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前 言
冷擠壓成型是指所成型的零件達(dá)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(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。近幾年來，冷擠壓技術(shù)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(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本”的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)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(shù)已成為各企業(yè)繼續(xù)發(fā)展與開拓的重要指標(biāo)之一[2]。普遍認(rèn)為，一個國家的冷成形（冷擠壓、冷鍛、冷鐓及沖壓等）加工技術(shù)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(biāo)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(jī)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(jìn)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(jìn)行一定變形量的冷擠壓。在擠壓設(shè)備方面，我國已具備設(shè)計和制造各級噸位擠壓壓力機(jī)的能力。除采用通用機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、冷擠壓力機(jī)外，還成功地采用摩擦壓力機(jī)與高速高能設(shè)備進(jìn)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(yùn)動方向一致。正擠壓可以制造各種形狀的實(shí)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(yùn)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(fù)合擠壓 擠壓時，毛坯一部分金屬流動方向與凸模運(yùn)動方向相同，而另一個部分金屬流動方向與凸模運(yùn)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(fù)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(jī)梭芯。
1.2.4徑向擠壓 擠壓時，金屬的流動方向與凸模運(yùn)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(yùn)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(fù)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(diǎn)，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(jié)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(fù)合擠壓與減徑擠壓是冷擠壓方法中應(yīng)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(diǎn)
2.1冷擠壓工藝的優(yōu)點(diǎn)
2.1.1擠壓零件尺寸準(zhǔn)確表面光潔。目前我國研制的冷擠壓件一般尺寸精度可達(dá)8～9級，隴度一般可達(dá)，若采用理想的潤滑可達(dá)(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常可以達(dá)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%?？梢姡捎美鋽D壓方法生產(chǎn)機(jī)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(jī)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(jī)，使生產(chǎn)率進(jìn)一步提高。一臺冷擠壓自動機(jī)的生產(chǎn)率相當(dāng)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(fù)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(qiáng)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(qiáng)化特性，即擠壓過程中金屬毛坯處于三向壓應(yīng)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(qiáng)度有較大提高。這樣就可用低強(qiáng)度材料代替高強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)，冷擠壓法高于切削加工法制造活塞銷。
從以上特點(diǎn)，可以看出，冷擠壓技術(shù)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(jī)器零件，開辟了一條廣闊的道路。
2.2冷擠壓工藝的缺點(diǎn)
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(shí)用意義的是鋼的冷擠壓，其變形抗力高達(dá)2000MPa以上[3]。這樣的超高壓力，對模具材質(zhì)、結(jié)構(gòu)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(dá)3000MPa，模具易磨損、易破壞；雖然在模具材料和模具結(jié)構(gòu)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(guān)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(dá)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(zhǔn)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(jìn)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(shè)備要求較高 當(dāng)實(shí)施冷擠壓工藝過程時，除了要求冷擠壓設(shè)備應(yīng)有較大的強(qiáng)度以外，還要求有較好的剛度。此外，還要求設(shè)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(shè)計
冷擠壓時的單位及壓力很大，有時可能達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度的4到6倍甚至更高，遠(yuǎn)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(qiáng)度的限制，當(dāng)今所用的冷擠壓模具材料強(qiáng)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(dǎo)到壓力機(jī)工作臺面和壓力機(jī)機(jī)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(yīng)力卻是一個復(fù)雜的抗張、抗壓力和切應(yīng)力的聯(lián)合應(yīng)力[5]。由于工作應(yīng)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(shè)計者必須找出一個能承受和分配這種應(yīng)力和應(yīng)變的途徑。綜上所述，對于冷擠壓模具設(shè)計的基本要求如下：
（1） 冷擠壓模具部分的材料應(yīng)具有高強(qiáng)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(yīng)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(yīng)采用光滑的圓角過渡，以防止產(chǎn)生較大的應(yīng)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(shè)有厚實(shí)的經(jīng)淬硬的壓力墊板以承受壓力，擴(kuò)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(yīng)力作用，在強(qiáng)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(qiáng)度，冷擠壓凹模一般不采用整體式結(jié)構(gòu)，而采用施加預(yù)應(yīng)力的組合式結(jié)構(gòu)[12]，凸模有時也采用組合式結(jié)構(gòu)。
（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(qiáng)度和剛性。
4.1冷擠壓技術(shù)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(shù)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(jìn)行擠壓。直到19紀(jì)末20世紀(jì)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(dāng)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(jī)等問題，長時間一直認(rèn)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(jì)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?nèi)パ芯扛唵味行У男路椒ǖ姆e極性。到后來，用自動連續(xù)裝置對鋼毛坯進(jìn)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(dāng)時黃銅又供應(yīng)不足，于是德國人秘密試驗(yàn)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(guān)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(jī)械性能的實(shí)驗(yàn)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(shù)數(shù)據(jù)及冷擠壓力和擠壓功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1957年，日本引進(jìn)了專用冷擠壓機(jī)，開始在精密儀器和儀表中采用冷擠壓技術(shù)。日本見這種新技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，很快把這種技術(shù)用于制造汽車和電氣制件?，F(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(shù)發(fā)展趨勢
隨著能源危機(jī)的日趨嚴(yán)重，人們對環(huán)境質(zhì)量將更加關(guān)注，加之市場競爭日益加劇，促使鍛件生產(chǎn)向高效、高質(zhì)、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(xué)性能等都提出了較高的要求。如轎車發(fā)動機(jī)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(jìn)精化生產(chǎn)工藝的發(fā)展。
專業(yè)化、規(guī)?；慕M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(dāng)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(jī)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(yīng)用，多工位冷擠壓壓力機(jī)、精壓機(jī)及針對某種鍛件而設(shè)計制造的專機(jī)會得到大力發(fā)展。新昌軸承套圈的冷擠大面積應(yīng)用是在邵銀標(biāo)工程主導(dǎo)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。
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373-1, Guseong dong, Yuseong gu, Daejeon, 305-701, Korea.A study on chevron crack formation and evolution in a cold extrusion