冷鍛

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介紹

這是在線提供的最全面的冷鍛指南。

本文涵蓋以下主題：

• 什麼是冷鍛及其工作原理
• Cold forging benefits & disadvantages
• 熱鍛與冷鍛
• 使用的金屬和設備/機器
• 冷鍛應用
• 和更多…

第一章 – 什麼是冷鍛及其運作原理？

Cold forging is a metal shaping & manufacturing process in which bar stock is inserted into a die and squeezed into a second closed die. The process, completed is at room temperature or below the metal‘s recrystallization temperature to form a metal into a desired shape or configuration.

冷鍛是一種高效、經濟的金屬變形工藝，可用於以低成本生產大量零件。鍛造有三種方法，根據溫度的不同而不同，可以是冷鍛、溫鍛或熱鍛，涉及使用錘子、模具或壓力機對金屬進行成型、擠壓、變形和軋製。冷鍛不應與機械加工或鑄造混淆，因為最終結果是更堅固、更高品質的產品。

與溫鍛或熱鍛不同，冷鍛在室溫下利用局部壓縮力使棒料成型和變形。根據零件設計的要求，工件可能會經過多個模具或連續多次沖壓以獲得適當的形狀。

第二章 – 冷鍛的工作原理

冷鍛成本低是由於減少了勞動成本和取消了二次加工。零件的生產速度高達每小時 1000 個，從而降低了單位成本。生產只需插入金屬零件，然後讓機器快速且經濟高效地完成工作即可。

冷鍛成品具有完美的表面光潔度和更高的尺寸穩定性，如下圖所示。不同的製程提高了工件的強度和耐用性，生產出持久耐用的產品或零件。

冷鍛造工藝

第 1 步：潤滑劑

– 在鍛造之前，工件經過潤滑劑處理，以防止其黏在模具上，並在成型過程中保持冷卻，因為變形會產生 250° 至 450° 的溫度。

第 2 步：插入金屬零件

– 將金屬零件放置在具有最終零件形狀的模具上。模具可能有兩個部分，一個部分連接到錘子上，另一個部分位於工件下方。錘子是上部和撞擊機構，產生使金屬件變形的力。

第三步：中風

– 工件的撞擊或衝程可以透過三種機制產生：液壓、氣動或機械。每種技術都驅動帶有錘子的軸，以巨大的力量向下壓到工件上，以形成所需的形狀。這發生在幾毫秒內。在某些情況下，錘子可能必須連續落下幾次才能產生精確的輪廓和形狀。

第四步：閃光

– 毛邊是晶片或晶片組周圍多餘的金屬。它作為一塊薄板從鍛造件主體延伸，模具在此處相遇並在修整期間被移除。閃光限制了金屬的流動，確保了完美的印象。毛邊的存在對於迫使金屬完全填充模具至關重要。

第 5 步：拆卸零件

– 移除零件的方法取決於製程類型。大多數現代製造商都使用自動化技術，透過傳送帶或機械手移除零件。這是另一項節省成本的措施，無需進行物料搬運。

步驟6：整形後

– 與流程的其他部分一樣，這可以採取多種形式。對於需要一次沖模和一次沖程的零件，零件會被修整並送到運輸。對於具有多個面的零件，它們會被轉移到其他模具製程以添加特徵。模具從一個工位到另一個工位的移動通常是自動的。對於較大的零件，可以使用其他機械化方法，可能涉及高低機、堆高機或起重機。

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第三章－冷鍛的好處

本章詳細討論了冷彎邊的六個主要優點。他們包括：

• 成本效益
• 更快的生產
• 環保
• 優越的產品性能
• 高產量
• 多種金屬選擇

以下資訊概述了冷鍛的一些優點及其如此廣泛使用的原因。第三章是冷鍛與熱鍛的比較以及各自的優點。

成本效益：

冷鍛成本較低，原因在於三個因素：預處理、溫度和精加工。在其他金屬成型方法中，工件必須經過某種形式的預處理，例如加熱。通常使用熔爐、窯爐或電力將金屬的溫度升高到其再結晶點以上。它們的維護費用昂貴，會產生污染物，而且耗時。

