国内外冷挤压技术发展综述

Abstract: Cold extrusion as an advanced technology can not only reduce production costs, increase productivity, but also improve the strength of the product. It has been widely used at home and abroad, especially in key parts of machinery and automobiles. China’s machinery and automobile manufacturing started relatively late, technology accumulation and products research and development relatively backward, manufacturing rely mainly on experience to complete．In recent years, as China’s reform and opening up, with the vigorous development of the national industrial production and science, the development of cold extrusion technology is also extremely fast. Finite element simulation software is playing an increasingly important role in the process of analysis, design and evaluation. 

1. 冷挤压的特点

冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺相比，可以节材 30% ~ 50%，节能 40% ~ 80%，而且能够提高锻件质量，改善作业环境。二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现，更拓展了其发展空间。日本1980年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%~ 40%是采用冷锻工艺生产的，近年来生产的新型轿车则每车平均使用42kg 的冷锻件。美国等国家的轿车生产中，每车平均使用40kg的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷锻生产工艺技术已逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。

冷挤压工艺的优点：

（l）节约原材料。冷挤压加工是利用金属的塑性变形制成所需形状的零件，因而能大量减少切削加工，提高材料的利用率。冷挤压材料的利用率一般可达到80%以上。

（2）提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造机械零件，能使生产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍。

（3）制件可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷挤压零件的精度可达IT7~ IT8级， 表面粗糙度可达 Ra0.2~l.6。因此，用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工，只需在要求特别高的场合适当进行精磨。

（4）提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化，以及在零件内部形成合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。此外，合理的冷挤压工艺可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。因此，某些原需热处理强化的零件用冷挤压工艺后可省去热处理工艺，有些零件原需用强度较高的钢材制造，用冷挤压工艺后就可用强度较低的钢材代替。

（5）可加工形状复杂、难以切削加工的零件。如异形截面、复杂的内腔、内齿及表面看不见的内槽等。

（6）降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零件的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点，从而使零件成本大大降低。

冷挤压工艺的缺点：

（1）对模具要求高。冷挤压时毛坯在模具中受三向压应力而使变形抗力显著增大，这使模具所受的应力远比一般冲压模大。冷挤压钢材时，模具所受的应力常达2 000MPa ~ 2 500MPa。模具除需要具有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐磨性。此外，金属毛坯在模具中强烈的塑性变形，会使模具温度升高至 250~ 300℃左右，因而，模具材料需有一定的回火稳定性。由于上述情况，冷挤压模具的寿命远低于冲压模。要使冷挤压工艺进一步推广，必须从模具设计、模具材料及模具制造工艺等方面设法提高模具的寿命。

（2）需用大吨位的压力机。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至几千吨的压力机。

（3）由于冷挤压的模具成本高，一般只适用于大批量生产的零件。

（4）毛坯在挤压前需进行表面处理。这不但增加了工序，需占用较大的生产面积，而且难于使生产自动化。

（5）不适用于高强度材料加工。

（6）冷挤压零件的塑性、冲击韧性差，而且零件的残余应力大，这会引起零件变形和耐腐蚀性的降低（产生应力腐蚀）。

2. 冷挤压技术的发展过程

自1890年代，法国人率先用冷挤压方法成功挤压出铅棒始，直至进入20世纪，纯铜、黄铜、无氧铜、锌以及锡等金属的挤压才开始应用。1903年美国成功的运用冷挤压方法将黄铜坯料挤压成薄壁的管型件。随后，在预制成杯形坯料的基础上，成功的运用正挤压方法，将半成品的杯形件挤压成深孔杯形件。一战期间，美国军火制造商用冷挤压的方法大批量生产黄铜材料的弹壳。一战后，德国采用冷挤压方法将纯铝和纯锌等有色金属挤压成电器产品外壳等金属器件，美国曾试图将钢用冷挤压的方法挤压成弹壳，但最终未能取得成功。后来德国在1921年制造出冷挤压钢管专用的挤压机，之后又经过长达10年不懈试验，直到1931年才成功试制出冷挤压钢管。但因为冷挤压时变形抗力过大，基于当时没有合适的模具材料和润滑剂，所以未能正式投入生产。当时的研究者即认为，找到合适的润滑方式是冷挤压成形的关键所在。

早在20世纪初，英国人T.W.Coslett就发现用磷酸盐处理过的钢制品表面不容易生锈，但由于磷酸盐工艺的处理时间相对较长，没有明显的经济效益，所以未能得到广泛的应用。后来，在这种磷酸盐处理法的基础之上，T.W.Coslett又经过无数次的实验改进，研制出了处理的效率比较高新型磷酸锌防锈蚀材料，只需2min就能完成，生产上的关键问题得到了解决。在毛坯经过磷酸锌处理后，发现其表面上附着不易去除且润滑性能特别良好的脂肪润滑剂或肥皂薄膜。这个突破性的发现，使人们找到了一种冷挤压黑色金属的表面润滑处理方法—磷化、皂化处理技术。这种磷化、皂化的表面处理方法，让钢的冷挤压工艺向前进了一大步，这种方法被一直沿用到现在。

