1 冷挤压基础知识
1.1 冷挤压的实质及方法分类
冷挤压的加工方法是利用金属材料塑性变形的原理，在室温的条件下，将冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具型腔内，在强大的压力和一定的温度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凹模出口，挤出空心或断面比毛坯断面要小的实心零件，可以获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力学性能挤压件的工艺技术[1]。冷挤压是无切屑、少切屑零件加工工艺之一，所以是近代金属塑性加工中一种先进的加工方法。 冷挤压成型加工是靠模具来控制金属流动，靠软化金属体积的大量转移来成形所需的零件。由此可知，冷挤压工艺的成功与失败与模具结构设计，模具材料以及金属毛坯的软化处理等密切相关。
冷挤压加工的成形速度范围很广，所用的设备可以在专用的冷挤压压力机上进行，也可在一般的机械压力机（如冲床）或在液压机、摩擦压力机以及高速锤上进行。 冷挤压工艺可按金属流动方向，金属流动速度以及变形温度等进行分类[1]： 1）按金属流动方向分类与凸模运动方向之间的相互关系，冷挤压方法分为正挤压、反挤压、复合挤压、减径挤压、径向挤压、斜向挤压、镦挤法。
2）按金属坯料充填模具型腔的流动速度有一般速度、低速及高速挤压之分。 3）按变形温度状态分，有冷挤压（室温挤压）、温挤压（半热挤压）、热挤压及等温挤压 。
1.2 冷挤压工艺的优缺点及应用范围
1.2.1 冷挤压的特点
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，比较多的应用于中小型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺技术相比，可以节材30%~50%，节能40%~80%，而且能够提高锻件质量和改善作业环境。二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现，更拓展了其发展空间。日本80年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%~40%是采用冷锻工艺生产的，近年来生产的新型轿车则每车平均使用42kg的冷锻件。美国等国家的轿车生产中，每车平均使用40kg的冷锻件。随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷锻生产工艺技术已逐
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渐成为中小锻件精化生产的发展方向[2]。
1.2.2 冷挤压的优点
近年来，在机械制造工艺方面广泛采用冷挤压先进技术，取得了显著的成效。目前，随着计算机、快速造型及数字化等现代科学的迅速发展及应用，使冷挤压工艺进一步得到开拓及采用。与其他制造方法相比，冷挤压工艺已成为金属塑性变形中最先进工艺之一，在技术上和经济上它都有很多的显著优点。
1）显著降低原材料的消耗
冷挤压是一种金属塑性成形加工方法。它在不破坏金属的前提下使金属体积作出塑性转移，达到少无切屑而使金属成形，制得所需的形状及尺寸零件。这样就避免了在切削加工时而形成的大量金属废屑，大大节约了各种有色金属及钢铁原材料。
2）提高劳动生产率
冷挤压零件是在压力机上进行的，操作方便，容易掌握，生产率很高。 3）可形成复杂形状的零件
在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工工序，并可以制成形状复杂的零件。 4）提高零件的力学性能
在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压应力作用下。挤压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不被切断，成为沿着挤压件轮廓连续分布的金属流线。同时，挤压利用了金属材料冷变形的加工硬化特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性。
5）可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件
经冷挤压成形零件的表面质量是十分良好的。在冷挤压过程中，金属表面在高压下受到模具光滑表面的熨平，因此零件的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。冷挤压零件的精度可达IT7~IT8级，表面粗糙度可达Ra0.2~1.6[3]。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。冷挤压工艺可以获得理想的制件表面粗糙度与尺寸精度，有些零件经挤压后可以不再进行切削加工，从而为采用冷挤压加工代替某些零件的锻造、铸造与切削加工开辟了一条广阔的道路。
6）减少工序，缩短生产周期
冷挤压工艺是在闭式模具型腔中进行金属塑性变形，所得的挤压件是没有飞边的，故不再需要切边（或冲孔）后续工序，从而缩短了生产周期。
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7）减少设备投资
与模锻工艺相比，因冷挤压不产生飞边，故可以省去切边模及切边压力机，明显地减少了设备投资。另外，冷挤压生产加工，可在专用的冷挤压压力机上，也可以在通用液压机上进行，还可以在非专门为冷挤压而设计的普通压力机上进行，如通用冲床或摩擦压力机。
8）降低零件的生产成本
由于冷挤压可以大大节约原材料和加工工时，因此必然可降低零件的制造成本。
1.2.3 冷挤压的缺点
在长期的生产实践中，与其他制造工艺相比，冷挤压虽然表现出很多优点，但往往还存在一定的问题[1]。
1）变形抗力高
冷挤压时，被挤压材料的变形抗力较高，其中最有实用意义的是钢的冷挤压，其变形抗力高达2000MPa以上。这样的超高压力，对模具材质、结构以及加工制造等提出了更高的要求。
