冷挤压

冷挤压技术发展的初期是非常缓慢的,长期以来只对几种软金属(铅和锡)进行挤压。直到19纪末20世纪初,才开始挤压较硬的有色金属(锌、铝、紫铜、黄铜等)至于钢的挤压,由于冷挤压时需要很大的压力,在当时不能解决挤压钢用的模具材料、合适的润滑剂与大吨位的压力机等问题,长时间一直认为挤压钢是十分困难甚至是不可能的。

1906年,英国人科斯利特(T.W.coslett)发现用磷酸盐处理钢件制品是一种较理想的防锈方法,但工序繁多,而经济效益又差,故未被广泛采用。不过,这种防锈法的出现却极大地激发了人们去研究更简单而有效的新方法的积极性。到后来,用自动连续装置对钢毛坯进行磷酸锌防锈处理只需要两分钟。经磷酸锌处理过的毛坯表面附有脂肪润滑剂或钠皂薄膜,且这层薄膜不易脱落,挤压这种毛坯时,压力较小。这个发现使人们找到了一种理想的钢毛坯表面处理法一磷化皂化法。

磷化皂化处理钢毛坯表面方法的出现使钢的挤压成为可能。1934年,德国人采用磷化皂化法成功地冷挤出钢管。二次世界大战期间,德国人需要大量弹壳,当时黄铜又供应不足,于是德国人秘密试验用冷挤压生产钢弹壳、后来,采用合金工具钢作模具材料,用冷挤压成功地挤出大批量钢弹壳类零件。

第二次世界大战以后,美国人窃取了德国人关于钢的冷挤压的全部资料,开始在美国用冷挤压秘密生产军火,开办了很多生产钢弹壳和弹体的军工厂。钢的冷挤压于1947年才正式用于民用工业。美国于1949年发表了各种钢材冷挤压后机械性能的实验数据。德国于1950年、1953年先后公布了钢的冷挤压的基本技术数据及冷挤压力和挤压功的实验结果。

1957年,日本引进了专用冷挤压机,开始在精密仪器和仪表中采用冷挤压技术。日本见这种新技术经济效益显著,很快把这种技术用于制造汽车和电气制件。现已成为遍及各个工业部门的重要加工手段。

趋势

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。

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。

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。新昌轴承套圈的冷挤大面积应用是在邵银标工程主导下发展起来,目前国内轴承套圈的冷挤压成型占了较大份额。

国内发展

在我国,建国前的冷挤压加工是十分落后的,当时,仅有少数工厂用铅、锡等有色金属挤压牙膏管或线材、管材一类产品。

建国后,冷挤压技术得到了发展。50十年代开始了铝、铜及其合金的冷挤压;60年代黑色金属冷挤压已应用于生产。十年浩劫,极大地影响了冷挤压技术的发展。1978年以后,在"独立自主,自力更生"的伟大方针指引下,冷挤压技术得到了迅速发展。近几年来, 随着改革开放政策的进展,随着国家工业生产及科学技术的蓬勃发展,冷挤压技术也得到 了迅猛发展。

70年代末,国内不少高等学校、研究所和工厂开展了冷挤压技术的实验研究,发表了大量的有价值的论文,初步形成了一支研究和应用冷挤压技术的队伍。

制造的冷挤压件是各种各样的,最重可达30公斤,最轻只有1克。在模具材料使用方面,除了用高速钢、轴承钢、高碳高铬合金工具钢外,还采用了不少新型模具钢如CG2、65Nb、LD等。在挤压工艺参数选择和模具结构设计方面,初步采用了优化设计及计算机辅助设计与制造(即CAD/CAM),使模具结构更合理、挤压工艺参数更接近于实际。

科学的发展,对冷挤压技术产生了重大影响,具体地说就是计算机在工艺分析、模具设计、制造及工艺过程控制中的应用对冷挤压技术产生的影响。我国将进一步发展应用这门新技术。发展冷挤压技术主要应从以下几方面着手:

1、扩大冷挤压技术的应用范围,在一定范围内,逐步代替铸、锻、拉深及切削加工;

2、提高冷挤压制件的精度和表面质量,生产出几何形状更复杂的制件;

3、扩大冷挤压用的原材料种类,研究更理想的表面处理与润滑方法;

4、进一步使用CAD/CAM和优化设计,提高和加快模具设计与制造,研制出更合理的模具结构;

5、寻找更适合于冷挤压用的模具材料及其热处理方法,以延长模具的使用寿命;

6、进一步发展温热挤压、等温挤压、静液挤压及高速挤压等新工艺技术的研究和应用;

7、研制适合于冷挤压的多功能的冷挤压机,使毛坯和制件能安全自动地进料与出件,以便进一步提高生产率。

目前我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达8~9级,若采用理想的润滑可达(指纯铝和紫铜零件),仅次于精抛光表面。因此用冷挤压方法制造的零件,一般不需要再加工,少量的只需精加工(磨削)。