二战前夕，因为战争的需要，德国和美国同时开始了冷挤压钢制弹壳的研究开发，最终用冷挤压的方法成功的制造出了钢制弹壳。1935年，德国成功开发钢材的磷化处理工艺，为钢制零件的冷挤压成形创造了条件，并于1955年将冷挤压技术用于汽车锻件的生产。1960年代日本汽车工业的成长，为冷挤压技术的发展创造了有利的条件。1933年，日本会田株式会社生产了日本第一台2 000kN PK型肘杆式精压机以来，到目前为止，已生产了2 000多台PK系列压力机。随着汽车工业的发展，对高精度压力机的要求愈加迫切，会田株式会社又研制成功了各种锻造压力机，如1972年的CFT 系列多工序压力机，1979年的肘杆式K系列精压机和1988年的FMX系列压力机。同时，日本小松研制了以高精度和易于操作为目标的L1C、L2C系列冷锻成形压力机，其吨位为1 600kN ~ 20 000kN，具有变形小而坚固的直闭式机身，最适合冷（温）挤压加工。

日本1970年代已成功冷挤压启动离合器齿轮、传动轴花键、交流发电机磁极铁芯等冷挤压零件，1980年代，又成功冷挤大型高精度等速圆球外座圈、内座圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精零件。日本冷挤压技术已经成为净形或者近似净形加工技术，在世界上处于领先地位，它带给日本汽车零件锻造企业很高的利润，为日本机械制造业做出了很大贡献。

我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当。1970年代，我国曾在自行车、汽车电器等批量生产的产品中，推广过冷挤压生产工艺技术，也开发成功了启动齿轮的挤压成形，并投入批量生产。但由于未从根本上解决工艺、设备、材料、模具、润滑、自动化装置以及毛坯料的原始尺寸、原始状态、后处理等一系列技术问题，因而未得到较大发展。1980年代，随着家电和汽车摩托车工业的迅速发展，对冷挤压工艺设备及生产技术的引进、消化、吸收，科研人员通过生产实践攻克了冷挤压技术的不少难题，与此同时，冷锻设备也有了较大发展。国内涌现了天津自行车飞轮厂（现天津飞轮有限公司）、信阳内燃机配件厂（现信阳银光机械有限责任公司）、株洲火花塞厂（现株洲湘火炬火花塞有限责任公司）、天津汽车锻造厂、南京曲轴连杆厂、上海汽车电器厂、重庆转向器厂等具有代表性的厂家，在冷挤压技术应用方面卓有成效，其中有些厂还从德国、日本引进了冷挤压压力机。

目前，我国已能用冷挤压工艺生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻齿轮、汽车用等速万向节、内燃机用火花塞与活塞销、汽车挺杆、照相机零件、汽车启动器定向套筒、启动齿轮等，且已达到国外同等水平。

3. 冷挤压几种工艺组合形式及其主要应用范围

3.1 几种工艺组合形式

（1）圆棒→切断→退火→磷化皂化润滑处理→冷挤压→切削→磷化皂化润滑处理→冷挤压。对某些复杂的零件，为了保证终锻件质量和模具寿命，需作多次退火、磷化皂化润滑处理和预锻成形，以制备终锻前的预制坯。

（2）圆棒→切断→温挤压→磷化皂化润滑处理→冷挤压。该工艺是正在发展的温挤压预制坯技术，目的是先使金属达到产品的近似净形，然后用冷挤压进行终成形，以提高精度。这样，可以减少采用冷成形制造预制坯的工序数。该工艺需添置感应加热装置，并应控制氧化皮的生成。

（3）板材→冲压→磷化皂化润滑处理→冷挤压。这是利用板材一次冲压成形制坯，原则上比利用棒材成形制坯节约能源，典型实例是生产发电机转子磁极铁芯。

（4）圆棒→镦粗→磷化皂化处理→冷挤压。这是用圆棒镦粗成形生成预成形件，可以用冷挤压，也可以用热锻。

（5）铸造→磷化皂化润滑处理→冷挤压。用铸件作预制坯，再冷挤压成形。吉林工业大学附属工厂在生产某一端带端面齿形，另一端有六个凸起的农机零件时，采用铸钢毛坯，然后温挤压成形。制造汽车差速器行星伞齿轮时，也可采用铸钢件作为预制毛坯，然后进行热锻终成形。

冷挤压技术的发展趋势： 

（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，将促进冷挤压等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。以法国为例，以挤压成形工艺生产锻件的专业厂家全员劳动生产率，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。

（4）专用挤压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用挤压机将会得到大力发展。