2）模具寿命短
由于冷挤压模具承受着很大的单位挤压力作用，最高可打3000MPa，模具易磨损、易破坏；虽然在模具材料和模具结构等方面采用了很多有效的措施，但与冲压模具相比，其使用寿命还是不高的。
3）对毛坯的要求较高
冷挤压加工时对毛坯的要求比其他金属塑性成形加工工艺都高，否则，会使模具受到损坏。对于冷挤压毛坯，除了要求毛坯具有准确的几何形状和较高的尺寸精度外，还要求在冷挤压变形之前对毛坯进行一定的软化退火处理及表面润滑处理。
4）对冷挤压设备要求较高
当实施冷挤压工艺过程时，除了要求冷挤压设备应有较大的强度以外，还要求有较好的刚度。此外，还要求设备具有良好的精度并具有可靠的保险装置。
1.2.4 冷挤压工艺的应用范围
通过上述分析可见，冷挤压加工方法是一种“优质、高产、低消耗、低成本”的先进工艺，在技术上和经济上都有很高的应用价值。目前，冷挤压技术已经在我国汽车、摩托车、仪表、电信器材、轻工、建筑、宇航、船舶、军工及五金等工业部门中获得了广泛
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的应用，已成为金属塑性成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。
冷挤压作为一种少无切屑的新工艺，已经成为世界先进制造技术中及具特色的一个门类。冷挤压加工的缺点和优点相比是次要的，是相对于当前技术条件而言的，随着科学技术的迅速发展，模具钢新材料的研究及开发，模具结构设计的合理化，缺点问题会被解决，优越性将会得到充分发挥。在21世纪，这种先进的金属塑性成形加工工艺将会起到更大的作用，在各个行业中得到越来越广泛的应用。
1.3 冷挤压技术现状及发展方向
1.3.1 冷挤压技术的现状
冷挤压加工的发展在初期是极其缓慢的，长期以来一直局限于铅和锡等几种较软的金属材料。18世纪末，法国人首先成功地冷挤压出铅棒。直到19世纪末20世纪初，才开始应用于锌、锡、纯铜、无氧铜及黄铜等，如冷挤压生产锡制牙膏管。英国于1886年开始运用于冷挤压加工，某一工厂先从加工软金属开始，后来逐步实现冷挤压比较坚硬的有色金属，如锌、铝、铜及其合金。1903年美国运用冷挤压制成薄壁黄铜管。随后，又采用预制成杯形坯料，然后再用正挤压的方法，成功地制成深孔杯形件。第一次世界大战期间，美国军火商采用这种挤压方法大批量生产黄铜弹壳。第一次世界大战后，德国用冷挤压方法可成批生产纯铝和纯锌电容器外壳等各种有色金属器件。
至于钢的冷挤压，美国曾企图通过冷挤压法生产刚质弹壳，经过较长时间的研制，但是最终还是未获成功。这是因为在黑色金属冷挤压时需要很大的压力，而在当时的工业条件下还不能找到能承受较大压力下的模具材料，也没有找到良好的润滑剂以及大吨位的冷挤压压力机。直到20世纪40年代，冷挤压钢零件的新工艺才开始在德国首先得到应用。
钢的冷挤压正式用于国民经济中的各行各业始于1947年。美国于1949年发表了关于各种钢材冷挤压前后力学性能的实验结果。德国于1950年发表了关于黑色金属的冷挤压试验报告，得出了一些基本工艺的技术数据，并在1953年公布了关于钢的冷挤压压力和挤压功的实验结果。日本于1957年引进专用冷挤压压力机以后，在钟表等精密仪器工业中开始应用冷挤压加工。由于这种技术的经济效益极其显著，不久，便在大批量生产的汽车、电器及纺织等工业部门中得到了广泛的应用。现在，这种技术已在机械零件制造行业中成为一种极重要的加工手段，并遍及于国民经济的各个工业部门。
在我国，解放前，冷挤压加工技术是极端落后的。当时只有极少数的工厂用铅、锡等有色金属挤压牙膏管、线材和管材等。解放后，冷挤压加工技术得到了发展。在改革开放
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以来，引进了一些国外先进的模具钢种。在模具材料的使用方面，除了采用高碳高铬钼钢、高速钢、滚珠轴承钢、弹簧钢以外，还采用了不少新型模具钢以及硬质合金、基体钢、钢结构硬质合金等。冷挤压模具的使用寿命已从一般可达5000~50000次增加到400000~5000000次。在模具结构设计方面，采用近代的最优化设计计算方法、CAD/CAM系统以及数字化技术和专家系统，在保证强度、刚度等要求的前提下，充分发挥了模具材料的潜力。在模具制造方面，采用了先进的快速造型技术，并采用先进的无轴高速数控加工，既快又能精密地制得所需的冷挤压模具。在冷挤压压力机方面，我国已拥有各级吨位挤压压力机的独立设计和制造能力。现在，除了经常采用的冷挤压压力机、通用机械压力机、液压机之外，我国还成功地采用了摩擦压力机与高速锤进行冷挤压生产[1]。
1.3.2 冷挤压技术发展方向
1）进一步扩大冷挤压的应用，在一定范围内逐步代替铸造、锻造、拉深、旋压、摆辗及切削加工；
2）除了上述所指的有色金属及黑色金属以外，进一步扩大可供冷挤压用的材料种类； 3）在合理许用的范围内提高每次冷挤压工序的变形量；
4）满足冷挤压零件形状的复杂性，使之可以成型更复杂的，甚至外形不对称的零件； 5）延长冷挤压模具的使用寿命； 6）提高冷挤压的生产率；
7）在小批量生产中扩大冷挤压的使用；
8）先进的智能化、敏捷化与数字化等现代化技术在冷挤压生产中得到进一步应用。
1.4 冷挤压模具设计基础知识
1.4.1 冷挤压模具的构造及特点
1）冷挤压模具的构造[2]
冷挤压模具一般由以下四部分组成：工作部分（凸模，凹模，上、下模座）；导向部分（导柱，导套或导筒）；卸料和顶出部分（卸料板，顶杆）；紧固部分（凹模压板，螺栓，销钉等）。冷挤模零件分为工艺零件和辅助零件。常用的模具结构有：专用反挤模，正挤模，复合模和通用模等。 2）冷挤压模具的特点
冷挤模的外部轮廓形状酷似板料冲压模具，但它比普通冲压模具承受的压力要大得多。此压力一般为2000~2500MPa，甚至更高，达到材料强度的4~6倍，一般接近甚至超
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