冷锻加工技术进展及基本工序分类研究

冷锻加工技术进展及基本工序分类研究

基于冷压技术的发展，冷压技术已成为应用科学和独立制造技术的领域。本文总结了冷压加工的基本过程，介绍了冷压技术的知识结构。但是,文中对冷锻单一变形工序类的有关分类、定义及特点的分析比较清晰;而对冷锻复合变形工序类的构成划分比较粗糙,尚欠合理,需要加以修正。再者,20世纪末和21世纪初,国内外冷锻技术又有令人鼓舞的新发展,尤其是冷锻复合变形技术以及冷锻与其它加工方法相结合的复合加工技术有很多新进展。显然,研究冷锻基本工序的分类时,应该将相应的新内容考虑进去。为此,在分析冷锻技术发展过程、最新动向及其分类研究的基础上,本文提出一种更为完整、科学的冷锻工艺知识结构体系,试图为进一步发展冷锻加工的传统工艺、原创性新工艺、计算机辅助设计软件技术提供一种更为科学合理的参考依据。1铁钉生产技术的发展历程人类最早的加工制造方法是冷锻或冷压。日本学者认为中国古代的冷锻加工比埃及还早;根据文献给出的以下重要事例,可以概略了解冷锻加工的发展简史:公元前11世纪(我国殷朝时期),中国就已经用冷作方法制造了黄金箔。公元前11世纪～前7世纪(我国西周时期),中国用冷锻方法制作了铜铁器皿。公元前475～前221年(我国东周战国时期),中国用冷作方法制造了紫铜槌胎薄铜缶(容器)。公元前1世纪,凯尔特人在室温下利用模型把金锭压印成货币或装饰品。公元11世纪,中国冷锻出了又薄又轻、又韧又硬的防身器“瘊子甲”,并提出了金属塑性加工学说中的一个冷锻变形量控制定律。公元14世纪,俄罗斯制造出了银币。公元16世纪,法国、中国等出现了线材通过拉丝模的拉丝。我国明代嘉靖年间(1522～1566)就已经制造和应用了冷拔钢丝。把线材切断,将其头部镦粗制成铁钉的作业,大致已有几百年的历史。1830年,在法国开始了用机械压力机反挤压出铅管和锡管。1900年,美国人取得了铅、锌、铝、和黄铜等有色金属材料空心件正挤压方法的专利,并制造了黄铜的西服扣。第一次世界大战期间,美国用正挤压方法制造了黄铜弹壳。1935年,德国人采用了前一年发明的磷化处理方法和新润滑剂,使得他们用挤压的方法制造出了钢质子弹壳,成为二战时期的军事秘密,二战后才转向民用。1945年以后,冷锻生产中逐渐出现将基本工序(如镦锻、挤压、变薄拉深、模锻等)复合起来成形,如复合挤压、镦挤、挤缩镦以及一些新的冷锻工艺与设备,如静液挤压等。1953年召开了第一次国际冷锻学术会议,此后,每5年召开一次。1968年国际冷锻协会(ICFG)正式成立,现今一直在计划协调、统筹引导各国冷锻技术的研究发展。随后,很多国家相继成立了冷锻协会或学会。由此也标志着冷锻技术不再是从属于冲压或锻造技术之中了,已成为相对独立的应用科学和经济技术领域。现代冷锻技术有两个重要的发展方向:1970年以来,以有限元分析、上限元分析和其它数值方法为基础的过程模拟方法,正在冷锻技术应用,促进了冷锻技术的深入发展;1980年以来,由于计算机技术的进步,冷锻技术中的冷锻工艺过程最佳设计、冷锻模的优化设计、冷锻专家系统等计算机辅助设计有重要进展和可喜结果,且出现了不少可以用作分析、模拟、设计与应用的CAD/CAM/CAE软件。当然,近年来国内外不断在进行:对原有工艺的改进,包括润滑方法与润滑剂,如通过抛丸处理或激光粗化坯料表面然后用环保式润滑剂取代磷化皂化等;对新工艺的研发,包括自身的复合变形工艺以及与其它加工方法结合的复合加工技术等。