冷鍛工藝之鐓鍛與型鍛

■ 盧險峰

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冷鍛基本工序名目繁多，20年前筆者給出的構成框圖，將其分為單一變形工序與復合變形工序兩大類。其中，單一變形工序按其坯料的變形方式、方法歸總為七組：鐓鍛、型鍛、擠壓、模鍛、壓印、整徑與變薄。本文先對前兩種基本工序作些簡要介紹。

圖1 鐓鍛示意

一、鐓鍛

冷鐓鍛的定義：利用冷鍛設備施給的壓力，在冷鍛模具工作零件—沖頭與凹模之間，使金屬坯料的整體或其一部分由軸向壓縮轉為橫向明顯擴展的一種冷鍛加工方法。其特點是坯料的橫截面積增大。

依據坯料變形部位不同及沖頭、凹模工作部分形狀相應的不同，鐓鍛可分為: 鐓粗（整體鐓鍛），如圖1a、圖1b 所示；頂鐓（鐓頭），如圖1c、圖1d所示；中間鐓粗，如圖1e、圖1f 所示。

各種鐓鍛方法可加工出不同的冷鍛產品零件，就連日常生活中時?？梢姷穆菽?、螺釘、鉚釘及雙頭螺栓類零件，也都要分別經鐓粗、鐓頭及中間鐓粗而成形。

現今鐓鍛加工中，整體鐓粗是先制備（切斷） 好坯料，然后鐓鍛成形的。而頂鐓與中間鐓粗，多為先將棒料、線材鐓鍛成形，再行切斷而獲取工件。如在使用某些自動鐓鍛機進行頂鐓或中間鐓粗（包括多道鐓鍛成形工序） 的加工過程中，最后工序才是切斷。

1. 鐓粗

（1）鐓粗變形的特點 鐓粗，即整體鐓鍛，是使整個坯料由軸向壓縮轉為橫向擴展的一種鐓鍛工序。且從變形實質上來看，其是鐓鍛加工中最為典型的基本工序。不僅如此，模鍛、擠壓等工序中也都含有鐓粗變形。

如圖1a所示，高度為H。直徑為D0的坯料，在沖頭與凹模間被軸向壓縮為高度H、直徑為D的工件，這就是鐓粗變形的示意。也稱此為自由鐓粗。

鐓粗過程中，雖然整個坯料參與變形，全為變形區，但在各個部位上變形是不均勻的。鐓粗變形劃分三個區位的理論及其各個區域主應力分布簡圖模型，可參見有關圖書資料。

對于鐓粗變形的度量，有兩個參數是這樣定義的：

①高徑比：坯料的高度H0與直徑D0之比，記為

②鐓粗率：鐓粗前后高度變化與原始高度之比，記為

鐓粗率εH是一種相對應變，是對鐓粗變形程度的一種度量。與板料沖壓中少用相對應變、多用對數應變道理一樣，各種冷鍛加工工序的變形程度也應該多用對數應變來度量。故鐓粗率的另一種定義為鐓粗前、后高度之比取對數，記為

以上兩式均表明，鐓粗率愈大，鐓粗變形程度也愈大。有關手冊資料上可以查到經驗數據。

（2）鐓粗變形可能產生的缺陷 鐓粗件常見的缺陷主要有以下6種：①縱向彎扭。在鐓粗及鐓鍛中，坯料因被垂直壓縮、產生失穩而出現一種彎扭的現象，稱這種現象為縱向彎扭。②表面折疊。在冷鍛變形過程中，坯料相鄰表面重疊在一起而壓入表層的一種缺陷叫表面折疊。 ③表面裂紋。裂紋是指連續體的金屬出現不連續而開裂的現象。鐓粗體表面裂紋主要表現為縱向裂紋與斜向裂紋兩種情況。④內部裂紋。這是指產生在鐓粗體內部的裂紋。鐓粗體內部裂紋除了有縱向裂紋和斜向裂紋以外，有時還有橫向裂紋。⑤鼓形。鼓形（鼓肚）是鐓粗變形規律的表現，不應該算作鐓粗的缺陷。但是，對于外側面要求平直的鐓粗制品，存在鼓形當然是一種質量問題。⑥附加應力與殘余應力引起的裂紋。此乃因變形體變形不均勻而導致。

既然有缺陷產生，必然有對策防預。生產實際中也早出現了很成熟的一些預防方法、經驗。需要提及的是：冷鐓粗變形過程中所產生的上述6種缺陷，在熱鐓粗中同樣可能產生；而熱鐓粗變形過程中還可能因加熱（引起的過熱、過燒及氧化皮等）原因而導致出現的缺陷，在冷鐓粗中則是不存在的。

2. 頂鐓

頂鐓，亦稱為鐓頭。顧名思義，是坯料端頭的一部分材料由軸向壓縮轉為橫向擴展的一種鐓鍛工序。

比較圖1c、圖1a可知， 兩者很類同，僅其H0高度不同。因此，頂鐓的變形本質與特點與鐓粗工序完全相同，其出現質量問題的原因及預防方法也應該與鐓粗工序相同。但是，在模具工作部分的設計有一些特點，主要是：① 凹模要有夾持好坯料不變形部分功能，其孔口邊緣應成圓角。② 頂鐓平端和圓柱頭部，沖頭工作部分的形狀與鐓粗模沖頭相同。③ 頂鐓外凸曲面形鐓頭件時，沖頭工作部分的形狀要有相應的內凹曲面形狀。④ 當頂鐓件頭部外曲面的端面的表面粗糙度要求不同時，沖頭內凹中心處一般設計會不同。⑤ 當形狀復雜的頭部（如螺栓六角頭等）要設計多次頂鐓工藝和模具。