节约材料

冷挤压件材料利用率通常可以达到80%以上。如解放牌汽车活塞销动切削加工材料利用率为43.3%,而用冷挤压时材料利用率提高到92%;又如万向节轴承套改用冷挤压后,材料利用率由过去的27.8%提高到64%。可见,采用冷挤压方法生产机械零件,可以节约大量钢材和有色金属材料。

生产效率高

用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的,特别是生产批量大的零件,用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几百倍。例如,汽车活塞销用冷挤压方法比用切削加工制造提高3.2倍,当前又用冷挤压活塞销自动机,使生产率进一步提高。一台冷挤压自动机的生产率相当于100台普通车床或10台四轴自动车床的生产率。

适用面广

如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等,这些零件采用其它加工法难以完成,用冷挤压加工却十分方便。

强度高

由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性,即挤压过程中金属毛坯处于三向压应力状态,变形后材料组织致密、且具有连续的纤维流向,因而制件的强度有较大提高。这样就可用低强度材料代替高强度材料。例如过去采用20Cr钢经切削加工制造解放牌活塞销,现改用20号钢经冷挤压制造活塞销,经性能测定各项指标,冷挤压法高于切削加工法制造活塞销。

从以上特点,可以看出,冷挤压技术与当前各种加工方法比较,具有突出的优越性。这就为冷挤压代替切削加工、锻造、铸造和拉深工艺来制造机器零件,开辟了一条广阔的道路。

正挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向一致。正挤压可以制造各种形状的实心件和空心件。

反挤压

反挤压时,金属的流动方向与凸模的运动方向相反。反挤压可以获得各种形状的杯形件。

复合挤压

挤压时,毛坯一部分金属流动方向与凸模运动方向相同,而另一个部分金属流动方向与凸模运动方向相反。复合挤压可制得各种杯、杆、筒零件。

径向挤压

挤压时,金属的流动方向与凸模运动方向相垂直。径向挤压又可分为向心挤压和离心挤压,径向挤压用来制造斜齿轮、花键盘等零件。

锻压

锻压时,金属毛坯径向向外流动。镦压用于制造带法兰的轴类零件或凸缘的杯形零件。

正挤压、反挤压与复合挤压是冷挤压技术中应用最广泛的三种方法。它们的金属流动方向与凸模的轴线平行。因此,有不少资料上又称这三种方法为轴向挤压。如前所述,轴向挤压可以制得各种实心和空心零件,如球头销、梭心壳、弹壳等。径向挤压是当前十几年才发展起来的,主要用于通讯器材的号码盘、自行车的花键盘等。

以上是几种基本的冷挤压变形方式,随着冷挤压技术的发展,有时还将冷体积模锻等归属为冷挤压。冷挤压无论在汽车、拖拉机、轴承、电讯器材、仪表等机电制造中,还是在自行车、缝纫机等轻工业中,以及国防工业系统中都有广泛的应用,这是因为它具有明显的优点。

冷挤压件图根据零件图制订,以1:1比例绘制。其内容包括:

l、确定冷挤压压和进一步加工的工艺基准。

2、对于不经机械加工的部位,不加余量,应按零件图的技术要求直接给出公差,而对于需进行机械加工的部位,应按冷挤压可以达到的尺寸精度给出公差。

3、确定挤压压完成后多余材料的排除方式。

4、按照零件的技术要求及冷挤压可能达到的精度,确定表面粗糙度等级和形位公差值。

技术经济指标

为了确保冷挤压工艺方案在技术经济上的合理性和可行性,通常采用下述几个指标来衡量:

1、挤压件的尺寸 越大,所需设备吨位随之增大,采用冷挤压加工的困难性增加。

2、挤压件的形状 越复杂、变形程度越大,所需的冷挤压工序数目就越多。,

3、挤压件可达精度和表面粗糙度 它有一定限度。增加修整工序可提高挤压件精度。

4、挤压件的材料 材料影响挤压难度、许用变形程度。

5、挤压件费用 一般包含材料费、备料费、工具及模具制造费、冷挤压加工费及后续工序加工费等。这是一项综合指标,往往是决定工艺方案是否合理、可行的关键因素。

6、挤压件的批量 批量大时可以使总的成本降低。

对于上述几个指标进行全面分析、平衡之后,就可以选择一个最佳的工艺方案。最佳的工艺方案的具体标志是:采用尽可能少的挤压工序和中间退火次数,以最低的材料消耗、最高的模具寿命和生产效率,冷挤出符合技术要求的挤压件。冷挤压加工全过程应包含下料工序、预成形工序、辅助工序、冷挤压工序以及后续加工工序等。其中冷挤压工序的设计是制定冷挤压工艺方案的核心工作。