在冷鍛中，工件一旦加工完成，就完成了，並且需要最少的精加工，從而節省了勞動成本。

由於廢料和廢品很少，冷鍛可節省高達 70% 的材料。

更快的生產：

冷鍛是一種簡單的工藝，將工件直接放置在鍛造機中，立即生產出成品零件。現代生產商使用自動化來裝載工件並將其從壓力機上移除。正如您在此圖中所看到的，金屬被送入機器中，進行加工，然後繼續前進。從進入到完成之間的時間不到一秒。

環保：

冷鍛環保的主要原因是消除了對熱量的需求，因為熔爐中的煙霧會產生大量的碳排放。這也降低了成本，因為生產商不必安裝空氣過濾和清潔設備。

產品性能優越：

冷鍛可以生產性能優越的產品，因為它可以重新排列工件的晶粒結構以遵循最終零件的配置。

消除可能的負面反應：

金屬加工可能會產生各種潛在問題。冷鍛透過提高金屬的整體強度並消除材料完整性損失的風險，消除了一些負面影響，例如孔隙疲勞。

提高品質和延長使用壽命：

冷鍛零件能夠承受高應力。當工件受力超過其屈服或彈性極限時，它仍然能夠保持其改變的形狀。

保留零件公差：

在整個生產過程中保持零件的關鍵和緊公差。它們被複製到最微小的細節，因此每個部分都是第一個部分的精確複製品。

設計自由度：

與其他工藝不同，冷鍛允許設計自由，可以生產複雜的輪廓和形狀，而這在其他工藝中需要許多不同且昂貴的輔助方法。

高產量：

雖然冷鍛生產方法之間可能存在差異，但冷鍛的製造速度很高，每分鐘可生產多達 50 件，最多可達 400 件以上。影響製程速度的唯一因素是零件的尺寸。

多種金屬選擇：

可鍛造的金屬範圍很廣，包括碳鋼、合金鋼和不銹鋼等硬金屬，以及鋁、黃銅和銅等軟金屬。

該圖像是冷鍛生產的螺栓的樣本。每個不同的螺栓均由不同的金屬製成。其中包括由銅、黃銅、鋁和鋼製成的。

第四章－熱鍛與冷鍛

熱鍛和冷鍛之間的區別在於溫度：冷鍛在室溫下對金屬施加應變和應力，而熱鍛則在接近或熔點處加熱金屬。

溫度範圍的關鍵是再結晶：冷鍛發生在再結晶之前，而熱鍛將金屬加熱到其再結晶點以上。

選擇冷鍛還是熱鍛取決於：

• 製造商的設備和加工：生產商專注於一種工藝或另一種工藝，以最大限度地利用其設備。
• 客戶需求：在零件開發的設計階段，由於冷鍛和熱鍛都有其局限性，工程師需要決定生產其設計的最佳製程。
• 生產的零件類型：很多時候，選擇正確製程的限制是由零件的設計決定的，因為特定零件只能熱鍛造，而其他零件則適合冷鍛造。冷鍛零件的設計簡單，沒有複雜的細節，而熱鍛零件可以生產具有極其精確的微小特徵的零件。
• 較低的成本要求：只要有可能，製造商都會選擇冷鍛，因為它需要的設備較少，且不包括加熱，從而顯著降低了整體生產成本。

熱鍛

熱鍛在700° C 或1292° F 至1000° C 或1832° F 之間的極高溫度下進行。升高的溫度有助於避免應變和硬化，並降低應力流和變形和變形所需的能量。形狀金屬。一旦金屬冷卻，它們就會保持變形的形狀。成型過程中使用液壓、氣動和機械壓力機。

