冷挤压设备现状及发展[1]

冷挤压设备现状及发展

0前言

近几年来，随着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。不少高等学校、研究所和工厂都开展了冷挤压技术的实验研究，其成果已广泛应用于现代制造业。

1 冷挤压设备及相关技术的现状

1.1冷挤压精锻成形技术现状

冷精锻工艺的生产率比切削加工要高几倍到几十倍，材料利用率达70%—80%。冷精锻件尺寸精度高、表面质量好、机械性能好，这是热锻所无法比拟的。国外已较普遍采用冷精锻工艺生产低碳钢、中碳钢和合金钢零件，重量由几克到5千多克。冷精锻件的形状多种多样，如齿轮、齿条、同步齿圈、花键轴等。采用冷精锻工艺成形小模数行星伞齿轮的技术也日趋成熟。采用冷锻工艺（冷挤压成形或冷摆辗成形）生产的模数小于4的行星伞齿轮，其齿形精度可达DIN6级。

中国-江苏森威集团股份有限公司掌握了多工位冷锻生产技术，批量生产自行车、摩托车、汽车精锻件，已形成年产3000t冷锻件的能力。长春一汽汽车工艺研究所已熟练掌握汽车轮胎螺母和花键轴的冷挤压成形，并且正式向外转让技术。中国现在已可以生产1600~10000kN的各种型号冷挤压设备。

美国National公司是世界上生产多工位冷锻机的研究中心。现在又将具有5—6工位的冷锻机研制成“成形中心”，具有很大的柔性，既能适应锻件不同形状、不同高度，也能适应工序间工件翻转和多台阶加工。利用这种“成形中心”可以加工各种各样的紧固件以及其他较为复杂的带凸缘或带孔的挤压件，它完全由微机处理，由可编程控制器自动控制，换模时间仅需几十秒钟。德国舒勒公司生产X系列单工位冷挤压机、KB系列多工位立式冷挤压机、GB系列多工位卧式冷挤压机。

1.2 冷挤压设备现状

随着冷挤压工艺的日趋成熟和发展，与其相应的冷挤压设备也在不断更新和完善。为了满足冷挤压工艺的需要，冷挤压设备的结构性能必需满足其工艺对设备力能特性和速度特性的要求。在挤压设备方面，中国已具备设计和制造各级吨位挤压压力机的能力。除采用通用机械压力机、液压机、冷挤压力机外，还成功地采用摩擦压力机与高速设备进行冷挤压生产。

1.2.1 通用曲柄压力机除能进行落料、冲孔、浅拉延等工作,也可以进行冷挤压，但当挤压力较大时往往出现电动机功率不足，即能量不够，刚度较差等缺点。另外通用曲柄压力机没有专门的顶料机构。

1.2.2一般说来，曲柄压力机主要适用于冷挤压中、小型零件，所需压力和行程均较小，而要求生产率较高，批量较大，对于挤压行程较长、压力较大的零件则采用液压机较为合理。液压机的工作介质大都用油，少数用乳化液。液压机的主要优点是行程能在整个较长行程上得到相同压力，可提高冷挤压零件的精度；主要缺点是行程次数小，生产率较低。液压机的结构，大都采用四柱式，也有采用框架式焊接床身，另加导轨，后者的刚度较高，有利于提高冷挤压零件的精度。为提高普通液压机的行程次数，目前已经出现了新型的适用冷挤压的快速液压机。

1.2.3 对于机械压力机，由于带动滑块运动的曲柄连杆机构，其速度总是按正弦曲线的规律变化，故无法获得适合冷挤压工艺要求的理想速度曲线。既要发挥机械压力机生产率高的优点，又要获得合乎冷挤压工艺所需的力能特性和速度特性，则必须改变传统的曲柄连杆机构。因此，出现了专门适用于冷挤压工艺的肘杆式压力机。

最适合冷挤压的肘杆机构是六杆机构。它仅在曲柄连杆机构上增加了两个构件，然而却增加了机构工作特性的可变因素。调整或改变任何一杆的长度或曲柄和摆杆铰销之间的距离，将会改变这个机构的动力和运动特性。因此，在应用肘杆机构使之适合冷挤压工艺要求方面有很大的选择范围，可以通过多方案比较，选择适合冷挤压的力能特性以及符合理想速度曲线的机构型式和参数。与曲柄连杆机构相比，在冷挤压设备中采用肘杆机构，具有能保证冷挤工件的质量、提高生产效率和模具寿命等优点。

根据用户需要，肘杆冷挤压力机按传动型式分，有上传动和底传动；按床身型式分，有立式和卧式。轻工行业和军工部门等因素，往往需要底传动或卧式的冷挤压力机。济南铸锻机械研究所曾研制开发了卧式肘杆冷挤压力机和具有拉力肘杆的底传动肘杆冷挤压力机。然而，较多的用户需要立式、上传动型式的肘杆冷挤压力机。其采用的肘机构主要有如下三种类型：

（1）等长肘杆机构

等长肘杆机构的上、下肘杆等长且短而粗。三根肘轴起传递力的作用，均受到很高的挤压力。肘瓦镶在肘杆及滑块的凹面上，工作时承受很大的比压。该肘杆机构结构紧凑，加工简单，装配方便。但其接触面较多，累积误差大，对机构的刚性有一定的影响。等长肘杆机构的滑块行程和工作行程很小，工作时滑块在下死点有瞬时保压时间，适用于公称力大、工作行程小的平面及体积较大的盘形零件的冷挤压。

