冷鍛加工技術(shù)進(jìn)展及基本工序分類研究

冷鍛加工技術(shù)進(jìn)展及基本工序分類研究

基于冷壓技術(shù)的發(fā)展，冷壓技術(shù)已成為應(yīng)用科學(xué)和獨(dú)立制造技術(shù)的領(lǐng)域。本文總結(jié)了冷壓加工的基本過(guò)程，介紹了冷壓技術(shù)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。但是,文中對(duì)冷鍛單一變形工序類的有關(guān)分類、定義及特點(diǎn)的分析比較清晰;而對(duì)冷鍛復(fù)合變形工序類的構(gòu)成劃分比較粗糙,尚欠合理,需要加以修正。再者,20世紀(jì)末和21世紀(jì)初,國(guó)內(nèi)外冷鍛技術(shù)又有令人鼓舞的新發(fā)展,尤其是冷鍛復(fù)合變形技術(shù)以及冷鍛與其它加工方法相結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù)有很多新進(jìn)展。顯然,研究冷鍛基本工序的分類時(shí),應(yīng)該將相應(yīng)的新內(nèi)容考慮進(jìn)去。為此,在分析冷鍛技術(shù)發(fā)展過(guò)程、最新動(dòng)向及其分類研究的基礎(chǔ)上,本文提出一種更為完整、科學(xué)的冷鍛工藝知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,試圖為進(jìn)一步發(fā)展冷鍛加工的傳統(tǒng)工藝、原創(chuàng)性新工藝、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件技術(shù)提供一種更為科學(xué)合理的參考依據(jù)。1鐵釘生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展歷程人類最早的加工制造方法是冷鍛或冷壓。日本學(xué)者認(rèn)為中國(guó)古代的冷鍛加工比埃及還早;根據(jù)文獻(xiàn)給出的以下重要事例,可以概略了解冷鍛加工的發(fā)展簡(jiǎn)史:公元前11世紀(jì)(我國(guó)殷朝時(shí)期),中國(guó)就已經(jīng)用冷作方法制造了黃金箔。公元前11世紀(jì)～前7世紀(jì)(我國(guó)西周時(shí)期),中國(guó)用冷鍛方法制作了銅鐵器皿。公元前475～前221年(我國(guó)東周戰(zhàn)國(guó)時(shí)期),中國(guó)用冷作方法制造了紫銅槌胎薄銅缶(容器)。公元前1世紀(jì),凱爾特人在室溫下利用模型把金錠壓印成貨幣或裝飾品。公元11世紀(jì),中國(guó)冷鍛出了又薄又輕、又韌又硬的防身器“瘊子甲”,并提出了金屬塑性加工學(xué)說(shuō)中的一個(gè)冷鍛變形量控制定律。公元14世紀(jì),俄羅斯制造出了銀幣。公元16世紀(jì),法國(guó)、中國(guó)等出現(xiàn)了線材通過(guò)拉絲模的拉絲。我國(guó)明代嘉靖年間(1522～1566)就已經(jīng)制造和應(yīng)用了冷拔鋼絲。把線材切斷,將其頭部鐓粗制成鐵釘?shù)淖鳂I(yè),大致已有幾百年的歷史。1830年,在法國(guó)開始了用機(jī)械壓力機(jī)反擠壓出鉛管和錫管。1900年,美國(guó)人取得了鉛、鋅、鋁、和黃銅等有色金屬材料空心件正擠壓方法的專利,并制造了黃銅的西服扣。第一次世界大戰(zhàn)期間,美國(guó)用正擠壓方法制造了黃銅彈殼。1935年,德國(guó)人采用了前一年發(fā)明的磷化處理方法和新潤(rùn)滑劑,使得他們用擠壓的方法制造出了鋼質(zhì)子彈殼,成為二戰(zhàn)時(shí)期的軍事秘密,二戰(zhàn)后才轉(zhuǎn)向民用。1945年以后,冷鍛生產(chǎn)中逐漸出現(xiàn)將基本工序(如鐓鍛、擠壓、變薄拉深、模鍛等)復(fù)合起來(lái)成形,如復(fù)合擠壓、鐓擠、擠縮鐓以及一些新的冷鍛工藝與設(shè)備,如靜液擠壓等。