熱鍛的特點：

模具：

熱鍛造的主要成本之一是生產由強化鋼製成的模具所需的成本，這些模具和模具的設計可以承受極端溫度，能夠抵抗疲勞，並具有延展性、韌性和抗拉強度。

熱鍛形式：

儘管許多熱鍛造方法與冷鍛造方法相似，但其他方法包括氣體成形、模淬火、拉拔成形和等溫成形。

金屬溫度：

製程類型決定了金屬成型時的溫度。在某些製程中，金屬完全熔化並倒入模具中或推入模具。在其他情況下，它在壓縮和壓力下通過沖模或模具進行退火和成型。

有害環境因素：

最大的缺點是加熱過程產生的污染物量。自從第一次工業革命期間出現以來，這一直是一個主要問題，也是生產者多年來不斷面臨的問題。

加熱金屬：

零件需要加熱到再結晶點以上，該溫度遠遠超過 300° F，甚至可以達到 1000 度。需要大型熔爐或窯爐才能達到適當的溫度。

涉及時間：

熱鍛造的複雜性需要時間來加熱金屬、加工和冷卻金屬。儘管實際的沖壓、變形或成型所需的時間與冷鍛的時間大致相同，但加熱和冷卻過程需要長時間的仔細維護和管理。

熱鍛結果：

金屬的加熱和冷卻會增加其強度、韌性和延展性，但會降低其硬度。在冷卻過程中，金屬會變形並變形。

縮放比例：

熱鍛造會產生氧化，從而導致結垢，從而使金屬表面變色，使其難以精加工。

精加工：

零件必須進行精加工，以消除加熱過程中的變形、缺陷和錯誤。這些二次操作是勞力密集的，需要多種類型的專用設備。

冷鍛

鍛造時的溫度是冷鍛與熱鍛造的差別。對於熱鍛零件，將其加熱至再結晶點以上的溫度，從而改變其微觀結構。當它被加熱時，它的內應力和強度被消除，使其更具延展性。冷鍛不需要加熱，使金屬能夠保持其強度和微觀結構。

冷鍛件的特性如下：

定型溫度：

金屬在低於其再結晶點的室溫下成型，這有利於降低成本並避免熔爐費用。

速度：

速度範圍從小批量機器每分鐘 7 件到大批量機器每分鐘 400 件。

裝置:

冷鍛是透過設計用於使金屬成型的機器完成的，包括擠壓、彎曲、剪切和拉伸。設備的價格範圍很廣，取決於技術的數量和規模。

成本：

成本節省來自材料和速度。材料節省來自於產生的少量廢料，高達 70%。由於零件的生產速度非常快，因此單位成本非常低。

環境因素：

從下面這台來自 Stalcop 的機器可以看出，沒有產生任何排放或污染物。一切都是獨立且封閉的。由於不需要加熱金屬，因此消除了碳和其他污染物。

冷鍛結果：

如下圖所示，金屬的晶粒結構被重新排列，以遵循最終零件的流動，消除孔隙疲勞，提高剪切強度，並降低材料完整性的任何風險。透過拉緊金屬，它會變得更堅固、更有彈性。缺點是金屬一旦冷鍛就會失去延展性並變得更脆。

縮放比例：

在鍛造金屬之前，清除儲存過程中可能產生的任何結垢（例如鐵鏽或腐蝕）非常重要。如果不去除，零件將出現與熱鍛造中相同的劣化。

精加工：

所需的整理工作極少。零件加工完成後，就可以使用或運送了。

冷鍛的缺點

冷鍛並不完美。與每種生產方法一樣，冷鍛也有限制和限制，在為下一個生產項目選擇冷鍛之前，您需要考慮這些限制和限制。

• 只能大量生產簡單的形狀和設計。獨特、不尋常或複雜的圖案無法冷鍛。變形水平和成形等級有限，冷鍛金屬的延展性較低。
• 金屬晶粒結構的改變賦予其額外的強度，但可能會產生殘餘應力。
• 某些冷鍛方法需要熱處理以消除可能的裂縫或蠕變硬化。
• 可冷鍛的金屬類型有限制。不應選擇延展性低且對應變硬化敏感的材料，因為它們會失去延展性並在拉伸應力下斷裂。只能使用洛氏硬度為 HRC 44 的金屬。
• 生產過程需要很大的力量來產生必要的壓縮力和壓力。儘管液壓和氣動裝置的增加減小了設備的尺寸，但並沒有消除機器消耗的功率。
• 工具、模具和模具必須經過專門設計，並且足夠堅固和堅固，才能承受持續的重複力。

