基本介紹
- 中文名：冷擠壓
- 外文名：cold extrusion
- 定義：毛坯不經加熱就進行擠壓
- 工具：機械壓力機、液壓機等
- 地位：金屑塑性加工中先進的工藝方法
定義,發展概況,歷程,趨勢,國內發展,特點,尺寸準確,節約材料,生產效率高,適用面廣,強度高,類型,正擠壓,反擠壓,複合擠壓,徑向擠壓,鍛壓,工序設計,冷擠壓件圖,技術經濟指標,
定義
擠壓是迫使金屑塊料產生塑性流動，通過凸模與凹模間的間隙或凹模出口，製造空心或斷面比毛坯斷面要小的零件的一種工藝方法。如果毛坯不經加熱就進行擠壓，便稱為冷擠壓。冷擠壓是無切屑、少切屑零件加工工藝之一，所以是金屑塑性加工中一種先進的工藝方法。如果將毛坯加熱到再結晶溫度以下的溫度進行擠壓，便稱為溫擠壓。溫擠壓仍具有少無切屑的優點。
發展概況
歷程
冷擠壓技術發展的初期是非常緩慢的，長期以來只對幾種軟金屬（鉛和錫）進行擠壓。直到19紀末20世紀初，才開始擠壓較硬的有色金屬（鋅、鋁、紫銅、黃銅等）至於鋼的擠壓，由於冷擠壓時需要很大的壓力，在當時不能解決擠壓鋼用的模具材料、合適的潤滑劑與大噸位的壓力機等問題，長時間一直認為擠壓鋼是十分困難甚至是不可能的。
1906年，英國人科斯利特（T.W.coslett）發現用磷酸鹽處理鋼件製品是一種較理想的防鏽方法，但工序繁多，而經濟效益又差，故未被廣泛採用。不過，這種防鏽法的出現卻極大地激發了人們去研究更簡單而有效的新方法的積極性。到後來，用自動連續裝置對鋼毛坯進行磷酸鋅防鏽處理只需要兩分鐘。經磷酸鋅處理過的毛坯表面附有脂肪潤滑劑或鈉皂薄膜，且這層薄膜不易脫落，擠壓這種毛坯時，壓力較小。這個發現使人們找到了一種理想的鋼毛坯表面處理法一磷化皂化法。
磷化皂化處理鋼毛坯表面方法的出現使鋼的擠壓成為可能。1934年，德國人採用磷化皂化法成功地冷擠出鋼管。二次世界大戰期間，德國人需要大量彈殼，當時黃銅又供應不足，於是德國人秘密試驗用冷擠壓生產鋼彈殼、後來，採用合金工具鋼作模具材料，用冷擠壓成功地擠出大批量鋼彈殼類零件。
第二次世界大戰以後，美國人竊取了德國人關於鋼的冷擠壓的全部資料，開始在美國用冷擠壓秘密生產軍火，開辦了很多生產鋼彈殼和彈體的軍工廠。鋼的冷擠壓於1947年才正式用於民用工業。美國於1949年發表了各種鋼材冷擠壓後機械性能的實驗數據。德國於1950年、1953年先後公布了鋼的冷擠壓的基本技術數據及冷擠壓力和擠壓功的實驗結果。
1957年，日本引進了專用冷擠壓機，開始在精密儀器和儀表中採用冷擠壓技術。日本見這種新技術經濟效益顯著，很快把這種技術用於製造汽車和電氣製件。現已成為遍及各個工業部門的重要加工手段。
趨勢
1）隨著能源危機的日趨嚴重，人們對環境質量將更加關注，加之市場競爭日益加劇，促使鍛件生產向高效、高質、精化、節能節材方向發展。因此用擠壓成形等工藝手段所生產的精化鍛件的產量，在市場競爭中將得到較大的發展。
2）汽車向輕型化、高速度、平穩性方向發展，對鍛件的尺寸精度、重量精度及力學性能等都提出了較高的要求。如轎車發動機用連桿鍛件除對大小頭之間的誤差有要求外，對每件的重量誤差也要求不大於八克。新產品的高要求，將促進精化生產工藝的發展。
3）專業化、規模化的組織生產仍是冷擠壓生產的發展方向和趨勢。在法國，以擠壓成形工藝生產鍛件的專業廠家1991－1994年全員勞動生產率，即每人生產擠壓件的產量及產值，均高於一般生產模鍛件或者自由鍛件的廠家。以1994年為例，專業廠家擠壓件人均產量為 51024KG，創產值775688法郎。而同期一般性生產模鍛件的廠家，其人均產量僅為39344KG，產值592384法郎，僅相當於擠壓件專業生產廠家的77.1%和76.37%。自由鍛件生產廠與之相比則更低。
