冷擠壓成形技術

冷擠壓是精密塑性體積成形技術中的一個重要組成部分。冷擠壓是指在冷態下將金屬毛坯放入模具模腔內，在強大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學性能的擠壓件。顯然，冷擠壓加工是靠模具來控制金屬流動，靠金屬體積的大量轉移來成形零件的。 冷擠壓技術是一種高精、高效、優質低耗的先進生產工藝技術，較多套用於中小型鍛件規模化生產中。與熱鍛、溫鍛工藝相比，可以節材30%～50%，節能40%～80%而且能夠提高鍛件質量，改善作業環境。

冷擠壓成形技術的特點

目前，冷擠壓技術已在緊固件、機械、儀表、電器、輕工、宇航、船舶、軍工等工業部門中得到較為廣泛的套用，已成為金屬塑性體積成形技術中不可缺少的重要加工手段之一。二戰後，冷擠壓技術在國外工業已開發國家的汽車、機車、家用電器等行業得到了廣泛的發展套用，而新型擠壓材料、模具新鋼種和大噸位壓力機的出現便拓展了其發展空間。日本80年代自稱，其轎車生產中以鍛造工藝方法生產的零件，有30%～40%是採用冷擠壓工藝生產的。隨著科技的進步和汽車、機車、家用電器等行業對產品技術要求的不斷提高，冷擠壓生產工藝技術己逐漸成為中小鍛件精化生產的發展方向。

冷擠壓成形技術的優點

與其他加工工藝相比冷擠壓有如下優點：

1）節約原材料。冷擠壓是利用金屬的塑性變形來製成所需形狀的零件，因而能大量減少切削加工，提高材料利用率。冷擠壓的材料利用率一般可達到80%以上。

2）提高勞動生產率。用冷擠壓工藝代替切削加工製造零件，能使生產率提高几倍、幾十倍、甚至上百倍。

3）製件可以獲得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可達IT7～IT8級，表面粗糙度可達R0.2～R0.6。因此，用冷擠壓加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特別高之處進行精磨。

4）提高零件的力學性能。冷擠壓後金屬的冷加工硬化，以及在零件內部形成合理的纖維流線分布，使零件的強度遠高於原材料的強度。此外，合理的冷擠壓工藝可使零件表面形成壓應力而提高疲勞強度。因此，某些原需熱處理強化的零件用冷擠壓工藝後可省去熱處理工藝，有些零件原需要用強度高的鋼材製造，用冷擠壓工藝後就可用強度較低的鋼材替用。

5）可加工形狀複雜的，難以切削加工的零件。如異形截面、複雜內腔、內齒及表面看不見的內槽等。

6）降低零件成本。由於冷擠壓工藝具有節約原材料、提高生產率、減少零件的切削加工量、可用較差的材料代用優質材料等優點，從而使零件成本大大降低。

冷擠壓成形技術的難點

冷擠壓技術在套用中存在的難點主要有：

1）對模具要求高。冷擠壓時毛坯在模具中受三向壓應力而使變形抗力顯著增大，這使得模具所受的應力遠比一般衝壓模大，冷擠壓鋼材時，模具所受的應力常達2000MPa～2500MPa。例如製造一個直徑38mm,壁厚5.6mm，高100mm的低碳鋼杯形件為例，採用拉延方法加工時，最大變形力僅為17t，而採用冷擠壓方法加工時，則需變形力132t，這時作用在冷擠壓凸模上的單位壓力達2300MPa以上。模具除需要具有高強度外，還需有足夠的衝擊韌性和耐磨性。此外，金屬毛坯在模具中強烈的塑性變形，會使模具溫度升高至250℃～300℃左右，因而，模具材料需要一定的回火穩定性。由於上述情況，冷擠壓模具的壽命遠低於衝壓模。