第五章——冷鍛造工藝

金屬加工中不同技術的發展和進步產生了多種金屬冷成型和成形方法。每種產品都有不同的應用，但都旨在高效、快速地生產產品，無需二次精加工。

八種最常見的冷鍛製程是：

• 彎曲
• 冷軋
• 閉式模具
• 繪畫
• 擠壓
• 開模
• 環鍛件
• 模鍛

正如我將在本章末尾討論的，還有更多的進程，而不僅僅是列出的進程。以下的描述為您提供了資料基線，以便您初步了解各種方法。

此外，冷鍛製程的一個非常重要的方面是所使用的潤滑劑的類型。最常見的兩種是磷酸鋅或某種形式的聚合物塗層。雖然冷鍛是在室溫下完成的，但彎曲和成型過程會增加金屬的溫度。潤滑劑可以防止錯誤並防止工件粘在模具上並延長工具的使用壽命。

潤滑劑製造商提供各種產品來適應每種類型的冷鍛過程。圖中為石墨潤滑劑，但也提供無石墨類型以及鋁酸鈣、氟化鋁和磷酸鹽塗層。

常見的冷鍛方法：

彎曲 –

彎曲是使用壓力機和模具進行的，其中工件被壓在成形工具上。它也稱為金字塔軋製，有時用於為另一種冷鍛工藝準備工件。工件沿單軸拉緊以形成角度。

冷軋——

軋製是一種成形工藝，金屬透過一對旋轉的輥子，在壓縮力的作用下產生塑性變形。壓應力在軋輥和金屬坯料表面之間產生摩擦。它通常用於鋼材的加工。

閉式模具 –

在閉式模鍛中，工件被放置在兩個半模之間後，透過連續的機械打擊來成形。由於錘子多次撞擊工件，一些生產商將閉式模鍛稱為模鍛。當金屬被敲擊時，它會流入模具的空腔，將其改變為模具的形狀。

繪畫 -

拉拔是利用模具出口處施加的拉伸強度將工件拉過模具。當工件被拉過時，橫截面積隨著其長度的增加而減少。所形成的金屬比軋製的金屬具有較小的尺寸公差。

擠壓——

在壓縮力的作用下，迫使坯料或坯料通過模具，形成最終零件的輪廓。一旦通過，就會被切割成所需的長度，準備運輸，或送去進一步加工。冷擠壓時施加的力可高達20,000 kN或2007噸。擠壓可以向前、向後或雙向進行。

向前擠壓－金屬被向前推過模具。

向後擠壓－金屬向後進入模具，形成孔或杯，使底部比側面厚。

橫向擠壓－向擠壓方向橫向施加力，為型材添加第二個特徵。

開模：

開式模鍛涉及兩個沒有預切割輪廓的平模。工件透過多種工藝逐漸成形，從而可以生產各種形狀和尺寸的工件。它主要用於包含需要最高結構完整性的大型金屬部件的設計。透過重新定位工件來實現變形。

擠壓，也稱為定徑，是開模加工的一種形式，在短距離上施加力，產生精確的尺寸光潔度。

環鍛件 –

透過環形鍛造，圓形工件在中間沖孔以產生甜甜圈形狀。當穿孔件旋轉時，它被錘擊和擠壓。該工藝生產出具有完美直徑和強度的無縫環。

模鍛 –

型鍛或徑向鍛造是工件變形，使兩個零件組裝在一起。它是自動化的且高度可靠。模鍛有兩種類型：管狀模鍛和徑向模鍛。管材模鍛類似於擠壓，工件被迫通過模具。透過徑向模鍛，錘子迫使工件穿過兩個或多個模具。