4) 擠壓專機將成為一種發展趨勢。隨著中小型鍛件的精化生產發展及冷擠壓、溫擠壓工藝的推廣套用，多工位冷擠壓壓力機、精壓機及針對某種鍛件而設計製造的專機會得到大力發展。新昌軸承套圈的冷擠大面積套用是在邵銀標工程主導下發展起來，目前國內軸承套圈的冷擠壓成型占了較大份額。
國內發展
在我國，建國前的冷擠壓加工是十分落後的，當時，僅有少數工廠用鉛、錫等有色金屬擠壓牙膏管或線材、管材一類產品。
建國後，冷擠壓技術得到了發展。50十年代開始了鋁、銅及其合金的冷擠壓；60年代黑色金屬冷擠壓已套用於生產。十年浩劫，極大地影響了冷擠壓技術的發展。1978年以後，在“獨立自主，自力更生”的偉大方針指引下，冷擠壓技術得到了迅速發展。近幾年來， 隨著改革開放政策的進展，隨著國家工業生產及科學技術的蓬勃發展，冷擠壓技術也得到 了迅猛發展。
70年代末，國內不少高等學校、研究所和工廠開展了冷擠壓技術的實驗研究，發表了大量的有價值的論文，初步形成了一支研究和套用冷擠壓技術的隊伍。
製造的冷擠壓件是各種各樣的，最重可達30公斤，最輕只有1克。在模具材料使用方面，除了用高速鋼、軸承鋼、高碳高鉻合金工具鋼外，還採用了不少新型模具鋼如CG2、65Nb、LD等。在擠壓工藝參數選擇和模具結構設計方面，初步採用了最佳化設計及計算機輔助設計與製造（即CAD/CAM），使模具結構更合理、擠壓工藝參數更接近於實際。
科學的發展，對冷擠壓技術產生了重大影響，具體地說就是計算機在工藝分析、模具設計、製造及工藝過程控制中的套用對冷擠壓技術產生的影響。我國將進一步發展套用這門新技術。發展冷擠壓技術主要應從以下幾方面著手：
1.擴大冷擠壓技術的套用範圍，在一定範圍內，逐步代替鑄、鍛、拉深及切削加工；
2.提高冷擠壓製件的精度和表面質量，生產出幾何形狀更複雜的製件；
3.擴大冷擠壓用的原材料種類，研究更理想的表面處理與潤滑方法；
4.進一步使用CAD/CAM和最佳化設計，提高和加快模具設計與製造，研製出更合理的模具結構；
5.尋找更適合於冷擠壓用的模具材料及其熱處理方法，以延長模具的使用壽命；
6.進一步發展溫熱擠壓、等溫擠壓、靜液擠壓及高速擠壓等新工藝技術的研究和套用；
7.研製適合於冷擠壓的多功能的冷擠壓機，使毛坯和製件能安全自動地進料與出件，以便進一步提高生產率。
特點
尺寸準確
目前我國研製的冷擠壓件一般尺寸精度可達8～9級，若採用理想的潤滑可達(指純鋁和紫銅零件)，僅次於精拋光表面。因此用冷擠壓方法製造的零件，一般不需要再加工，少量的只需精加工(磨削)。
節約材料
冷擠壓件材料利用率通常可以達到80%以上。如解放牌汽車活塞銷動切削加工材料利用率為43.3%，而用冷擠壓時材料利用率提高到92%；又如萬向節軸承套改用冷擠壓後，材料利用率由過去的27.8%提高到64%。可見，採用冷擠壓方法生產機械零件，可以節約大量鋼材和有色金屬材料。
生產效率高
用冷擠壓方法生產機械零件的效率是非常高的，特別是生產批量大的零件，用冷擠壓方法生產可比切削加工提高几倍、幾十倍、甚至幾百倍。例如，汽車活塞銷用冷擠壓方法比用切削加工製造提高3.2倍，當前又用冷擠壓活塞銷自動機，使生產率進一步提高。一台冷擠壓自動機的生產率相當於100台普通車床或10台四軸自動車床的生產率。
適用面廣
如異形截面、內齒、異形孔及盲孔等，這些零件採用其它加工法難以完成，用冷擠壓加工卻十分方便。
強度高
