1.9 冷挤压技术现状及发展方向

冷挤压加工的发展在初期是极其缓慢的，长期以来一直局限于铅和锡等几种较软的金属材料。18世纪末，法国人首先成功地冷挤压出铅棒。直到19世纪末20世纪初，才开始应用于锌、锡、纯铜、无氧铜及黄铜等，如冷挤压生产锡制牙膏管。英国于1886年开始运用于冷挤压加工，某一工厂先从加工软金属开始，后来逐步实现冷挤压比较坚硬的有色金属，如锌、铝、铜及其合金。1903年美国运用冷挤压制成薄壁黄铜管。随后，又采用预制成杯形坯料，然后再用正挤压的方法，成功地制成深孔杯形件。第一次世界大战期间，美国军火商采用这种挤压方法大批量生产黄铜弹壳。第一次世界大战后，德国用冷挤压方法可成批生产纯铝和纯锌电容器外壳等各种有色金属器件。

至于钢的冷挤压，美国曾企图通过冷挤压法生产钢质弹壳，经过较长时间的研制，但是最终还是未获成功。这是由于在钢在冷挤压时需要很大的压力，而在当时的工业条件下还不能找到能承受较大压力下的模具材料，也没有找到良好的润滑剂以及大吨位的冷挤压压力机等。这样很久以来，钢的冷挤压一直被认为是十分困难甚至是不可能的。因此，至1920年为止，还不能对钢零件进行冷挤压加工。后来在1921年德国制造出冷挤钢管专用压力机，经过近10年的艰苦试验，直到1931年冷挤压钢管才试制成功。但未正式投入生产，其原因也是由于钢冷挤压时，变形抗力过大，找不到合适的冷作模具钢材料和良好的润滑剂。直到20世纪40年代，冷挤压钢零件的新工艺才开始在德国首先得到应用。

当时，研究者认为，寻找一种合适的润滑方法比研究冷挤压成形工艺本身更为重要，并在方法及经费方面更为有利。早在1906年，英国人科斯利特（T.W.Coslett）发现采用磷酸盐对钢铁制件进行表面处理是一种理想的防锈方法。但由于这种工艺处理的工时太长，经济效益不显著，所以未被广泛应用。不过，这种防锈方法的出现对今后的研究工作有一定的影响。后来，在科斯利特处理法的基础上，人们经过工艺改进并研制出了一种磷酸锌防锈处理材料，这种处理方法在自动连续装置中只需2min就可完成，大大缩短了工艺处理时间，解决了生产上的关键问题。采用磷酸锌处理过的毛坯表面上附着脂肪润滑剂或肥皂水时，发现这种薄膜不易去除，且润滑性能也极其良好。在冷挤压钢方面，这个发现使人们找到了一种理想的表面润滑处理方法——磷化后再皂化处理法。这种表面处理方法，对钢的冷挤压工艺是一大创新，并一直沿用到现在。

第二次世界大战前夕，德国对弹壳的需求猛增，因当时黄铜原料不够，为了扩大弹壳的生产量，德国和美国都采用冷挤压成形方法制造钢制弹壳和弹体，并采用合金工具钢作为模具材料，成功地用冷挤压法生产了大批量的钢弹壳零件。

钢的冷挤压正式用于国民经济中各行业始于1947年。美国于1949年发表了关于各种钢材冷挤压前后力学性能的试验结果。德国于1950年发表了关于钢的冷挤压试验报告，得出了一些基本工艺的技术数据，并在1953年公布了关于钢的冷挤压力和挤压功的试验结果。日本于1957年引进专用冷挤压力机以后，在钟表等精密仪器工业中开始应用冷挤压加工。1990年后在法国及日本等国家开发和研制了微型零件冷镦挤技术。由于这种技术的经济效益极其显著，不久，便在大批量生产的汽车、电器及纺织等工业部门中得到了广泛的应用。现在，这种技术已在机械零件制造业中成为一种极重要的加工手段，并遍及国民经济的各个工业领域。