當您開始尋找冷鍛造製造商時，您將找到比此處描述的七種方法更多的方法。對一些可能的方法有基本的了解將有助於您與製作人進行權威而明智的交談，並能夠解釋他們的行話。

與任何現代生產方法一樣，您會發現隨著新技術和方法的發展，冷鍛技術正在不斷發展。一個重要且日益增長的因素是自動化和機器人技術的加入，它正在迅速改變產業的面貌。鍛造專家可以為您指明正確的方向，以找到最適合您需求的工藝。

第六章 – 冷鍛造設備與機器

冷鍛設備和機器分為三種：液壓、氣動和機械。雖然有些供應商只專注於一種類型，但您會發現大多數供應商根據價格和操作類型有多種選擇。技術和自動化很常見，如下圖所示，這是 Marvel Machinery 的伺服冷鍛壓力機。零件設計效果圖是使用 CAD 等工程軟體建立的。

機器必須滿足一些要求才能用於冷鍛。

• 力——冷鍛工藝依賴巨大的力。與其連接的設備必須能夠吸收並消散該力。
• 平衡 - 機器必須實現靜態和動態質量平衡，以減少振動並提高性能。
• 經久耐用－無論採用何種冷鍛方法，每種方法都需要強大的重複力。機器要持久耐用，就必須能夠承受這種力量。
• 多種操作 – 現代冷鍛或成型機（稱為鐓鍛機）可在一個過程中完成一項到多項操作。這是必要的，因為一次所能執行的變形量是有限的。

冷鍛設備類型：

液壓模鍛錘 –

液壓模鍛錘旨在以最低的投資提供最大的力量。它可以透過各種模具產生各種各樣的印模。它使用液壓的工程概念進行操作，其中不可壓縮的液體包含在氣缸中。當液體被活塞壓縮時，帶有模具的軸被向下驅動到工件上。

螺旋壓力機 –

螺旋壓力機因壓制速度慢，用於變形較大的情況。可用於無飛邊模具和長桿鍛造。螺旋壓力機的配置使其可用於包括彎曲和最終鍛造件的單槽模具。電動馬達提供動力來轉動螺桿，將模具推到工件上。

C 型框架高速沖床 –

C型框架設計適用於成型、沖孔、彎曲和多重沖壓操作。它們採用單曲柄或雙曲柄設計，沖壓力為 110 至 400 噸，滑動行程為 110 至 280 毫米。它們可接受 435 至 600 毫米的模具高度，可用於生產小型零件。

氣動壓力機 –

氣動壓力機可以涵蓋全範圍的模壓功能。它們配備了氣動操作的摩擦離合器和煞車。壓力機的動力由空氣壓縮機產生，空氣壓縮機會透過帶有活塞的氣缸中的氣壓將鍛錘向下壓到工件上。

機械冷壓機 –

在各種冷鍛機中，機械式冷鍛機正變得最少使用，因為它們需要非常大的尺寸才能提供必要的力量。它們有一個飛輪，可以儲存馬達的能量。當飛輪啟動時，它將錘子或沖頭向下驅動到模具上。它可以提供多次旋轉的動力，但必須空轉才能從馬達重新獲得動力，然後才能繼續其循環。

在眾多種類的冷鍛設備中，最常見的類型是液壓和氣動，因為它們佔用的空間較小，可以提供不同的力，並且是可編程的。當您檢查生產選擇時，最好了解生產商擁有的設備類型，因為最新的設備更有可能生產更高品質的零件。

第七章鍛造金屬的類型

當您為專案選擇金屬時，冷鍛提供了多種選擇。不同的品種包括碳鋼、合金鋼、不銹鋼等硬金屬。鋁、黃銅、銅、矽和鎂是可用的軟金屬。對任何金屬的一個要求是其洛氏硬度為 44 HRC 或更低。

