冷鍛工藝之鐓鍛與型鍛

■ 盧險(xiǎn)峰

掃碼了解更多

冷鍛基本工序名目繁多，20年前筆者給出的構(gòu)成框圖，將其分為單一變形工序與復(fù)合變形工序兩大類。其中，單一變形工序按其坯料的變形方式、方法歸總為七組：鐓鍛、型鍛、擠壓、模鍛、壓印、整徑與變薄。本文先對(duì)前兩種基本工序作些簡(jiǎn)要介紹。

圖1 鐓鍛示意

一、鐓鍛

冷鐓鍛的定義：利用冷鍛設(shè)備施給的壓力，在冷鍛模具工作零件—沖頭與凹模之間，使金屬坯料的整體或其一部分由軸向壓縮轉(zhuǎn)為橫向明顯擴(kuò)展的一種冷鍛加工方法。其特點(diǎn)是坯料的橫截面積增大。

依據(jù)坯料變形部位不同及沖頭、凹模工作部分形狀相應(yīng)的不同，鐓鍛可分為: 鐓粗（整體鐓鍛），如圖1a、圖1b 所示；頂鐓（鐓頭），如圖1c、圖1d所示；中間鐓粗，如圖1e、圖1f 所示。

各種鐓鍛方法可加工出不同的冷鍛產(chǎn)品零件，就連日常生活中時(shí)?？梢姷穆菽浮⒙葆?、鉚釘及雙頭螺栓類零件，也都要分別經(jīng)鐓粗、鐓頭及中間鐓粗而成形。

現(xiàn)今鐓鍛加工中，整體鐓粗是先制備（切斷） 好坯料，然后鐓鍛成形的。而頂鐓與中間鐓粗，多為先將棒料、線材鐓鍛成形，再行切斷而獲取工件。如在使用某些自動(dòng)鐓鍛機(jī)進(jìn)行頂鐓或中間鐓粗（包括多道鐓鍛成形工序） 的加工過程中，最后工序才是切斷。

1. 鐓粗

（1）鐓粗變形的特點(diǎn) 鐓粗，即整體鐓鍛，是使整個(gè)坯料由軸向壓縮轉(zhuǎn)為橫向擴(kuò)展的一種鐓鍛工序。且從變形實(shí)質(zhì)上來看，其是鐓鍛加工中最為典型的基本工序。不僅如此，模鍛、擠壓等工序中也都含有鐓粗變形。

如圖1a所示，高度為H。直徑為D0的坯料，在沖頭與凹模間被軸向壓縮為高度H、直徑為D的工件，這就是鐓粗變形的示意。也稱此為自由鐓粗。

鐓粗過程中，雖然整個(gè)坯料參與變形，全為變形區(qū)，但在各個(gè)部位上變形是不均勻的。鐓粗變形劃分三個(gè)區(qū)位的理論及其各個(gè)區(qū)域主應(yīng)力分布簡(jiǎn)圖模型，可參見有關(guān)圖書資料。

對(duì)于鐓粗變形的度量，有兩個(gè)參數(shù)是這樣定義的：

①高徑比：坯料的高度H0與直徑D0之比，記為

②鐓粗率：鐓粗前后高度變化與原始高度之比，記為

鐓粗率εH是一種相對(duì)應(yīng)變，是對(duì)鐓粗變形程度的一種度量。與板料沖壓中少用相對(duì)應(yīng)變、多用對(duì)數(shù)應(yīng)變道理一樣，各種冷鍛加工工序的變形程度也應(yīng)該多用對(duì)數(shù)應(yīng)變來度量。故鐓粗率的另一種定義為鐓粗前、后高度之比取對(duì)數(shù)，記為

以上兩式均表明，鐓粗率愈大，鐓粗變形程度也愈大。有關(guān)手冊(cè)資料上可以查到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）鐓粗變形可能產(chǎn)生的缺陷 鐓粗件常見的缺陷主要有以下6種：①縱向彎扭。在鐓粗及鐓鍛中，坯料因被垂直壓縮、產(chǎn)生失穩(wěn)而出現(xiàn)一種彎扭的現(xiàn)象，稱這種現(xiàn)象為縱向彎扭。②表面折疊。在冷鍛變形過程中，坯料相鄰表面重疊在一起而壓入表層的一種缺陷叫表面折疊。 ③表面裂紋。裂紋是指連續(xù)體的金屬出現(xiàn)不連續(xù)而開裂的現(xiàn)象。鐓粗體表面裂紋主要表現(xiàn)為縱向裂紋與斜向裂紋兩種情況。④內(nèi)部裂紋。這是指產(chǎn)生在鐓粗體內(nèi)部的裂紋。鐓粗體內(nèi)部裂紋除了有縱向裂紋和斜向裂紋以外，有時(shí)還有橫向裂紋。⑤鼓形。鼓形（鼓肚）是鐓粗變形規(guī)律的表現(xiàn)，不應(yīng)該算作鐓粗的缺陷。但是，對(duì)于外側(cè)面要求平直的鐓粗制品，存在鼓形當(dāng)然是一種質(zhì)量問題。⑥附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力引起的裂紋。此乃因變形體變形不均勻而導(dǎo)致。