2）需要大噸位的壓力機。由於冷擠壓時毛坯的變形抗力大，需用數百噸甚至幾千噸的壓力機。

3）由於冷擠壓的模具成本高，一般只適用於大批量生產的零件。它適宜的最小批量是5～10萬件。

4）毛坯在擠壓前需進行表面處理。這不但增加了工序，需占用較大的生產面積，而且難以實現生產自動化。

5）不宜用於高強度材料加工。

6）冷擠壓零件的塑性、衝擊韌性變差，而且零件的殘餘應力大，這會引起零件變形和耐腐蝕性的降低（產生應力腐蝕）

國內外冷擠壓技術發展過程

現代冷擠壓技術是從18世紀末開始的，法國人在法國革命時代把鉛從小孔中擠出製成槍彈，開始了冷擠壓。1830年在法國已經有人開始利用機械壓力機，採用反擠壓方法製造鉛管和錫管。1906年美國為了製造黃銅的西服紐扣，已經有人取得了正擠壓空心杯形坯料的專利權。1909年美國人獲得專利的Hooker法——正向沖擠法，金屬流動方向與沖擠方向相同，就是在買了1906年的專利之後發展起來的，該專利中的杯形坯料，是採用拉深法製造的。第一次世界大戰中，曾用Hooker法製造了黃銅彈殼，而在第二次世界大戰以前的1934年，德國人就利用這種方法試製了鋼彈殼，但因熱膠著嚴重，沒有成功。直到第二次世界大戰中期由於採用了新的表面潤滑處理方法——使工件表面形成磷酸鹽薄膜，擠壓方法製造鋼質彈殼獲得成功。自此，冷擠壓技術走向實用，成為冷鍛技術中套用最廣泛的一種方法。

60年代，日本汽車工業的成長，為冷擠壓技術的發展創造了有利的條件。從冷擠壓設備上看，自從1933年，日本會田株式會社生產了日本第一台 2000kN PK型精壓機（肘桿式壓力機）以來，到目前為止，己生產了2000多台PK系列壓力機。隨著汽車工業的發展，對高精度壓力機的要求愈加迫切，會田株式會社又研製成功了各種鍛造壓力機。同時，日本小松研製了以高精度和易於操作為目標的 LIC、LZC系列冷鍛成形壓力機。

從冷擠壓產品上看，日本70年代成功冷擠壓啟動離合器齒輪、傳動軸花鍵、交流發電機磁極鐵芯。80年代，又成功冷擠大型高精度等速圓球外座圈、內座圈、十字軸、汽車差速器傘齒輪等高精零件。為日本汽車的高性能化和降低生產成本做出了很大貢獻。

我國冷擠壓成形技術發展過程

我國的冷擠壓技術與日本的起步時間相當。70年代，我國曾在腳踏車、汽車電器等批量生產的產品中，推廣過冷擠壓生產工藝技術，也開發成功了啟動齒輪的擠壓成形，並投入批量生產。但由於未從根本上解決工藝、設備、材料、模具、潤滑、自動化裝置以及毛坯料的原始尺寸、原始狀態、後處理等一系列技術問題，因而未得到較大發展。80年代，隨著家電和汽車機車工業的迅速發展，對冷擠壓工藝設備及生產技術的引進、消化、吸收，科研人員通過生產實踐攻克了冷擠壓技術的不少難題與此同時冷鍛設備也有了較大發展。目前，我國己能用冷擠壓工藝生產表殼、腳踏車飛輪、中軸、精鍛齒輪、汽車用等速萬向節、內燃機用火花塞與活塞銷、汽車挺桿、照相機零件、汽車啟動器定向套筒、啟動齒輪等，且己達到國外同等水平。

冷擠壓技術的發展趨勢

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法朗。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。

冷溫擠壓的定義和分類

冷溫擠壓的定義

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。

冷溫擠壓的分類

根據擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向之間的關係，常用的擠壓方法可以分為以下幾類

(一)正擠壓 擠壓時，金屬的流動方向與凸橫的運動方向相一致。正擠壓又分為實心件正擠壓空心件正擠壓兩種。正擠壓法可以製造各種形狀的實心件和空心件，如螺釘、心軸、管子和彈殼等。