由於冷擠壓採用金屬材料冷變形的冷作強化特性，即擠壓過程中金屬毛坯處於三向壓應力狀態，變形後材料組織緻密、且具有連續的纖維流向，因而製件的強度有較大提高。這樣就可用低強度材料代替高強度材料。例如過去採用20Cr鋼經切削加工製造解放牌活塞銷，現改用20號鋼經冷擠壓製造活塞銷，經性能測定各項指標，冷擠壓法高於切削加工法製造活塞銷。
從以上特點，可以看出，冷擠壓技術與當前各種加工方法比較，具有突出的優越性。這就為冷擠壓代替切削加工、鍛造、鑄造和拉深工藝來製造機器零件，開闢了一條廣闊的道路。
類型
正擠壓
正擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向一致。正擠壓可以製造各種形狀的實心件和空心件。
外殼冷擠壓
外殼冷擠壓反擠壓
反擠壓時，金屬的流動方向與凸模的運動方向相反。反擠壓可以獲得各種形狀的杯形件。
複合擠壓
擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模運動方向相同，而另一個部分金屬流動方向與凸模運動方向相反。複合擠壓可製得各種杯、桿、筒零件。
徑向擠壓
擠壓時，金屬的流動方向與凸模運動方向相垂直。徑向擠壓又可分為向心擠壓和離心擠壓，徑向擠壓用來製造斜齒輪、花鍵盤等零件。
鍛壓
鍛壓時，金屬毛坯徑向向外流動。鐓壓用於製造帶法蘭的軸類零件或凸緣的杯形零件。
正擠壓、反擠壓與複合擠壓是冷擠壓技術中套用最廣泛的三種方法。它們的金屬流動方向與凸模的軸線平行。因此，有不少資料上又稱這三種方法為軸向擠壓。如前所述，軸向擠壓可以製得各種實心和空心零件，如球頭銷、梭心殼、彈殼等。徑向擠壓是當前十幾年才發展起來的，主要用於通訊器材的號碼盤、腳踏車的花鍵盤等。
以上是幾種基本的冷擠壓變形方式，隨著冷擠壓技術的發展，有時還將冷體積模鍛等歸屬為冷擠壓。冷擠壓無論在汽車、拖拉機、軸承、電訊器材、儀表等機電製造中，還是在腳踏車、縫紉機等輕工業中，以及國防工業系統中都有廣泛的套用，這是因為它具有明顯的優點。
工序設計
冷擠壓件圖
冷擠壓件圖根據零件圖制訂，以1：1比例繪製。其內容包括：
l）確定冷擠壓壓和進一步加工的工藝基準。
2）對於不經機械加工的部位，不加餘量，應按零件圖的技術要求直接給出公差，而對於需進行機械加工的部位，應按冷擠壓可以達到的尺寸精度給出公差。
3）確定擠壓壓完成後多餘材料的排除方式。
4）按照零件的技術要求及冷擠壓可能達到的精度，確定表面粗糙度等級和形位公差值。
技術經濟指標
為了確保冷擠壓工藝方案在技術經濟上的合理性和可行性，通常採用下述幾個指標來衡量：
1）擠壓件的尺寸 越大，所需設備噸位隨之增大，採用冷擠壓加工的困難性增加。
2）擠壓件的形狀 越複雜、變形程度越大，所需的冷擠壓工序數目就越多。，
3）擠壓件可達精度和表面粗糙度 它有一定限度。增加修整工序可提高擠壓件精度。
4）擠壓件的材料 材料影響擠壓難度、許用變形程度。
5）擠壓件費用 一般包含材料費、備料費、工具及模具製造費、冷擠壓加工費及後續工序加工費等。這是一項綜合指標，往往是決定工藝方案是否合理、可行的關鍵因素。
6）擠壓件的批量 批量大時可以使總的成本降低。
對於上述幾個指標進行全面分析、平衡之後，就可以選擇一個最佳的工藝方案。最佳的工藝方案的具體標誌是：採用儘可能少的擠壓工序和中間退火次數，以最低的材料消耗、最高的模具壽命和生產效率，冷擠出符合技術要求的擠壓件。冷擠壓加工全過程應包含下料工序、預成形工序、輔助工序、冷擠壓工序以及後續加工工序等。其中冷擠壓工序的設計是制定冷擠壓工藝方案的核心工作。