1953年召開了第一次國(guó)際冷鍛學(xué)術(shù)會(huì)議,此后,每5年召開一次。1968年國(guó)際冷鍛協(xié)會(huì)(ICFG)正式成立,現(xiàn)今一直在計(jì)劃協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌引導(dǎo)各國(guó)冷鍛技術(shù)的研究發(fā)展。隨后,很多國(guó)家相繼成立了冷鍛協(xié)會(huì)或?qū)W會(huì)。由此也標(biāo)志著冷鍛技術(shù)不再是從屬于沖壓或鍛造技術(shù)之中了,已成為相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用科學(xué)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)代冷鍛技術(shù)有兩個(gè)重要的發(fā)展方向:1970年以來(lái),以有限元分析、上限元分析和其它數(shù)值方法為基礎(chǔ)的過(guò)程模擬方法,正在冷鍛技術(shù)應(yīng)用,促進(jìn)了冷鍛技術(shù)的深入發(fā)展;1980年以來(lái),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,冷鍛技術(shù)中的冷鍛工藝過(guò)程最佳設(shè)計(jì)、冷鍛模的優(yōu)化設(shè)計(jì)、冷鍛專家系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有重要進(jìn)展和可喜結(jié)果,且出現(xiàn)了不少可以用作分析、模擬、設(shè)計(jì)與應(yīng)用的CAD/CAM/CAE軟件。當(dāng)然,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不斷在進(jìn)行:對(duì)原有工藝的改進(jìn),包括潤(rùn)滑方法與潤(rùn)滑劑,如通過(guò)拋丸處理或激光粗化坯料表面然后用環(huán)保式潤(rùn)滑劑取代磷化皂化等;對(duì)新工藝的研發(fā),包括自身的復(fù)合變形工藝以及與其它加工方法結(jié)合的復(fù)合加工技術(shù)等。由此表明,研發(fā)冷鍛技術(shù)的本源內(nèi)容,應(yīng)視為現(xiàn)代冷鍛技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。我國(guó)的現(xiàn)代冷鍛技術(shù),總體水平雖較先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家落后,但在某些方面進(jìn)步較大甚至走在前列。僅從原創(chuàng)性工藝及技術(shù)理論方面的成果來(lái)看可以佐證這種認(rèn)識(shí)。從上世紀(jì)50年代開始了鋼的冷鐓,鋁、銅及其合金的冷擠;1958年開始了鋼的冷擠研究并逐漸應(yīng)用于生產(chǎn);1981年提出了黑色金屬冷擠壓變形程度按等壓原則選擇的理論;1980～1990年發(fā)展了錐形件擠壓和難變形金屬的擠壓,以及與精沖等沖壓工序復(fù)合的冷鍛復(fù)合加工技術(shù);剛剛進(jìn)入的21世紀(jì)里,提出了大型截止閥體的剪—擠成形,研發(fā)了帶臺(tái)階槽型換向器整體冷鍛—包含擠壓、擴(kuò)徑、變薄、壓入(槽)及閉式模鍛等基本工序的復(fù)合冷鍛變形等。2003年聯(lián)合國(guó)科教組織的“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合計(jì)劃”在上海交通大學(xué)設(shè)立“冷鍛技術(shù)講席”。