金属冶炼是人类学会运用火种以及矿产发掘以来摸索出的一条工具制造之路。
近代以来,随着工业文明的不断发展,机械设备不断更新迭代,冶金水平也不断提高,以金属为主要原材料的紧固件的锻造工艺也变得多样化。
在工业文明的发展进程中,人类对金属冶炼技术的得心应手,加上机械设备不断更新迭代,锻造紧固件的工艺也变得丰富多元,热镦、温镦、冷镦都是当下主流工艺。
1.热镦工艺:
把金属材料加热到再结晶温度以上进行的金属材料塑变过程,称之为热镦。
由于加热装置一般采用燃煤反射炉、重油炉等炉膛烘热的方法,坯料温度不易控制、受热不均匀、加热时间长、容易造成过烧、氧化脱炭,这是成型件质量差的主要原因。
2.镦锻力只是冷镦力的1/4~1/3,选用公称压力较小的设备即可。
3.模腔冷却困难。模具承受毛坯100℃左右的温度,冷却不到的地方容易软化、开裂,造成模具损坏。
冷镦工艺:
冷镦(挤压)属于金属压力加工范畴,是无切削金属压力加工工艺之一。
在生产中,在常温状态下,对金属施加外力,使金属在预定的模具内成形,这种方法通常叫冷镦(挤压)。
冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,较多应用于中小型锻件规模化生产中。
与其他加工工艺相比冷挤压有如下优点:
1.钢材利用率高。冷镦(挤)是一种少、无切削加工方法,如加工杆类的六角头螺栓、圆柱头内六角螺钉,采用切削加工方法,钢材利用率仅在25%~35%,而用冷镦(挤)方法,它的利用率可高达85%~95%,仅是料头、料尾及切六角头边的一些工艺消耗。
2.机械性能好。冷镦(挤)方法加工的零件,由于金属纤维未被切断,因此强度要比切削加工的优越得多。
3.适于自动化生产。适宜冷镦(挤)方法生产的紧固件(也含一部分异形件),基本属于对称性零件,适合采用高速自动冷镦机生产,也是大批量生产的主要方法。
4.节约原材料。冷挤压是利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件,因而能大量减少切削加工,提高材料利用率。冷挤压的材料利用率一般可达到80%以上。
5.提高劳动生产率。用冷挤压工艺代替切削加工制造零件,能使生产率提高几倍、几十倍、甚至上百倍。
6.零件可以获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。零件的精度可达IT7~IT8级,表面粗糙度可达R0.2~R0.6。因此,用冷挤压加工的零件一般很少再切削加工,只需在要求特别高之处进行精磨。
7.提高零件的力学性能。冷挤压后金属的冷加工硬化,以及在零件内部形成合理的纤维流线分布,使零件的强度远高于原材料的强度。
8.可加工形状复杂的,难以切削加工的零件。如异形截面、复杂内腔、内齿及表面看不见的内槽等。
9.降低零件成本。由于冷挤压工艺具有节约原材料、提高生产率、减少零件的切削加工量、可用较差的材料代用优质材料等优点,从而使零件成本大大降低。
总之,冷镦(挤)方法加工紧固件、异形件是一种综合经济效益相当高的加工方法,是紧固件行业中普遍采用的加工方法,也是一种在国内、外广为利用、很有发展的先进加工方法。
进入新时代后,紧固件行业发展面临着环境和市场的双重变化。
先看国内环境,我国“双碳”战略的提出,持续刺激企业转型升级,通过减少单件产品能源消耗量,从而减少碳排放,提高生产质量。
再看市场变化,近年来,我国打造的大国重器挺起民族脊梁,而大国重器越大,零部件也相应越大。如果采取传统热镦工艺锻制大型紧固件,不仅高能耗、质量不稳定、效率低,而且人工干预度高,材料利用率低。
“在可见的未来,大规格紧固件的需求将不断增多,而且是个性化、定制化的。”
使用不同工艺生产的产品有着不同的特质,也适应不同的用途。
例如热镦工艺适合大规格紧固件的制造,将材料加热后一次或多次冲压成型,具有能耗高,成型件差别较大,效率不高等特点。
相对而言,冷镦工艺主要常见于标准化的小规格紧固件的生产,材料无需加热,直接通过外力使材料物理变形,能耗低,损耗也少,效率高。
要让适合热镦工艺制造的大规格紧固件具备冷镦工艺所具有的优点并不是一件容易的事情,这其中所使用的模具必须十分可靠,材料既要耐磨,又要抗压,还具备一定延展性,冲压过程中的气流、压力等都是不可不考虑的因素。
而研发这样的工艺,需要大量的投入:
一方面,需要行业专精人才组成团队专门研究,消耗高层次人才成本;
另一方面,需要一定先进技术、设备的支持,无法自主研发的工艺或设备则需要引入,甚至要考虑贸易壁垒的因素,需要付出较高的资金资源成本;
再次,这可能需要多产业链协同合作,从无到有进行生产研发。
随着能源危机的日趋严重,人们对环境质量将更加关注,加之市场竞争日益加剧,促使锻件生产向高效、高质、精化、节能、节材方向发展。
因此,用挤压成形等工艺手段所生产的精化锻件的产量,在市场竞争中将得到较大的发展。