冷鍛定義及概念
1、 冷鍛定義
冷鍛（cold forging），又叫冷體積成形，是一種制造工藝也是一種加工方法。與沖壓加工工藝基本上一樣，冷鍛加工也是由材料、模具和設(shè)備三要素構(gòu)成。只是沖壓加工中的材料主要是板材，而冷鍛加工中的材料主要是圓盤線材。日本（JIS）叫冷間鍛造（簡稱冷鍛），中國（GB）叫冷鐓，外面螺絲廠喜歡叫打頭。
2、 冷鍛的基本概念
冷鍛是指金屬的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的各種體積成形。從金屬學(xué)的理論可知，各種金屬材料的再結(jié)晶溫度有所不同；T再=（0.3～0.5）T熔。鐵金屬和非鐵金屬的最低再結(jié)晶溫度。即使在室溫或常溫的條件下鉛、錫的成形加工都不能稱作冷鍛，而是熱鍛了。但是鐵、銅、鋁在常溫下成形加工就可稱作冷鍛。
在金屬學(xué)上，材料加熱到再結(jié)晶溫度（鋼約是700℃）以上進(jìn)行的鍛造稱為熱鍛。
對(duì)于鋼質(zhì)鍛件，將再結(jié)晶溫度以下且高于常溫的鍛造叫溫鍛。
圖1 鍛造溫度與通常的名稱
02
冷鐓（擠）的優(yōu)點(diǎn)
緊固件成形工藝中，冷鐓（擠）技術(shù)是一種主要加工工藝。冷鐓（擠）屬于金屬壓力加工范疇。在生產(chǎn)中，在常溫狀態(tài)下，對(duì)金屬施加外力，使金屬在預(yù)定的模具內(nèi)成形，這種方法通常叫冷鐓。
任何緊固件的成形，不單就是冷鐓一種變形方式能實(shí)現(xiàn)，它在冷鐓過程中，除了鐓粗變形外，還伴隨有正、反擠壓、復(fù)合擠壓、沖切、輾壓等多種變形方式。因此，生產(chǎn)中對(duì)冷鐓的叫法，只是一種習(xí)慣性叫法，更確切地說應(yīng)該叫做冷鐓（擠）。
冷鐓（擠）的優(yōu)點(diǎn)很多，它適用于緊固件的大批量生產(chǎn)。它的主要優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：
鋼材利用率高：冷鐓（擠）是一種少、無切削加工方法，如加工桿類的六角頭螺栓、圓柱頭內(nèi)六角螺釘，采用切削加工方法，鋼材利用率僅在25%～35%，而用冷鐓（擠）方法，它的利用率可高達(dá)85%～95%，僅是料頭、料尾及切六角頭邊的一些工藝消耗。
生產(chǎn)率高：與通用的切削加工相比，冷鐓（擠）成型效率要高出幾十倍以上。
機(jī)械性能好：冷鐓（擠）方法加工的零件，由于金屬纖維未被切斷，因此強(qiáng)度要比切削加工的優(yōu)越得多。
適于自動(dòng)化生產(chǎn)：適宜冷鐓（擠）方法生產(chǎn)的緊固件（也含一部分異形件），基本屬于對(duì)稱性零件，適合采用高速自動(dòng)冷鐓機(jī)生產(chǎn)，也是大批量生產(chǎn)的主要方法。
總之，冷鐓（擠）方法加工緊固件、異形件是一種綜合經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)高的加工方法，是緊固件行業(yè)中普遍采用的加工方法，也是一種在國內(nèi)外廣為利用、很有發(fā)展的先進(jìn)加工方法。
03
冷鐓工序
一般來說，冷鍛成形是通過多種工序的組合來獲得零件最終的形狀。圖2是冷鍛的一個(gè)例子。坯料切斷后，軸桿正擠壓，杯筒反擠壓，杯筒正擠壓，鐓粗，沖孔，管的正擠壓等組合而成。
分成多工序加工是為了避免一次成形時(shí)的過大壓力。由于工序越少成本就越低，降低成形壓力減少工序數(shù)量是工序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。
圖2 冷鍛成形工藝的樣例
04
冷鍛主要加工方法的概述
圖3a是外側(cè)面不受模具約束的自由鐓粗。加工壓力隨著摩擦約束而增加，變形時(shí)坯料高度H大于直徑D0時(shí)（H/D0＞1.0），C=1.2左右，可是當(dāng)坯料變薄后C將上升到2.5左右。
當(dāng)壓下率增加時(shí)，如圖4所示，在外周面斜方向和縱向?qū)a(chǎn)生裂紋。裂紋的發(fā)生取決于材料的延展性，為此需要使用專門為冷鍛制造的材料當(dāng)壓下率增加時(shí)，圖3給出了各種鐓粗成形時(shí)的約束系數(shù)的大小。
圖3 鐓粗時(shí)的約束系數(shù)
圖4 鐓粗裂紋
自由鐓粗中，當(dāng)坯料的初期高度是直徑的2倍以上時(shí)，如圖5所示，由于材料失穩(wěn)而導(dǎo)致坯料的折彎，從而形成折疊缺陷。為了預(yù)防材料的失穩(wěn)，通常使用圖6形狀的模具進(jìn)行預(yù)備成形。
圖5 失穩(wěn)
圖6 防止失穩(wěn)的預(yù)備鐓粗