2基本工序組合冷鍛加工現(xiàn)有的形式多種多樣,內(nèi)容十分豐富,需要對(duì)它進(jìn)行系統(tǒng)化的研究。近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),人們一直在對(duì)它進(jìn)行某種分類的研究,其中比較突出的研究和進(jìn)展有:前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代初,提出冷鍛(當(dāng)時(shí)叫立體壓制)加工包括壓印、沖眼、壓花、頂鐓、精壓、模鍛(當(dāng)時(shí)叫立體成形)和擠壓(當(dāng)時(shí)叫冷沖擠)8個(gè)組類。日本在20世紀(jì)70年代指出,冷鍛包括鐓鍛、擠壓、模鍛和壓印等組類,而鐓鍛可分鐓粗、鐓頭和中間鐓粗,擠壓可分正擠、反擠和徑向擠壓、開式擠壓和復(fù)合擠壓,模鍛包括開式和半閉式模鍛,壓印包括閉式模鍛、壓花、打印和平面精壓,并提及了型鍛。德國(guó)在1945年后,先是有一些基本的工藝,如冷擠壓、縮管、頂鐓、壓緣、自由擠壓工藝在應(yīng)用。隨之,冷模鍛工藝也出現(xiàn)了。后便開始將這些“標(biāo)準(zhǔn)工藝”(即基本工序)結(jié)合起來(lái)成形較復(fù)雜形狀的零件,并有了一些實(shí)例。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)90年代末開始,提出冷煅加工基本工序分為單一變形工序和復(fù)合變形工序兩大類,單一變形工序又分為鐓鍛、型鍛、擠壓、模鍛、壓印、整徑和變薄7組,復(fù)合變形工序分為復(fù)合擠、縮擴(kuò)、鐓擠、鐓縮、鐓壓和擠縮6組方法。對(duì)于復(fù)合變形工序,當(dāng)時(shí)只考慮了兩種基本工序的復(fù)合,應(yīng)該還有3種、4種工序的復(fù)合。將冷鍛基本工序劃分為兩大類的依據(jù)是,視冷鍛變形過(guò)程中坯料的變形區(qū)及變形特點(diǎn)而進(jìn)行的:單一變形工序類是,在冷鍛設(shè)備的一次行程中,坯料只有一個(gè)變形區(qū),實(shí)現(xiàn)一種基本變形;進(jìn)而視變形的方式、方法分出7組,結(jié)果同上。而復(fù)合變形工序類是,坯料有兩個(gè)以上變形區(qū),實(shí)現(xiàn)多種基本變形;進(jìn)而視變形區(qū)及基本變形的組合方式進(jìn)行細(xì)分。由于冷鍛復(fù)合變形除兩種不同基本變形工序的復(fù)合外,還有兩種相同基本變形工序的復(fù)合,以及3、4種以上基本工序的復(fù)合,且新近這類多種基本工序復(fù)合工藝?yán)溴懠斜谎邪l(fā)出來(lái)的實(shí)例。因此,本文將上述復(fù)合變形工序類給以修正、細(xì)分為以下4組:復(fù)合擠壓—除了常見的正、反擠壓復(fù)合外,增加了坯料變形區(qū)可細(xì)分為幾個(gè)部分,且各部分具有相同變形工序的并行擠壓;其它二合一工序—有鐓擠、鐓壓、縮擴(kuò)等兩種基本工序的復(fù)合;三合一工序—有正擠鐓粗?jǐn)U徑、鐓粗正擠閉式模鍛等3種基本工序的復(fù)合;四合一以上工序—有正擠擴(kuò)徑鐓粗壓凹、擠擴(kuò)鐓壓閉式模鍛(如前一節(jié)提到的電機(jī)換向器整體冷鍛)等4種以上基本工序的復(fù)合。3計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)基于以上分析研究,在對(duì)全部冷鍛加工基本工序劃分為兩類11組的框架下,提出一種更為完善的冷鍛工藝知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,如圖1所示。該工藝知識(shí)結(jié)構(gòu)體系以冷鍛基本工序?yàn)閱卧?涵蓋了迄今全部冷鍛加工工藝(當(dāng)然也預(yù)留了今后的某種發(fā)展空間),實(shí)際上成為了建立計(jì)算機(jī)