Das Kaltstauchen (Strangpressen) gehört zur Metalldruckverarbeitung und zählt zu den spanlosen Metalldruckverarbeitungsverfahren.
Bei der Produktion wird bei normaler Temperatur eine äußere Kraft auf das Metall ausgeübt, um es in der vorbestimmten Form zu formen. Dieses Verfahren wird üblicherweise als Kaltstauchen (Extrusion) bezeichnet.
Beim Umformprozess von Verbindungselementen ist die Kaltstauchtechnologie (Extrusion) eine Hauptverarbeitungstechnologie. Die Kaltstauchtechnologie ist für die Herstellung am besten geeignetSchrauben, Schrauben, Muttern und Nieten.
Heute stellt Xiao Bian das Grundkonzept des Kaltstauchens, die Entwicklungsgeschichte des Kaltfließpressens, die Vor- und Nachteile des Kaltstauchens und den Vergleich von Kaltstauchen, Warmstauchen und Warmstauchen vor.
Grundkonzept des Kaltstauchens
Kaltstauchen (Extrusion) ist ein wichtiger Teil der Präzisions-Kunststoff-Volumenformungstechnologie. Kaltextrusion bezieht sich auf das Einbringen eines Metallrohlings in den Formhohlraum im kalten Zustand, wodurch Metallmaterial gezwungen wird, unter Einwirkung von starkem Druck und bestimmter Geschwindigkeit einen plastischen Fluss zu erzeugen, um die erforderliche Form, Größe und bestimmte mechanische Eigenschaften der Extrusionsteile zu erhalten .
Offensichtlich stützt sich das Kaltfließpressverfahren auf die Form, um den Metallfluss zu steuern, und beruht auf der massiven Übertragung von Metallvolumen, um Teile zu formen.
Tatsächlich kann das Formen jedes Befestigungselements nicht nur durch Kaltstauchen, sondern auch durch Vorwärts- und Rückwärtsextrusion, Verbundextrusion, Stanzen, Walzen und andere Verformungsverfahren zusätzlich zur Stauchverformung realisiert werden.
Daher ist der Begriff „Kaltstauchen“ in der Produktion nur ein gebräuchlicher Begriff. Genauer gesagt sollte es "Kaltstauchen (Extrusion)" genannt werden.
Entwicklungsgeschichte des modernen Kaltfließpressens
Die moderne Kaltfließpresstechnik begann Ende des 18. Jahrhunderts. Die Franzosen begannen während der Französischen Revolution mit der Kaltextrusion, indem sie Blei aus kleinen Löchern in Kugeln extrudierten.
1830 begannen einige Menschen in Frankreich, mechanische Pressen zu verwenden, um Blei- und Zinnrohre durch Umkehrextrusion herzustellen.
Um Anzugknöpfe aus Messing in den Vereinigten Staaten herzustellen, hat 1906 jemand das Patentrecht auf den hohlen Schalenrohling der Vorwärtsextrusion erhalten.
Das Hooker-Verfahren, das 1909 von Amerikanern patentiert wurde, ist das Vorwärtsstanz-Extrusionsverfahren. Die Metallflussrichtung ist die gleiche wie die Stanzextrusionsrichtung. Es wurde nach dem Kauf des Patents von 1906 entwickelt. Der Becherrohling im Patent wird im Tiefziehverfahren hergestellt.
Im Ersten Weltkrieg wurde das Hooker-Verfahren zur Herstellung der Patronenhülse aus Messing verwendet. 1934 vor dem Zweiten Weltkrieg nutzten die Deutschen dieses Verfahren zur Versuchsherstellung der Patronenhülse aus Stahl, scheiterten jedoch an der starken thermischen Haftung.
Erst Mitte des Zweiten Weltkriegs war das Extrusionsverfahren bei der Herstellung der Stahlpatronenhülse erfolgreich, da ein neues Oberflächenschmierbehandlungsverfahren verwendet wurde - um einen Phosphatfilm auf der Oberfläche des Werkstücks zu bilden.
Seitdem ist die Kaltfließpresstechnologie praktisch geworden und hat sich zum am weitesten verbreiteten Verfahren in der Kaltschmiedetechnologie entwickelt.
In den 1960er Jahren schuf das Wachstum der japanischen Automobilindustrie günstige Bedingungen für die Entwicklung der Kaltfließpresstechnologie. Seit der Produktion der ersten 2000-kN-PK-Präzisionspresse (Winkelpresse) Japans durch die japanische Keida Corporation im Jahr 1933 wurden bisher mehr als 2000 Pressen der PK-Serie hergestellt.
Mit der Entwicklung der Automobilindustrie wird die Nachfrage nach hochpräzisen Pressen immer dringender. Huida Co., Ltd. hat auch verschiedene Schmiedepressen entwickelt.
Gleichzeitig hat Komatsu aus Japan Kaltschmiedepressen der Serien LIC und LZC mit hoher Präzision und einfacher Bedienung als Ziel entwickelt.