由此表明,研发冷锻技术的本源内容,应视为现代冷锻技术发展的另一个重要方向。我国的现代冷锻技术,总体水平虽较先进工业化国家落后,但在某些方面进步较大甚至走在前列。仅从原创性工艺及技术理论方面的成果来看可以佐证这种认识。从上世纪50年代开始了钢的冷镦,铝、铜及其合金的冷挤;1958年开始了钢的冷挤研究并逐渐应用于生产;1981年提出了黑色金属冷挤压变形程度按等压原则选择的理论;1980～1990年发展了锥形件挤压和难变形金属的挤压,以及与精冲等冲压工序复合的冷锻复合加工技术;刚刚进入的21世纪里,提出了大型截止阀体的剪—挤成形,研发了带台阶槽型换向器整体冷锻—包含挤压、扩径、变薄、压入(槽)及闭式模锻等基本工序的复合冷锻变形等。2003年联合国科教组织的“产学研结合计划”在上海交通大学设立“冷锻技术讲席”。2基本工序组合冷锻加工现有的形式多种多样,内容十分丰富,需要对它进行系统化的研究。近半个多世纪以来,人们一直在对它进行某种分类的研究,其中比较突出的研究和进展有:前苏联在20世纪50年代初,提出冷锻(当时叫立体压制)加工包括压印、冲眼、压花、顶镦、精压、模锻(当时叫立体成形)和挤压(当时叫冷冲挤)8个组类。日本在20世纪70年代指出,冷锻包括镦锻、挤压、模锻和压印等组类,而镦锻可分镦粗、镦头和中间镦粗,挤压可分正挤、反挤和径向挤压、开式挤压和复合挤压,模锻包括开式和半闭式模锻,压印包括闭式模锻、压花、打印和平面精压,并提及了型锻。德国在1945年后,先是有一些基本的工艺,如冷挤压、缩管、顶镦、压缘、自由挤压工艺在应用。随之,冷模锻工艺也出现了。后便开始将这些“标准工艺”(即基本工序)结合起来成形较复杂形状的零件,并有了一些实例。国内从上世纪90年代末开始,提出冷煅加工基本工序分为单一变形工序和复合变形工序两大类,单一变形工序又分为镦锻、型锻、挤压、模锻、压印、整径和变薄7组,复合变形工序分为复合挤、缩扩、镦挤、镦缩、镦压和挤缩6组方法。对于复合变形工序,当时只考虑了两种基本工序的复合,应该还有3种、4种工序的复合。将冷锻基本工序划分为两大类的依据是,视冷锻变形过程中坯料的变形区及变形特点而进行的:单一变形工序类是,在冷锻设备的一次行程中,坯料只有一个变形区,实现一种基本变形;进而视变形的方式、方法分出7组,结果同上。而复合变形工序类是,坯料有两个以上变形区,实现多种基本变形;进而视变形区及基本变形的组合方式进行细分。由于冷锻复合变形除两种不同基本变形工序的复合外,还有两种相同基本变形工序的复合,以及3、4种以上基本工序的复合,且新近这类多种基本工序复合工艺冷锻件均有被研发出来的实例。因此,本文将上述复合变形工序类给以修正、细分为以下4组:复合挤压—除了常见的正、反挤压复合外,增加了坯料变形区可细分为几个部分,且各部分具有相同变形工序的并行挤压;其它二合一工序—有镦挤、镦压、缩扩等两种基本工序的复合;三合一工序—有正挤镦粗扩径、镦粗正挤闭式模锻等3种基本工序的复合;四合一以上工序—有正挤扩径镦粗压凹、挤扩镦压闭式模锻(如前一节提到的电机换向器整体冷锻)等4种以上基本工序的复合。3计算机数据库基于以上分析研究,在对全部冷锻加工基本工序划分为两类11组的框架下,提出一种更为完善的冷锻工艺知识结构体系,如图1所示。该工艺知识结构体系以冷锻基本工序为单元,涵盖了迄今全部冷锻加工工艺(当然也预留了今后的某种发展空间),实际上成为了建立计算机