa，最好的模具钢也不超过3000MPa。为了解决冷挤压的主要矛盾，就得采取各种技术措施，在尽力降低冷挤压材料变形抗力的同时，设法提高模具的承受能力。以利于冷挤压生产的顺利进行。
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7 a7 H+ W" d* b. D/ S! a6 l  W  p　　2)对挤压设备要求较高，吨位要大。除了要求挤压设备应有较大的强度以外，还要求有较好的刚度。此外．还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。

4 g0 P3 f- j* D1 s: e2 F　　冷挤压和温挤压的比较：
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　　冷挤压虽有很多优点，但变形抗力大，就限制了零件的尺寸，同时也限制了变形抗力大的材料采用冷挤压工艺。
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# S& M8 V* X3 B# [　　热挤压成形法，虽然可以使材料变形抗力变小，但由于加热，产生氧化、脱碳及热膨胀等问题，降低了产品的尺寸精度和表面质量，因而一般都需要经过大量的切削加工，才能作为最后产品。

$ |1 E& k+ A+ E: p  W　　温挤压是将毛坯加热到金属再结晶温度以下某个适当的温度进行挤压。由于金属加热，毛坯的变形抗力减小．成形容易，压力机的吨位也可以减小，而且模具的寿命延长。但与热挤压不同，因为在低温范围内加热，氧化、脱碳的可能性小，产品的机械性能与冷挤压的产品也差别不大。特别是在室温下难加工的材料，例如析出硬化相的不锈钢、高碳钢、含铬量高的—些钢、高温合金等，在温挤压时可能变成可以加工或容易加工。
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! j1 d$ C0 `1 X+ O　　温挤压不仅适用于变形抗力高的难加工材料，就是对于冷挤压适宜的低碳钢，也适合作为温挤压的对象，因为温挤压有便于组织连续生产的优点。在冷挤压时，包括冷挤压低碳钢在内，一般在加工前要进行预先软化退火，在各道冷挤压工序之间也要进行退火处理。在冷挤压以前要进行钝化处理。这就使得组织连续生产产生困难。温挤压时可以不进行预先软化退火和各工序之间的退火，也可以不进行表面处理，这就使得组织连续生产成为可能．至少可以减少许多辅助工序*
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5 C! c' J' o  X# q0 Q+ l* f　　温挤压可以采用大的变形量，这样就可以减少工序数目。模具费用也可以大为减少，而且不需要刚性极高的高价锻压设备，可以来用通用锻压设备，所以虽然温挤压需要加热金属，但是总的加工费用还是比较便宜，待别是在制造工序复杂的非轴对称的异形部件时，温挤压尤可发挥它的作用。
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0 ^9 G& B/ A1 J+ F　　目前，温挤压采用的润滑剂还不能完全令人满意。同时，也还缺乏加工方面的一些实际数据，还有许多技术问题有待解决。