高速冷挤压制件的表面粗糙度探究

近几年来，在低速冷挤压的基础上，高速锤上的冷挤压工艺得到了很快的发展。目前，高速冷挤压已广泛应用在机械制造、汽车制造和宇航工业中。高速冷挤压的材料有纯铝、铝合金、纯铜、铜合金、碳素钢、低合金结构钢及不锈钢等。高速冷挤压所制的零件，其形状呈薄片、细长轴，如叶片、顶针等。

一般机械传动的冷挤压压力机的滑块运动速度约为0.1～0.4m/s，而高速锤的滑块运动速度可高达10～24m/s。

1.高速冷挤压的特点

高速冷挤压与一般挤压工艺相比，它不但具有低速冷挤压的优点（如节约原材料、提高劳动生产率、提高零件的尺寸精度和力学性能，以及降低表面粗糙度等），而且还有下面一些特点：

（1）冷挤压件表面粗糙度值低 在高速锤上进行冷挤压所得零件的表面粗糙度值是较低的。在入口角为180°的平凹模上，以羊毛脂润滑，对有色金属两种挤压速度进行冷挤压。在低速冷挤压时，曾发现润滑层脱落，零件表面出现刮伤；而在高速冷挤压时零件表面质量较为理想。有的单位用磷化后皂化作为钢的高速冷挤压润滑，用磺化油脂作为有色金属高速冷挤压的润滑，都得到了满意的结果。高速冷挤压能够得到表面粗糙度值低的制件，是由于在高速下摩擦因数的降低。室温下不同滑块速度的摩擦因数见表6-33。一般情况下，摩擦因数随变形速度的增加而降低。另外，在高速挤压时润滑剂来不及挤出，润滑条件好，从而减小了摩擦力，这不仅可以延长模具寿命，而且使制品表面光洁。

由图6-33可知，在不用润滑的情况下，高速时摩擦因数也相当低，这可能是由于高速下温度升高在摩擦面上形成氧化薄膜的缘故。

（2）金属流动均匀 与低速相比，高速冷挤压时由于摩擦因数随着变形速度的提高而降低，使金属变形趋于均匀，表现为变形区小，死角区小，坐标网歪扭少。图6-34所示为纯铜在低速和高速（19.5m/s）下冷挤压时的金属流动图。从图6-34可知，变形速度的提高有利于金属均匀流动。在钢铁材料冷挤压时，高速变形同样有利于金属的均匀流动。

图6-33 室温下不同滑块速度的摩擦因数

图6-34 纯铜在不同速度下的金属流动图

a）低速 b）高速

（3）挤压件平直 在高速下进行冷挤压，由于“自直效应”的作用，所得到的挤压件都较低速平直。如高速锤的打击速度为15m/s，而毛坯的挤压比为10时，那么金属的流动速度将达到150m/s。因此，它具有很大的动能，且高速变形是在极短的时间内完成的。这样，已挤出部分的金属具有很大的惯性力，这对后续部分金属产生了一个“拉直作用”。即使零件的横截面形状较复杂，挤压后也可以得到很直的零件。

（4）挤压件力学性能好 高速冷挤压件的抗拉强度比低速时高，而断面收缩率比低速时略低，如图6-35和图6-36所示。这是由于金属高速冷挤压时加工硬化现象比低速要好。

（5）挤压件的尺寸精度 应该指出，高速冷挤压件在长度方向上略有斜度，先挤出来的前端尺寸往往大于后端。用直径φ25.4mm的毛坯正挤压成φ0.254mm×30.5mm的工件，前后端直径差约为0.05mm。这是由惯性力引起拉直作用的缘故。在编制高速挤压工艺时，要注意到这一现象。

应指出，高速挤压还存在如下缺点：(www.xing528.com)

（1）挤压件易被拉断 设高速挤压的凸模以v₀=17m/s的速度运动，挤压比G=15，则被挤出的金属应以v₀G=17×15m/s=255m/s的高速向前运动，而凸模在千分之几秒后突然停顿下来，这样一来，前端已流出的高速部分便对未流出的低速部分产生一个拉力。该拉力可以拉直挤压件，这是好的一面，但当此拉力很大时，就有可能拉断挤压件。由此可以看出，高速挤压细而长的零件是困难的，即使不被拉断，也会使挤压件的横截面变细。

图6-35 高速及低速冷挤压纯铝的抗拉强度

图6-36 高速及低速冷挤压纯铝的断面收缩率

（2）挤压件易过烧 由于高速变形的热效应比较显著，会引起零件局部地方温度上升到锻造加热温度的上限以上，不仅造成挤压件过烧，同时也降低挤压件强度。

2.高速冷挤压的单位挤压力

图6-37所示为凸模运动速度对单位挤压力的影响，试验用的毛坯尺寸为φ25.4mm×38.1mm。以15钢的室温正挤压为例（见图6-37d），在21m/s的高速下单位挤压力较低速冷挤压低，但当挤压速度继续增加以后，挤压力便随之而增加。有时在极高速下会出现第二个最低值，这可能是变形热效应的原因。从图6-37可以得到不同材料高速冷挤压时的合理打击速度：纯铝为8～12m/s，纯铜为18～22m/s，低碳钢为22～26m/s。

在高速锤上采用温热挤压可以使挤压力降低，模具寿命可显著地提高。

图6-37 凸模运动速度对单位挤压力的影响

a）纯铝正挤压，5400J能量 b）纯铝反挤压，2700J能量

图6-37 凸模运动速度对单位挤压力的影响（续）

c）纯铜正挤压，10800J能量 d）15钢正挤压，13500J能量