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前 言 冷擠壓成型是指所成型的零件達到或接近成品零件的形狀和尺寸 1 它是在 傳統(tǒng)的金屬塑性加工基礎上發(fā)展起來的一項新技術 近幾年來 冷擠壓技術是 各行各業(yè)得到迅速發(fā)展的新工藝之一 也是產(chǎn)品零件加工中的重要手段 與其 它制造工藝 如切削加工 鑄造 鍛造 相比 它具有 優(yōu)質 高產(chǎn) 低消耗 低成本 的優(yōu)點 目前 在汽車 電子通信 輕工 建筑 航空航天 軍工 日用五金等制造業(yè)中都起著極為重要的作用 1 尤其是21世紀的零件制造業(yè)中 我國加入 WTO 后 產(chǎn)品價格的市場競爭日益劇烈 冷擠壓技術已成為各企業(yè)繼 續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標之一 2 普遍認為 一個國家的冷成形 冷擠壓 冷 鍛 冷鐓及沖壓等 加工技術水平 是這個國家汽車工業(yè)水平 工業(yè)化水平乃 至現(xiàn)代化水平的一種重要標志和反映 1 冷擠壓基本概念 1 1冷擠壓加工簡介 冷擠壓就是把金屬毛坯放在冷擠壓模腔中 在室溫下 通過壓力機上固定的 凸模向毛坯施加壓力 使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形而制得零件的加工方法 1 目 前 我國已能對鉛 錫 鋁 銅 鋅及其合金 低碳鋼 中碳鋼 工具鋼 低 合金鋼與不銹鋼等金屬進行冷擠壓 甚至對軸承鋼 高碳高鋁合金工具鋼 高 速鋼等也可以進行一定變形量的冷擠壓 在擠壓設備方面 我國已具備設計和 制造各級噸位擠壓壓力機的能力 除采用通用機械壓力機 液壓機 冷擠壓力 機外 還成功地采用摩擦壓力機與高速高能設備進行冷擠壓生產(chǎn) 1 2 冷加壓加工的分類 1 1 2 1 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 以制造各種形狀的實心件和空心件 如螺釘 芯軸 頂桿 支架 管子 套管 彈殼及襯套等 1 2 2 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 空 心 工 件 如 罩 殼 外 殼 套 筒 套 管 屏 蔽 罩 及 燈 座 等 1 2 3 復 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 這是正擠壓和反擠壓組合在 一起的一種擠壓方法 復合擠壓方法可以制造雙杯類零件 如汽車活塞銷 4 也可以制造杯桿類零件 如縫紉機梭芯 1 2 4 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 制 造 斜 齒 輪 花 鍵 盤 等 零 件 1 2 5 減 徑 擠 壓 它 是 變 形 程 度 較 小 的 一 種 變 態(tài) 正 擠 壓 法 毛 坯 截 面 僅 作 輕 度 的 縮 減 減 徑 擠 壓 主 要 用 于 制 造 直 徑 差 不 大 的 階 梯 軸 類 零 件 以 及 作 為 深 孔 杯 形 件 的 修 整 工 序 1 2 6 斜 向 擠 壓 擠 壓 時 金 屬 的 流 動 方 向 傾 斜 或 彎 曲 于 凸 模 的 運 動 方 向 斜 向 擠 壓 主 要 用 于 制 造 具 有 傾 斜 或 彎 曲 枝 芽 的 各 種 復 雜 形 狀 零 件 1 2 7 鐓 擠 法 變 形 時 金 屬 的 流 動 具 有 擠 壓 和 鐓 粗 的 特 點 即 一 部 分 金 屬 沿 凸 模 軸 向 流 動 另 一 部 分 金 屬 則 沿 徑 向 流 動 2 它 是 冷 鐓 與 冷 擠 壓 相 結 合 的 一 種 成 形 方 法 稱 為 鐓 擠 法 鐓 擠 法 主 要 用 于 制 造 大 頭 類 零 件 及 階 梯 軸 類 零 件 正 擠 壓 反 擠 壓 復 合 擠 壓 與 減 徑 擠 壓 是 冷 擠 壓 方 法 中 應 用 最 廣 的 四 種 成 形 方 法 這 四 種 方 法 的 金 屬 流 動 方 向 都 與 凸 模 的 軸 線 平 行 因 此 又 統(tǒng) 稱 為 軸 向 冷 擠 壓 2 冷 擠 壓 工 藝 的 特 點 2 1 冷 擠 壓 工 藝 的 優(yōu) 點 2 1 1 擠 壓 零 件 尺 寸 準 確 表 面 光 潔 目前我國研制的冷擠壓件一般尺寸精度 可達 8 9 級 隴度一般可達 若采用理想的潤滑可達 指純鋁和紫銅零件 僅 次于精拋光表面 2 因此用冷擠壓方法制造的零件 一般不需要再加工 少量 的只需精加工 磨削 2 1 2 節(jié) 約 原 材 料 冷擠壓件材料利用率通?？