既然有缺陷產(chǎn)生，必然有對(duì)策防預(yù)。生產(chǎn)實(shí)際中也早出現(xiàn)了很成熟的一些預(yù)防方法、經(jīng)驗(yàn)。需要提及的是：冷鐓粗變形過程中所產(chǎn)生的上述6種缺陷，在熱鐓粗中同樣可能產(chǎn)生；而熱鐓粗變形過程中還可能因加熱（引起的過熱、過燒及氧化皮等）原因而導(dǎo)致出現(xiàn)的缺陷，在冷鐓粗中則是不存在的。

2. 頂鐓

頂鐓，亦稱為鐓頭。顧名思義，是坯料端頭的一部分材料由軸向壓縮轉(zhuǎn)為橫向擴(kuò)展的一種鐓鍛工序。

比較圖1c、圖1a可知， 兩者很類同，僅其H0高度不同。因此，頂鐓的變形本質(zhì)與特點(diǎn)與鐓粗工序完全相同，其出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因及預(yù)防方法也應(yīng)該與鐓粗工序相同。但是，在模具工作部分的設(shè)計(jì)有一些特點(diǎn)，主要是：① 凹模要有夾持好坯料不變形部分功能，其孔口邊緣應(yīng)成圓角。② 頂鐓平端和圓柱頭部，沖頭工作部分的形狀與鐓粗模沖頭相同。③ 頂鐓外凸曲面形鐓頭件時(shí)，沖頭工作部分的形狀要有相應(yīng)的內(nèi)凹曲面形狀。④ 當(dāng)頂鐓件頭部外曲面的端面的表面粗糙度要求不同時(shí)，沖頭內(nèi)凹中心處一般設(shè)計(jì)會(huì)不同。⑤ 當(dāng)形狀復(fù)雜的頭部（如螺栓六角頭等）要設(shè)計(jì)多次頂鐓工藝和模具。

3. 中間鐓粗

中間鐓粗，很明顯是使坯料的中間部位由軸向壓縮轉(zhuǎn)為橫向擴(kuò)展（兩端均有材料不變形）的一種鐓鍛工序。

比較圖1f與圖1a和圖1c，也容易知道，僅其H0高度不同。鍛件的兩端仍保留一段D0的高度?？梢姡虚g鐓鍛的變形實(shí)質(zhì)與鐓粗及頂鐓工序相同。

中間鐓粗模具工作部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)：① 凹模功能及工作部分設(shè)計(jì)原則同頂鐓凹模。② 沖頭工作部分要有容納坯料不變形部分長(zhǎng)度的相應(yīng)內(nèi)孔，且孔口邊緣要成圓角。③ 要鐓制中間成圓柱體形零件，應(yīng)采用半封閉式鐓鍛方式，沖頭與凹模應(yīng)有相應(yīng)的內(nèi)形。④ 形狀復(fù)雜的零件需要設(shè)計(jì)多次中間鐓粗工藝和模具。

二、型鍛

冷型鍛的定義：利用冷鍛設(shè)備的動(dòng)力，在平端的沖頭與凹模間，使金屬坯料沿其橫向壓縮變形的一種冷鍛加工方法。型鍛的特點(diǎn)是坯料的橫截面變薄。在實(shí)際生產(chǎn)中，這種加工主要是在鍛錘的型砧上進(jìn)行的，故取名為型鍛。很明顯，型鍛的變形也包含有鐓鍛的特點(diǎn)。

依據(jù)坯料變形部位的不同，型鍛可分為兩種基本工序：端部拔長(zhǎng)（或展寬） 和中間壓扁。如圖2所示，其中，圖2a為端部拔長(zhǎng)件，圖2b為中間壓扁件，圖中雙點(diǎn)劃線為原坯料形狀。

我國(guó)北宋時(shí)期的“瘊子甲”之“冷鍛”（我國(guó)古代發(fā)明的新名詞、發(fā)展的新工藝）方法，應(yīng)當(dāng)是一種較為原始的型鍛。當(dāng)時(shí)，沒有鍛錘設(shè)備；所用的型砧中，上砧可能是類似榔頭的東西，下砧可能有類似下面介紹的型砧類型的簡(jiǎn)易形狀?！梆蛹住币晃闹校氨仍袢譁p二”乃成，完全有理由認(rèn)定是鐓粗率，即鐓粗率公式的雛形。