銅 -

銅是一種非常適合冷鍛的金屬，因為它具有很好的延展性和延展性。它可以用很小的力進行成型、彎曲或拉動，並生產出耐腐蝕和防鏽的零件。

鋁 -

鋁是一種極輕且密度低的有色金屬。它的熔化溫度為 1220° F，具有延展性，並且防銹和耐腐蝕。

碳鋼 -

碳鋼是鐵和碳的合金。各種等級取決於與鐵混合的碳量。它具有卓越的強度和延展性。

不銹鋼 -

不銹鋼因其耐腐蝕性、外觀和強度而成為最常用的金屬之一。儘管不銹鋼一詞通常用於描述具有其特性的任何鋼，但不銹鋼根據其合金含量分為多種等級。

冷鍛用鋼

含碳量0.1%～0.25%的低碳鋼。冷鍛可改善鋼的應變硬化，無需奧氏體化、淬火或退火。

適合冷鍛的金屬

選擇金屬時的注意事項：

當您決定為專案選擇金屬時，您可以做的最合乎邏輯和最重要的事情就是進行研究。每種類型的金屬都會以不同的方式對塑性和變形做出反應。您選擇的金屬必須適合其最終用途和您所需的強度。如果您諮詢鍛造專家，您可以獲得寶貴的訊息，指導您做出正確的選擇。

第八章 – 冷鍛應用

冷鍛可生產任何尺寸的形狀，具有高度的尺寸精度和結構精度。冷鍛的經濟效率和速度使其成為最受歡迎的生產替代方案。

冷鍛滿足現代工業的需求，因為它：

• 最大限度地利用原材料：任何運營的一項關鍵投資都是原材料。冷鍛製程的浪費非常有限。毛邊和修邊可以放回製造過程。
• 降低成本：由於零件的生產速度很快，因此單位成本非常低，使最終產品的利潤更高且生產成本更低。
• 生產高品質零件：冷鍛可提高零件和產品的強度和耐用性，確保其使用壽命更長。成型件的結構和特性不會改變，從而提供出色的尺寸精度。

使用冷鍛零件的應用：

汽車 –

冷鍛的高強度、可靠性、品質和實惠的價格使其對汽車製造非常有吸引力。冷鍛件因其優異的抗衝擊性而安裝在高應力點。傳動系統、傳動軸、支柱或避震器等零件均經過冷鍛。下圖顯示了透過冷鍛生產的汽車底盤的一些零件。

手動工具和硬體 –

釘子、螺栓、鉚釘和螺母等連接器多年來一直透過冷鍛生產。低公差和出色的尺寸精度是手動工俱生產商更喜歡冷鍛而不是機械加工等其他方法的原因。

軍隊 -

軍方對軍用五金有非常嚴格的規定，彈殼、子彈等軍用五金的製造均採用冷鍛製程。零件在危機時期具有高可靠性和高性能。零件的低公差和強度使其成為軍事武器的完美選擇。

齒輪生產 –

冷鍛用於齒輪生產，因為它消除了齒輪成型時的切割需求。齒輪可由小於 50 毫米的坯料生產或使用盤繞線材成型。可能需要進行一些退火以消除殘餘應力和加工硬化。冷鍛齒輪的一個重要優點是它們的嚙合非常平穩和安靜。

結論

• 冷鍛可以以非常低的成本和大量生產具有低公差和高尺寸精度的金屬。
• 冷鍛快速且迅速地製造出可立即使用且完整的成品零件。
• 製造商將為您提供多種製程選擇，使用最先進、技術最先進的設備準確生產您所需的零件。
• 您將有多種金屬可供選擇來完成您的項目，從硬化鋼和不銹鋼到銅和鋁。
• 您會發現，您可以生產的產品數量幾乎沒有限制，從汽車的耐壓部件到鉚釘、齒輪和作業工具。
• 當您比較冷鍛和熱鍛時，您會發現冷鍛所需的時間更少，並且產生更堅固、更耐用的零件和產品。