梢赃_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(jié)軸承套改用冷擠壓后 材料利用率由過去的 27 8 提高到 64 可見 采用冷擠壓方法生產(chǎn)機械零件 可以節(jié)約大量鋼材和有色金屬材料 2 1 3 生 產(chǎn) 率 高 用 冷 擠 壓 方 法 生 產(chǎn) 機 械 零 件 的 效 率 是 非 常 高 的 特 別 是 生 產(chǎn) 批 量 大 的 零 件 用 冷 擠 壓 方 法 生 產(chǎn) 可 比 切 削 加 工 提 高 幾 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 制 造 提 高 3 2 倍 目 前 又 用 冷 擠 壓 活 塞 銷 自 動 機 使 生 產(chǎn) 率 進 一 步 提 高 一 臺 冷 擠 壓 自 動 機 的 生 產(chǎn) 率 相 當 于 100 臺 普 通 車 床 或 10 臺 四 軸 自 動 車 床 的 生 產(chǎn) 率 2 1 4 可 加 工 形 狀 復 雜 的 零 件 如 異 形 截 面 內(nèi) 齒 異 形 孔 及 盲 孔 等 這 些 零 件 采 用 其 它 加 工 法 難 以 完 成 用 冷 擠 壓 加 工 卻 十 分 方 便 所 示 的 零 件 能 方 便 的 擠 出 2 1 5 冷 擠 壓 件 強 度 高 剛 性 好 而 重 量 輕 由 于 冷 擠 壓 采 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 于 三 向 壓 應 力 狀 態(tài) 變 形 后 材 料 組 織 致 密 且 具 有 連 續(xù) 的 纖 維 流 向 因 而 制 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 采 用 20Cr 鋼 經(jīng) 切 削 加 工 制 造 解 放 牌 活 塞 銷 現(xiàn) 改 用 20 號 鋼 經(jīng) 冷 擠 壓 制 造 活 塞 銷 經(jīng) 性 能 測 定 各 項 指 標 冷 擠 壓 法 高 于 切 削 加 工 法 制 造 活 塞 銷 從以上特點 可以看出 冷擠壓技術與目前各種加工方法比較 具有突出 的優(yōu)越性 這就為冷擠壓代替切削加工 鍛造 鑄造和拉深工藝來制造機器零 件 開辟了一條廣闊的道路 2 2 冷擠壓工藝的缺點 2 2 1 變形抗力高 冷擠壓時 被擠壓材料的變形抗力較高 其中最有實用意 義的是鋼的冷擠壓 其變形抗力高達 2000MPa 以上 3 這樣的超高壓力 對模 具材質 結構以及加工制造等提出了更高的要求 2 2 2 模具壽命短 由于冷擠壓模具承受著很大的單位壓力作用 最高可達 3000MPa 模具易磨損 易破壞 雖然在模具材料和模具結構等方面采用了很多 有效的措施 但與沖壓模具相比 其使用壽命還是不高的 據(jù)有關資料統(tǒng)計 正擠壓用的鋼制凸模平均壽命為 2 萬件左右 凹模為 3 萬件左右 8 而沖裁或 拉深的模具壽命一般高達 10 萬件以上 2 2 3 對毛坯的要求較高 冷擠壓加工時對毛坯的要求比其他金屬塑性成形加 工工藝都高 否則 會是模具受到損壞 對與冷擠壓毛坯 除了要求毛坯具有 準確的幾何形狀和較高的尺寸精度外 還要求再冷擠壓變形之前對毛坯進行一 定的軟化退火處理及表面潤滑處理 2 2 4 對冷擠壓設備要求較高 當實施冷擠壓工藝過程時 除了要求冷擠壓設 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 精度并具有可靠的保險裝置 3 1 冷擠壓模具設計 冷擠壓時的單位及壓力很大 有時可能達到材料抗拉強度的 4 到 6 倍甚至更 高 遠超一般金屬塑性加工時的單位壓力 在冷擠壓過程中 單位及壓力大小 主要是受模具強度的限制 當今所用的冷擠壓模具材料強度最高為 2500 到 3000MPa 如果超過這個值 模具就將被破壞 或降低模具壽命 由此可見 冷 擠壓模具的工作條件極其惡劣 7 所以 為了確保模具的正常工作和使用壽命 模具必須能耐靜態(tài)高壓 耐沖擊 經(jīng)受得住工件和模具表面之間的摩擦 同時 要耐疲勞 作用在模具上的壓力必須引導到壓力機工作臺面和壓力機機架上 雖然金屬在壓縮下發(fā)生塑性變形 但是模具中的工作應力卻是一個復雜的抗張 抗壓力和切應力的聯(lián)合應力 5 由于工作應力很高 模具承載時將會產(chǎn)生明顯 的彈性變形 因此 模具設計者必須找出一個能承受和分配這種應力和應變的 途徑 綜上所述 對于冷擠壓模具設計的基本要求如下 1 冷擠壓模具部分的材料應具有高強度 高硬度 高耐磨性 一定的韌性以 及良好的熱硬性 熱穩(wěn)定性 耐熱疲勞性等性能 并應選用合適的加工方法和 熱處理規(guī)范 2 模具工作部分的過渡處應采用光滑的圓角過渡 以防止產(chǎn)生較大的應力集 中而開裂 造成模具的早期失效 11 3 模具工作部分上下底板之間一定要設有厚實的經(jīng)淬硬的壓力墊板以承受壓 力 擴大承壓面積 使從凸?