在我国，新中国成立前冷挤压加工技术是极端落后的。当时只有极少数工厂用铅、锡等有色金属挤压牙膏管、线材和管材等。新中国成立后，冷挤压加工技术得到了发展。20世纪50年代开始进行铝、铜及其合金的冷挤压；20世纪60年代因工业生产上需要，开始进行钢的冷挤压。近几年来，随着我国工业生产及现代科学技术的蓬勃发展，冷挤压技术也得到了迅猛发展。目前，已能对铅、锡、银、纯铜、无氧铜、黄铜、锡磷青铜、锌及其合金、纯铝、防锈铝、硬铝、锻铝、镍、可伐合金、坡莫合金、纯铁、普通碳素钢、低碳优质钢、中碳优质钢、碳素工具钢、低合金结构钢、轴承钢与不锈钢等金属材料进行冷挤压生产，甚至对高速钢等也可以进行一定变形量的冷挤压加工。现在可以制造的冷挤压件的品种是多种多样的，如各种台阶（或凸缘）轴类零件、空心轴类零件、杯形零件、双杯类零件、杯杆类零件、斜弯类零件、阶梯轴类零件、扁平及锥体类零件和齿形类零件等。

我国改革开放以来，引进了一些国外先进的模具钢种。在模具材料的使用方面，除了采用高碳高铬钼钢、高速钢、滚珠轴承钢、弹簧钢以外，还采用了不少新型模具钢以及硬质合金、基体钢、钢结硬质合金等。冷挤压模具的使用寿命已从一般可达5000～50000次增加到400000～5000000次。在模具结构设计方面，采用近代的最优化设计计算方法、CAD/CAM系统以及数字化技术和专家系统，在保证强度、刚度等要求的前提下，充分发挥了模具材料的潜力。在模具制造方面，采用先进的快速造型技术，并采用先进的五轴高速数控加工，既快又能精密地制得所需的冷挤压模具。在冷挤压压力机方面，我国已拥有各级吨位挤压压力机的独立设计和制造能力。现在，除了经常采用的冷挤压压力机、通用机械压力机、液压机之外，我国还成功地采用摩擦压力机与高速锤进行冷挤压生产。

冷挤压工艺的发展方向主要有以下几个方面：

1）进一步扩大冷挤压的应用，在一定范围内逐步代替铸造、锻造、拉深、旋压、摆辗及切削加工。

2）除了上述所指的金属材料以外，进一步扩大可供冷挤压用的材料种类。

3）在合理许可的范围内提高每次冷挤压工序的变形量。

4）满足冷挤压零件形状的复杂性，使之可以成形更复杂的，甚至外形不对称的零件。

5）延长冷挤压模具的使用寿命。

6）提高冷挤压的生产率。

7）在小批量生产中扩大冷挤压的使用。

8）先进的智能化、敏捷化与数字化等现代技术在冷挤压生产中得到进一步应用。

为了达到上述这些目的，今后应从以下几方面进行深入的研究。

1）研究冷挤压成形时金属流动规律及应力应变关系。

2）探索冷挤压变形中的摩擦规律，搞清楚外摩擦对冷挤压变形的影响。

3）进一步研究可靠的精密下料方法，提高冷挤毛坯的尺寸精度和重量偏差。

4）寻找比磷化皂化更简便、经济效益更高的表面润滑处理方法。

5）研制开发更好的模具钢新材料及其热加工工艺方法。

6）深入研究有限元、优化设计以及计算机辅助设计等现代设计计算方法，推导出更符合实际的单位挤压力计算公式，研制出更合理的模具结构。

7）继续探索模具结构的强度，寻找更可靠的检测方法，搞清凸模、凹模内部及表面的应力应变分布规律、凸模顶端表面应力与凹模内壁径向应力的关系。

8）继续开发、设计及制造多功能的冷挤压力机。

9）研究冷挤压大批量生产中采用的机械化、自动化装置及安全装置。

10）扩大冷挤压工艺，对于复杂外形的零件，除了镦挤、径向挤压及斜向挤压以外，发展冷模锻工艺的应用。

11）对于高合金钢及特殊合金零件，继续开展温挤压、静液挤压、高速挤压以及等温挤压等挤压新工艺新技术的研究。