3. 中間鐓粗

中間鐓粗，很明顯是使坯料的中間部位由軸向壓縮轉為橫向擴展（兩端均有材料不變形）的一種鐓鍛工序。

比較圖1f與圖1a和圖1c，也容易知道，僅其H0高度不同。鍛件的兩端仍保留一段D0的高度。可見，中間鐓鍛的變形實質與鐓粗及頂鐓工序相同。

中間鐓粗模具工作部分設計要點：① 凹模功能及工作部分設計原則同頂鐓凹模。② 沖頭工作部分要有容納坯料不變形部分長度的相應內孔，且孔口邊緣要成圓角。③ 要鐓制中間成圓柱體形零件，應采用半封閉式鐓鍛方式，沖頭與凹模應有相應的內形。④ 形狀復雜的零件需要設計多次中間鐓粗工藝和模具。

二、型鍛

冷型鍛的定義：利用冷鍛設備的動力，在平端的沖頭與凹模間，使金屬坯料沿其橫向壓縮變形的一種冷鍛加工方法。型鍛的特點是坯料的橫截面變薄。在實際生產中，這種加工主要是在鍛錘的型砧上進行的，故取名為型鍛。很明顯，型鍛的變形也包含有鐓鍛的特點。

依據坯料變形部位的不同，型鍛可分為兩種基本工序：端部拔長（或展寬） 和中間壓扁。如圖2所示，其中，圖2a為端部拔長件，圖2b為中間壓扁件，圖中雙點劃線為原坯料形狀。

我國北宋時期的“瘊子甲”之“冷鍛”（我國古代發明的新名詞、發展的新工藝）方法，應當是一種較為原始的型鍛。當時，沒有鍛錘設備；所用的型砧中，上砧可能是類似榔頭的東西，下砧可能有類似下面介紹的型砧類型的簡易形狀?！梆蛹住币晃闹?，“比元厚三分減二”乃成，完全有理由認定是鐓粗率，即鐓粗率公式的雛形。

在現今的生產實際中，熱型鍛比冷型鍛要應用得更多些。

圖2 型鍛件示意

1. 端部拔長

端部拔長是使坯料的一端沿其橫向壓縮、軸向伸長的一種型鍛工序。

拔長坯料常有矩形斷面和圓形斷面兩種，如圖2a所示。拔長與中間壓扁工序多在鍛錘上（如空氣錘上）進行，沖頭即為上砧，凹模即為下砧。每一次拔長都要經過坯料送進、沖頭下壓來完成。長度為L0的坯料，送進一段l＜b（料的寬度）置型砧上；沖頭下壓，壓下量Δh小于坯料高度h很多；然后，又坯料送進，沖頭下壓。

由此表明，拔長變形區坯料的變形與鐓粗變形基本相似，故拔長變形的質量問題也與鐓粗基本相同，但是，有兩點特殊：

彎扭缺陷不嚴重 因鐓粗高徑比（這里是橫向壓縮時的厚度與寬度之比）不大。

裂紋誘發可能因素增多 因為拔長件要經過多次送進和壓下的拔長操作，其間連接控制不好，會形成裂紋。

還可以拔長出非扁平形的工件。比如用圓形坯料，經過正方形到八角形的過渡，可拔長成更細的圓形件；用圓形坯料，通過用V形、圓弧形工作表面的沖頭與凹模逐步進行拔長，也可獲得更細的圓形件。在這方面，前人有很多經驗積累。

2. 中間壓扁

中間壓扁是在坯料的中間部位沿其橫向壓縮而變薄的一種型鍛工序。由圖2b可知，中間壓扁時，毛坯沿其軸向（即料長方向）僅有一小段l區參與變形，兩邊為非變形區。橫向受壓縮的變形區坯料，其擴展的方向當然是其他兩個方向：寬度b方向和軸向l方向，這是由體積不變條件確定的。中間壓扁主要有兩種情況、兩種設計。

（1）軸向延伸壓扁 軸向延伸的壓扁，須l＜b。在進行l＜b的條件下中間壓扁時，由于變形區l部分與模具接觸面有較大的、來自寬度方向的摩擦阻力的作用，阻礙了材料向寬度方向擴展。更重要的是相鄰左右兩區為不變形區，而在l區上下受壓欲擴展時，受到了來自左右兩區的一個剪切阻力的作用。這個剪切阻力，也和上述摩擦阻力的情況相同，產生寬度方面的壓力而阻礙材料在寬度方向上的擴展，只能使其沿軸向擴展。即變形結果如圖2b右圖所示。

因此，對長毛坯的拔長操作，也如同這種中間壓扁一樣，采取由中間向一端分步進行的方法，都是基于對同一理論指導。在操作上，如圖2a右圖所示的端部拔長件，若第一次的拔長不從端部進行，也就可以型鍛出一種中間壓扁件。

（2）展寬壓扁 在進行展寬壓扁時，須l＜b。在l＜b的中間壓扁中，由于上述的這種剪切阻力的作用減弱，且變形區端面上的摩擦阻力也有所減弱，使得變形能夠沿寬度方向擴展。其變形結果如圖2b左圖所示。

同理，如圖2a左圖所示的端部拔長件，如果第一次拔長不從端部開始，而是從離端部一段距離開始，也有可能型鍛出類似圖2b右圖所示的展寬壓扁件。