如圖7所示，半密閉鍛造成形是通過產(chǎn)生飛邊增加模腔內(nèi)的壓力，促進(jìn)材料充滿的一種方法。當(dāng)飛邊部分被壓縮時(shí)，約束系數(shù)C會(huì)增大到6.0～9.0，飛邊的厚度要盡量控制在必要的厚度以上。圖8是使用半密閉鍛造進(jìn)行冷鍛成形的例子。
圖7 飛邊模鍛的最終階段
圖8 半密閉鍛造產(chǎn)品
軸桿擠壓是使材料直徑縮小的加工方法，通常叫做正擠壓。軸桿的擠壓，可以分為圖9那樣的將坯料放入模具中進(jìn)行擠壓的模內(nèi)約束擠壓，及圖13b所示的自由擠壓。自由擠壓應(yīng)用于加工度小的成形中。
(a)模內(nèi)擠壓 (b) 自由擠壓
圖9 軸桿正擠壓
如圖10所示，容易產(chǎn)生內(nèi)部開裂。軸桿擠壓的最后階段材料的流動(dòng)處于非定常狀態(tài)，如圖11所示，容易產(chǎn)生中心空洞或者裂紋。
圖10 芯部擠壓開裂 圖11 非定常擠壓缺陷
杯筒的擠壓是在坯料外徑被模具約束的同時(shí)，把沖頭擠入材料形成帶底的圓筒零件，是冷鍛中最常用的方法。
通常擠壓沖頭擠入材料，材料流動(dòng)方向與沖頭的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以稱為反擠壓，不過也有沖頭不動(dòng)通過擠壓材料成形圓筒零件的正擠壓方法。圖12所示。
圖12 杯殼反擠壓
高強(qiáng)度不銹鋼零件（SUS630）
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成形工序
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冷鍛紋理流動(dòng)圖
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硬度測試
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高壓感應(yīng)接頭端口（sensor port）
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復(fù)合驅(qū)動(dòng)的冷鍛方法
如圖2所示，一般來說冷鍛成形需要多個(gè)工序，這主要是考慮到使用一個(gè)工序成形時(shí)模具的壓力過大。高的模具面壓不僅會(huì)使模具產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，同時(shí)還會(huì)引起模具的彈性變形導(dǎo)致鍛件成品精度的下降。
最近開發(fā)的齒輪冷鍛工藝，如果使用通常的鍛造方法，需要很高的成形壓力來完成齒形部分的充滿。為了用盡可能少的工序來鍛造齒輪，需要使用具有復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能的閉塞鍛造或者分流鍛造方法。
圖15是閉塞鍛造原理與錐齒輪鍛造。把坯料放入上下模具形成的模腔中，通過上下沖頭對(duì)材料實(shí)行壓縮變形。
材料與沖頭的接觸面積幾乎保持不變材料被擠向半徑方向，與半密閉鍛造中壓縮飛邊相比，能大幅成形力。
使用該方法需要除了要求上下沖頭的運(yùn)動(dòng)和合模力之外，還需要特別設(shè)計(jì)的模架裝置。通過密閉鍛造方法，成功生產(chǎn)出了如錐齒輪，等速萬向節(jié)。
圖15 閉塞鍛造的原理與錐齒輪的鍛造
分流鍛造的原理是在材料流動(dòng)的主方向和反方向都設(shè)計(jì)有供材料流動(dòng)的空間，從而降低鍛造壓力。
圖16a那樣反擠壓時(shí),在前面也設(shè)計(jì)一個(gè)擠壓出口的方法叫做棄軸法，圖16b是為了把材料流向外側(cè)的齒形部，而同時(shí)在材料的內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)空洞使材料同時(shí)產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的流動(dòng)，既所謂的設(shè)孔法。
(a)軸法 (b)設(shè)孔法
(a)凸軸成形 (b)分流鍛
圖16使用分流鍛造成形的斜齒輪
利用該方法通過采用復(fù)合動(dòng)作的模具，被應(yīng)用于齒輪的鍛造，根據(jù)材料流動(dòng)的特點(diǎn)稱該方法為分流鍛造法。近年來，使用該方法并通過利用模具的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，成功開發(fā)了斜齒輪的精密鍛造。
06
冷鍛產(chǎn)品的加工計(jì)算方法
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