(二)反擠壓 擠壓時，金屑的流動方向與凸模的運動方向相反，反擠壓法可以製造各種斷面形狀的杯形件，如儀表罩殼、萬向節軸承套等。

(三)複合擠壓 擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模的運動方向相同，而另一部分金屑流動方向則與凸模的運動方向相反，複合擠壓法可以製造雙杯類零件，也可以製造杯桿類零件和桿桿類零件。

(四)減徑擠壓 變形程度較小的一種變態正擠壓法，毛坯斷面僅作輕度縮減。主要用於製造直徑相差不大的階梯軸類零件以及作為深孔杯形件的修整工序。

以上幾種擠壓的共同特點是：金屑流動方向都與凸模軸線平行，因此可統稱為軸向擠壓法。另外還有徑向擠壓和鐓擠法。

冷擠壓的主要矛盾

冷擠壓是在金屬冷態下，而且是在強烈的三向壓應力狀態下變形的，因此變形抗力較大，如以製造一個直徑38mm、厚5.6mm、高100mm的杯形低碳鋼零件為例，採用深拉伸方法加工。最後一次拉伸工序僅需變形力170KN而採用冷擠壓加工則需變形力1320KN。這時作用在凸模上的單位壓力達到2300MP以上,相當於大氣壓力的23000倍。

由於變形抗力高，所以就導致以下的缺點：

(1)模具易磨損，易破壞、因此要求模具材料好。目前一般模具鋼，其許用應力最大只能達2500MPa，最好的模具鋼也不超過3000MPa。為了解決冷擠壓的主要矛盾，就得採取各種技術措施，在盡力降低冷擠壓材料變形抗力的同時，設法提高模具的承受能力。以利於冷擠壓生產的順利進行。

2)對擠壓設備要求較高，噸位要大。除了要求擠壓設備應有較大的強度以外，還要求有較好的剛度。此外．還要求設備具有良好的精度並具有可靠的保險裝置。

冷擠壓和溫擠壓的比較：

冷擠壓雖有很多優點，但變形抗力大，就限制了零件的尺寸，同時也限制了變形抗力大的材料採用冷擠壓工藝。

熱擠壓成形法，雖然可以使材料變形抗力變小，但由於加熱，產生氧化、脫碳及熱膨脹等問題，降低了產品的尺寸精度和表面質量，因而一般都需要經過大量的切削加工，才能作為最後產品。

溫擠壓是將毛坯加熱到金屬再結晶溫度以下某個適當的溫度進行擠壓。由於金屬加熱，毛坯的變形抗力減小．成形容易，壓力機的噸位也可以減小，而且模具的壽命延長。但與熱擠壓不同，因為在低溫範圍內加熱，氧化、脫碳的可能性小，產品的機械性能與冷擠壓的產品也差別不大。特別是在室溫下難加工的材料，例如析出硬化相的不鏽鋼、高碳鋼、含鉻量高的—些鋼、高溫合金等，在溫擠壓時可能變成可以加工或容易加工。

溫擠壓不僅適用於變形抗力高的難加工材料，就是對於冷擠壓適宜的低碳鋼，也適合作為溫擠壓的對象，因為溫擠壓有便於組織連續生產的優點。在冷擠壓時，包括冷擠壓低碳鋼在內，一般在加工前要進行預先軟化退火，在各道冷擠壓工序之間也要進行退火處理。在冷擠壓以前要進行鈍化處理。這就使得組織連續生產產生困難。溫擠壓時可以不進行預先軟化退火和各工序之間的退火，也可以不進行表面處理，這就使得組織連續生產成為可能．至少可以減少許多輔助工序。

溫擠壓可以採用大的變形量，這樣就可以減少工序數目。模具費用也可以大為減少，而且不需要剛性極高的高價鍛壓設備，可以來用通用鍛壓設備，所以雖然溫擠壓需要加熱金屬，但是總的加工費用還是比較便宜，待別是在製造工序複雜的非軸對稱的異形部件時，溫擠壓尤可發揮它的作用。

目前，溫擠壓採用的潤滑劑還不能完全令人滿意。同時，也還缺乏加工方面的一些實際數據，還有許多技術問題有待解決。