（2）“球头”式不等长肘杆机构

“球头”式不等长肘杆机构的上、下肘杆不等长，其下肘杆两端为半圆柱形，类似“球头”结构。两根肘轴理论上不受剪力和弯矩，只起连接、支承作用。“球头”式不等长肘杆机构的结构并不复杂，其刚性较好，且有一定的增力作用。这种肘杆机构对需要中等公称力行程及受力较大的冷挤压工艺比较适用。

（3）三角形连杆肘杆机构

三角形连杆指与上、下肘杆连接的曲柄连杆为一三角形状，前面介绍的两种肘杆机构的上、下肘杆是由一根中肘轴直接与连杆相连。而该机构是通过四根肘轴将上、下肘杆，连杆及上、滑块连接在一起。工作时，四根肘轴都承受很大的弯矩和剪力，故轴径较大，而且必须选用高强度优质合金钢材料。该结构的连接环节较多，但由于采用串轴式结构，肘瓦为整体，装配时无需配研，故加工和维修比较方便。但累积误差相对较大，刚性也受到一定的影响。三角形连杆肘杆机构的最大优点是，既可增大滑块的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，适合于要求滑块行程及工作行程较大、受力也大的冷挤压工艺。

2冷挤压设备及相关技术的发展

2.1．冷挤压相关技术的发展

2.1.1 冷、温精锻复合成形技术

世界上正在发展温、冷挤压复合成形工艺。汽车用交流发电机转子工件外径φ90mm，可以通过四次温挤、五次冷挤成形而获得，生产率高。φ60mm直径的汽车差速器伞齿轮可能通过冷镦头、温成形、冲孔、冷精整获得高精度的产品，齿厚公差为+0.005，齿间误差为0.01—0.03mm。汽车均速联轴节每件重1—2.5千克，最大规格为110mm，经过4—5道温挤（正挤、镦粗、冲边、反挤、成形），然后再冷成形两次，可获得高精度的产品，其滚道公差可达0.04—0.08mm，大大减小了联轴节间隙及工作时的噪声。

中国-江苏森威集团股份有限公司也在着手进行温、冷挤压复合成形工艺方面的工作，先用温挤压预成形，再用冷挤压终成形可获得非常满意的加工质量及良好的经济效果。挤压成形件的重量为50—500克，工件直径φ20—120mm，长20—200mm。

2.1.2冷温锻复合工艺的开发研究

冷温锻技术在欧洲已被广泛应用于汽车制造业，温度范围通常为750～850℃，材料屈服应力大致下降1/3，这就可显著减小挤压时模具所受的压力，同时可显著提高材料变形程度，减少工序和中间处理次数，并可应用于冷锻难于加工的材料。采用先温锻后冷锻的复合工艺可得到单用冷锻所能达到的尺寸精度和表面粗糙度，同时能减少工序数目，并可使用小吨位的压力机。

目前，需要加强高精度复杂形状及难成形材料零件的冷温精密成形工艺开发。对于形状复杂难成形材料的零件，冷锻成形工艺的主要技术难点是要优化以下参数：①模具承受的压力；②摩擦条件；

③材料流动情况和速度。实现以上条件的主要手段是开发应用变形模拟技术和工艺模具设计制造的CAD/CAM/CAE技术。轿车的发动机、传动轴、变速箱、转向器中的弧齿锥齿轮、差速器齿轮、轿车轴、输入轴、离合器齿轮等二十余种零件已实现无切削冷锻件的大量生产。

2.2 冷挤压设备的发展

2.2.1 开发新型的冷温锻造压力机和自动化传送设

备

冷温锻造压力机，尤其是带传送装置的多工位冷温锻造压力机发展较快。美国的国民公司、德国的舒勒公司、日本的小松及会田公司等能提供整套冷温锻造工艺技术和生产线装备。其设备具有工作行程较长、滑块运动速度合理精度高、滑块设有温度补偿系统等特性。

2.2.2 改进模具制造技术、提高模具寿命

用于冷温精密成形的模具，工作负荷大，磨损

快，除研究开发更好的模具材料外，还应开发研究应用

PVD和CVD技术。对于温锻成形的模具还要开发无污染的白色润滑剂和冷却液。中国模具寿命和国外差

距较大，今后应着重开发研究。模具精密加工技术和装备，精密模具测量技术和装备也是制约冷温锻造工

艺技术发展的主要因素之一。

3 对未来的展望

目前，人们已能对铅、锡，铝、铜、锌及其合金、低碳钢、中碳钢、工具钢、低合金钢与不锈钢等金属进行冷挤压，甚至对轴承钢、高碳高铝合金工具钢、高速钢等也可以进行一定变形量的冷挤压。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，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，将有利于进一步发展应用冷挤压技术。展望未来，冷挤压技术及设备应有以下几方面的特点：

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

（2）温热挤压、等温挤压、静液挤压及高速挤压等新工艺技术的应用；

(3) 冷挤压用的原材料种类扩大，表面处理与润滑方法更理想；

(4) 冷挤压机功能更多，毛坯和制件能安全自动地进料与出件，生产率进一步提高。