在現(xiàn)今的生產(chǎn)實(shí)際中，熱型鍛比冷型鍛要應(yīng)用得更多些。

圖2 型鍛件示意

1. 端部拔長(zhǎng)

端部拔長(zhǎng)是使坯料的一端沿其橫向壓縮、軸向伸長(zhǎng)的一種型鍛工序。

拔長(zhǎng)坯料常有矩形斷面和圓形斷面兩種，如圖2a所示。拔長(zhǎng)與中間壓扁工序多在鍛錘上（如空氣錘上）進(jìn)行，沖頭即為上砧，凹模即為下砧。每一次拔長(zhǎng)都要經(jīng)過坯料送進(jìn)、沖頭下壓來完成。長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的坯料，送進(jìn)一段l＜b（料的寬度）置型砧上；沖頭下壓，壓下量Δh小于坯料高度h很多；然后，又坯料送進(jìn)，沖頭下壓。

由此表明，拔長(zhǎng)變形區(qū)坯料的變形與鐓粗變形基本相似，故拔長(zhǎng)變形的質(zhì)量問題也與鐓粗基本相同，但是，有兩點(diǎn)特殊：

彎扭缺陷不嚴(yán)重 因鐓粗高徑比（這里是橫向壓縮時(shí)的厚度與寬度之比）不大。

裂紋誘發(fā)可能因素增多 因?yàn)榘伍L(zhǎng)件要經(jīng)過多次送進(jìn)和壓下的拔長(zhǎng)操作，其間連接控制不好，會(huì)形成裂紋。

還可以拔長(zhǎng)出非扁平形的工件。比如用圓形坯料，經(jīng)過正方形到八角形的過渡，可拔長(zhǎng)成更細(xì)的圓形件；用圓形坯料，通過用V形、圓弧形工作表面的沖頭與凹模逐步進(jìn)行拔長(zhǎng)，也可獲得更細(xì)的圓形件。在這方面，前人有很多經(jīng)驗(yàn)積累。

2. 中間壓扁

中間壓扁是在坯料的中間部位沿其橫向壓縮而變薄的一種型鍛工序。由圖2b可知，中間壓扁時(shí)，毛坯沿其軸向（即料長(zhǎng)方向）僅有一小段l區(qū)參與變形，兩邊為非變形區(qū)。橫向受壓縮的變形區(qū)坯料，其擴(kuò)展的方向當(dāng)然是其他兩個(gè)方向：寬度b方向和軸向l方向，這是由體積不變條件確定的。中間壓扁主要有兩種情況、兩種設(shè)計(jì)。

（1）軸向延伸壓扁 軸向延伸的壓扁，須l＜b。在進(jìn)行l(wèi)＜b的條件下中間壓扁時(shí)，由于變形區(qū)l部分與模具接觸面有較大的、來自寬度方向的摩擦阻力的作用，阻礙了材料向?qū)挾确较驍U(kuò)展。更重要的是相鄰左右兩區(qū)為不變形區(qū)，而在l區(qū)上下受壓欲擴(kuò)展時(shí)，受到了來自左右兩區(qū)的一個(gè)剪切阻力的作用。這個(gè)剪切阻力，也和上述摩擦阻力的情況相同，產(chǎn)生寬度方面的壓力而阻礙材料在寬度方向上的擴(kuò)展，只能使其沿軸向擴(kuò)展。即變形結(jié)果如圖2b右圖所示。

因此，對(duì)長(zhǎng)毛坯的拔長(zhǎng)操作，也如同這種中間壓扁一樣，采取由中間向一端分步進(jìn)行的方法，都是基于對(duì)同一理論指導(dǎo)。在操作上，如圖2a右圖所示的端部拔長(zhǎng)件，若第一次的拔長(zhǎng)不從端部進(jìn)行，也就可以型鍛出一種中間壓扁件。

（2）展寬壓扁 在進(jìn)行展寬壓扁時(shí)，須l＜b。在l＜b的中間壓扁中，由于上述的這種剪切阻力的作用減弱，且變形區(qū)端面上的摩擦阻力也有所減弱，使得變形能夠沿寬度方向擴(kuò)展。其變形結(jié)果如圖2b左圖所示。

同理，如圖2a左圖所示的端部拔長(zhǎng)件，如果第一次拔長(zhǎng)不從端部開始，而是從離端部一段距離開始，也有可能型鍛出類似圖2b右圖所示的展寬壓扁件。