；虬寄鱽淼母邏毫Φ玫捷^大程度的緩和 防止 壓壞上下底板 6 4 冷擠壓時 凹模內(nèi)腔要受到很大的徑向應力作用 在強度不足時就會發(fā)生 切向破裂 為了提高模具工作部分的強度 冷擠壓凹模一般不采用整體式結構 而采用施加預應力的組合式結構 12 凸模有時也采用組合式結構 5 上下底板一般不采用鑄鐵材料制造 而采用足夠厚度的中碳鋼經(jīng)鍛造或直 接用鋼板制成 以保證模具具有較高的強度和剛性 4 1 冷擠壓技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向 4 1 冷擠壓的發(fā)展概況 冷 擠 壓 技 術 發(fā) 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 于 鋼 的 擠 壓 由 于 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(fā) 現(xiàn) 用 磷 酸 鹽 處 理 鋼 件 制 品 是 一 種 較 理 想 的 防 銹 方 法 但 工 序 繁 多 而 經(jīng) 濟 效 益 又 差 故 未 被 廣 泛 采 用 不 過 這 種 防 銹 法 的 出 現(xiàn) 卻 極 大 地 激 發(fā) 了 人 們 去 研 究 更 簡 單 而 有 效 的 新 方 法 的 積 極 性 到 后 來 用 自 動 連 續(xù) 裝 置 對 鋼 毛 坯 進 行 磷 酸 鋅 防 銹 處 理 只 需 要 兩 分 鐘 經(jīng) 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(fā) 現(xiàn) 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(xiàn) 使 鋼 的 擠 壓 成 為 可 能 1934 年 德 國 人 采 用 磷 化 皂 化 法 成 功 地 冷 擠 出 鋼 管 9 二 次 世 界 大 戰(zhàn) 期 間 德 國 人 需 要 大 量 彈 殼 當 時 黃 銅 又 供 應 不 足 于 是 德 國 人 秘 密 試 驗 用 冷 擠 壓 生 產(chǎn) 鋼 彈 殼 后 來 采 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(zhàn) 以 后 美 國 人 竊 取 了 德 國 人 關 于 鋼 的 冷 擠 壓 的 全 部 資 料 開 始 在 美 國 用 冷 擠 壓 秘 密 生 產(chǎn) 軍 火 開 辦 了 很 多 生 產(chǎn) 鋼 彈 殼 和 彈 體 的 軍 工 廠 鋼 的 冷 擠 壓 于 1947 年 才 正 式 用 于 民 用 工 業(yè) 美 國 于 1949 年 發(fā) 表 了 各 種 鋼 材 冷 擠 壓 后 機 械 性 能 的 實 驗 數(shù) 據(jù) 德 國 于 1950 年 1953 年 先 后 公 布 了 鋼 的 冷 擠 壓 的 基 本 技 術 數(shù) 據(jù) 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 采 用 冷 擠 壓 技 術 日 本 見 這 種 新 技 術 經(jīng) 濟 效 益 顯 著 很 快 把 這 種 技 術 用 于 制 造 汽 車 和 電 氣 制 件 現(xiàn) 已 成 為 遍 及 各 個 工 業(yè) 部 門 的 重 要 加 工 手 段 3 2 冷 擠 壓 技 術 發(fā) 展 趨 勢 隨 著 能 源 危 機 的 日 趨 嚴 重 人 們 對 環(huán) 境 質 量 將 更 加 關 注 加 之 市 場 競 爭 日 益 加 劇 促 使 鍛 件 生 產(chǎn) 向 高 效 高 質 精 化 節(jié) 能 節(jié) 材 方 向 發(fā) 展 因 此 用 擠 壓 成 形 等 工 藝 手 段 所 生 產(chǎn) 的 精 化 鍛 件 的 產(chǎn) 量 在 市 場 競 爭 中 將 得 到 較 大 的 發(fā) 展 汽 車 向 輕 型 化 高 速 度 平 穩(wěn) 性 方 向 發(fā) 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(fā) 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 于 八 克 10 新 產(chǎn) 品 的 高 要 