冷成型原理简述

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@小白创作中心

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来源

https://www.noctz.com/2024/11/19/cold_forming_principles/

冷成型技术（”冷锻”），是一种常温下的高速锻造塑性成型工艺，是通过将精确剪切到设定长度的金属线材，通过一系列模具型腔的挤压，改变其形状而加工出目标工件的加工方法。相较于其他的加工方法，冷成型技术具有高精度、高生产效率及优异的表面处理效果等优势。

锻造属于一类金属塑性加工方法，而冷成型锻造（简称“冷锻”）属于其中锻造工艺的一个分支。相比于铸造（Casting）等其他工艺，由于锻造的金属纤维流线是连续，因此锻造加工得到的工件的金属组织更为细密，不易产生空洞，强度也较高。

锻造属于历史悠久的金属加工方法，早在6000年前的埃及文明及美索不达米亚文明就已经存在，锻造工艺主要有：自由锻造，模锻造，挤压锻造等。同时，锻造根据加工时的温度可分为：冷锻、热锻及温锻。

A. 冷锻：在常温下进行的高压锻造，产品尺寸精度极高，表面光滑，对锻造设备及模具要求较高。同时，伴随着变形程度增加，金属将发生冷作硬化，提高强度和硬度，并降低塑性和韧性。

B. 热锻：在高于材料结晶温度下进行的锻造，高温使得金属变得非常柔软，从而可以实现较大的变形。但高温同时导致金属氧化，因此通常产品尺寸精度较低。

C. 温锻：在介于冷锻和热锻的中间温度下进行的锻造，属于结合冷锻的高精度和热锻的加工便利性的折中选择。

三者区别可参考下列简易对比：

冷成型只是金属成型工艺的其中之一，其他的成型工艺还有切削成型（”机加工”），铸造成型，烧结成型等：

不同金属成型工艺的区别可参考下列简易对比：

冷成型主要基于三种基本成型方式：正向挤压、反向挤压以及镦粗。（依次参考下列示意图）

A. 正向挤压，是一种通过减小直径而将材料拉伸的成型方式。首先，材料（通常为金属棒料）会被置于模具的型腔内部，冷锻设备通过冲模及顶针对其一侧施加强大的压力，从而使材料顺着冲模压入主模的方向（即正向）流动，形成具有所需形状的和尺寸的产品。

B. 反向挤压，类似于正常挤压，冷锻设备通过冲模及顶针对模具型腔内的材料施加压力，但材料沿着顶针边缘，朝着与冲模压入主模的反方向（即反向）流动，而形成具有所需形状的和尺寸的产品。

C. 镦粗，是一种减小材料长度而使局部直径增大的成型方式，材料在主模外侧（即主模模面）被冲模施加压力后进行径向流动，从而形成具有所需形状的和尺寸的产品。

高尺寸精度：冷成型的主要优势之一就是被加工的产品的尺寸精度非常高。由于冷成型的过程处于室温，成型后的尺寸基本不受热胀冷缩影响，因此可以保证非常高的尺寸精度。
良好的表面光洁度：冷成型在挤压时，可以细化金属的晶体结构，不易产生氧化层，使被加工的产品表面具有良好的光洁度，从而减少了部分表面处理的后续步骤。
高效率加工：冷成型通过模具挤压成型，过程简洁。并且由于在室温下进行，不需要加热或者冷却。因此对于需要批量生产的产品来说，可以提供高效率的生产，从而降低制造成本。
节省材料：冷成型相比于机加工，基本没有废料，或只有少量的废料。同样数量的材料，通过冷成型可以加工更多的产品，从而降低制造成本。
近净成型（Near Net Shape）：通过冷成型加工的产品，基本接近成品，不需要后续的加工，或只需要少量的加工。从而减少了部分工序，降低制造成本。
更好的机械性能：通过冷成型加工的产品，在挤压过程中，原材料将产生加工硬化，且金属在流动的过程中晶粒不会发生断裂，从而使被加工的产品具有的机械性能。
节能环保：冷成型不需要加热过程，由此实现节省能源，降低制造成本。

模具成本较高：冷成型的高尺寸精度，需要同样高精度的模具来确保，同时要求高耐用性，以减少更换模具的次数。对于小批量的产品以及短期项目的成本相对较高，适合大批量和长期稳定的项目。
换模调试时间长：冷成型加工产品前的设备及模具调试需要较长时间，初期模具制造或设计不当，设备调试不当等，可能影响产品加工效率。因此更适合长期稳定的项目。
对产品形状有要求：需要考虑材料的特性，冷成型设备的结构，以及产品的形状对称性。由于硬度较高（对模具造成磨损），冷成型设备传送机构或顶出形成限制，产品形状不对称等因素，可能导致无法通过冷成型加工。
后续加工困难：对于在成型后需要二次加工的产品，由于冷成型的加工过程发生加工硬化，使其韧性和塑性下降，同时冷成型的被加工产品内部会产生残余应力，导致在二次加工时可能发生弯曲变形，不利于二次加工。