求 將 促 進 精 化 生 產(chǎn) 工 藝 的 發(fā) 展 專 業(yè) 化 規(guī) 模 化 的 組 織 生 產(chǎn) 仍 是 冷 擠 壓 生 產(chǎn) 的 發(fā) 展 方 向 和 趨 勢 在 法 國 以 擠 壓 成 形 工 藝 生 產(chǎn) 鍛 件 的 專 業(yè) 廠 家 1991 1994 年 全 員 勞 動 生 產(chǎn) 率 即 每 人 生 產(chǎn) 擠 壓 件 的 產(chǎn) 量 及 產(chǎn) 值 均 高 于 一 般 生 產(chǎn) 模 鍛 件 或 者 自 由 鍛 件 的 廠 家 以 1994 年 為 例 專 業(yè) 廠 家 擠 壓 件 人 均 產(chǎn) 量 為 51024KG 創(chuàng) 產(chǎn) 值 775688 法 郎 而 同 期 一 般 性 生 產(chǎn) 模 鍛 件 的 廠 家 其 人 均 產(chǎn) 量 僅 為 39344KG 產(chǎn) 值 592384 法 郎 僅 相 當 于 擠 壓 件 專 業(yè) 生 產(chǎn) 廠 家 的 77 1 和 76 37 自 由 鍛 件 生 產(chǎn) 廠 與 之 相 比 則 更 低 擠 壓 專 機 將 成 為 一 種 發(fā) 展 趨 勢 隨 著 中 小 型 鍛 件 的 精 化 生 產(chǎn) 發(fā) 展 及 冷 擠 壓 溫 擠 壓 工 藝 的 推 廣 應 用 多 工 位 冷 擠 壓 壓 力 機 精 壓 機 及 針 對 某 種 鍛 件 而 設 計 制 造 的 專 機 會 得 到 大 力 發(fā) 展 新 昌 軸 承 套 圈 的 冷 擠 大 面 積 應 用 是 在 邵 銀 標 工 程 主 導 下 發(fā) 展 起 來 目 前 國 內(nèi) 軸 承 套 圈 的 冷 擠 壓 成 型 占 了 較 大 份 額 參 考 文 獻 1 洪 慎 章 冷 擠 壓 實 用 技 術 北 京 機 械 工 業(yè) 出 版 社 2004 2 賈 俐 俐 擠 壓 工 藝 及 模 具 北 京 機 械 工 業(yè) 出 版 社 2004 3 傅仕偉 王珉 左敦穩(wěn) 冷擠壓孔抗疲勞增壽機理與試驗研究 J 航空工藝技術 1998 4 劉長珍 唐有乾 李立 開縫襯套冷擠壓孔工藝 J 航空制造技術 2000 5 馮文杰 陳瑩瑩 陳碧楠 矩形花鍵軸冷擠壓模具的失效形式分析 機械設計與制造 2008 6 宋鵾 馮文杰 楊濤 等 弧齒錐齒輪冷擠壓齒形凹模使用壽命 重慶工學院學報 自 然 科學版 2008 7 高錦張 陳文琳 賈俐俐 塑性成形工藝與模具設計 第二版 北京 機械工業(yè)出版社 2008 8 上海交通大學冷擠壓技術編寫組 冷擠壓技術 上海 上海人民出版社 1976 9 洪深澤 冷擠壓工藝及模具設計 合肥 安徽科學技術出版社 1985 10 楊長順 冷擠壓模具設計 北京 國防工業(yè)出版社 1994 11 馮寶偉 胡江東 日本汽車零件的冷鍛技術 鍛壓機械 1998 12 謝建新 劉靜安 金屬擠壓理論與技術 北京 冶金工業(yè)出版社 2001 13 CHUL S LEE and ROBERT M CADDELL Department of Mechanical Engineering University of Michigan Ann Arbor Mich U S A Cold Extrusion and Cold Drawing of Polymeric Rod The Influence on Subsequent Tensile and Compressive Mechanical Properties 14 C S LEE R M CADDELL and A G ATKINS Department of Mechanical Engineering The University of Michigan Ann Arbor Mich U S A Heat Treatment of Cold Extruded Polycarbonate Some Implications for Design Engineers 15 Jun Seok Choi Hyun Chul Lee and Yong Taek Im National Research Laboratory for ComputerAided Materials Processing Department of Mechanical Engineering KAIST 373 1 Guseong dong Yuseong gu Daejeon 305 701 Korea A study on chevron crack formation and evolution in a cold extrusion