Aus der Sicht von Kaltfließpressprodukten hat Japan in den 1970er Jahren das Startkupplungszahnrad, die Keilverzahnung der Antriebswelle und den Polkern der Lichtmaschine erfolgreich kaltfließgepresst. In den 1980er Jahren wurden auch erfolgreich große hochpräzise Kugelaußenringe mit konstanter Geschwindigkeit, Innenringe, Querwellen, Differentialkegelräder für Kraftfahrzeuge und andere hochpräzise Teile kaltgepresst. Es hat große Beiträge zur hohen Leistung japanischer Autos und zur Senkung der Produktionskosten geleistet.
Die Kaltfließpresstechnologie in China hat eine ähnliche Startzeit wie in Japan. In den 1970er Jahren förderte China die unterkühlte Extrusionstechnologie in der Serienproduktion von Fahrrädern, Elektrogeräten für Autos und anderen Produkten und entwickelte erfolgreich das Extrusionsformen des Startzahnrads und brachte es in die Serienproduktion.
Eine Reihe von technischen Problemen wie Verfahren, Ausrüstung, Materialien, Formen, Schmierung, Automatisierungseinrichtungen und die ursprüngliche Größe, der ursprüngliche Zustand und die Nachbehandlung des Rohlings wurden jedoch nicht grundlegend gelöst, sodass es nicht weit entwickelt wurde. In den 1980er Jahren, mit der rasanten Entwicklung der Haushaltsgeräte- und Automobil- und Motorradindustrie, der Einführung, Verdauung und Absorption von Kaltextrusionsprozessanlagen und Produktionstechnologien, überwanden wissenschaftliche Forscher viele Probleme der Kaltextrusionstechnologie durch die Produktionspraxis und gleichzeitig , die Kaltschmiedeausrüstung hat sich ebenfalls stark entwickelt.
Gegenwärtig ist China in der Lage, Uhrengehäuse, Schwungräder für Fahrräder, Mittelwellen, präzisionsgeschmiedete Zahnräder, Gleichlaufgelenke für Automobile, Zündkerzen und Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren, Stößel für Automobile, Kamerateile, Richtungshülsen für Automobilstarter, Startzahnräder usw. mit kalter Extrusionstechnologie und hat im In- und Ausland das gleiche Niveau erreicht.
Vorteile des Kaltstauchverfahrens (Extrusion).
Die Kaltfließpresstechnologie ist eine fortschrittliche Produktionstechnologie mit hoher Präzision, hoher Effizienz, hoher Qualität und geringem Verbrauch, die hauptsächlich in der Großserienproduktion von kleinen und mittleren Schmiedestücken eingesetzt wird. Gegenüber anderen Verarbeitungsverfahren hat das Kaltfließpressen folgende Vorteile:
a) Rohstoffe sparen. Beim Kaltstrangpressen wird die plastische Verformung von Metall verwendet, um Teile mit der erforderlichen Form herzustellen, wodurch das Schneiden erheblich reduziert und die Materialausnutzung verbessert werden kann. Der Materialnutzungsgrad beim Kaltfließpressen kann in der Regel über 80 Prozent erreichen.
b) Verbesserung der Arbeitsproduktivität. Die Verwendung des Kaltfließpressverfahrens anstelle des Schneidens zur Herstellung von Teilen kann die Produktivität um ein Vielfaches, Dutzende Male, sogar Hunderte Male steigern.
c) Teile können eine ideale Oberflächenrauhigkeit und Maßhaltigkeit erhalten. Die Präzision der Teile kann IT7~IT8 erreichen, und die Oberflächenrauheit kann R0.2~R0.6 erreichen. Durch Kaltfließpressen bearbeitete Teile werden daher selten nachgeschnitten und müssen nur an Stellen mit besonderen Anforderungen fein geschliffen werden.
d) Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Teilen. Die Kaltverfestigung des Metalls nach dem Kaltfließpressen und die Bildung einer angemessenen Faserstromlinienverteilung innerhalb der Teile machen die Festigkeit der Teile viel höher als die der Rohmaterialien. Darüber hinaus kann ein vernünftiger Kaltfließpressprozess Druckspannungen auf der Oberfläche von Teilen bilden und die Ermüdungsfestigkeit verbessern. Daher kann der Wärmebehandlungsprozess für einige Teile weggelassen werden, die ursprünglich eine Wärmebehandlungsverstärkung nach dem Kaltfließpressprozess benötigen. Einige Teile müssen ursprünglich aus hochfestem Stahl hergestellt werden und können nach dem Kaltfließpressen durch niedrigfesten Stahl ersetzt werden.
e) Es kann Teile mit komplexer Form verarbeiten, die schwer zu schneiden sind. Wie unregelmäßiger Schnitt, komplexer Innenhohlraum, Innenverzahnung und unsichtbare Innenrille.
f) Reduzieren Sie die Teilekosten. Da das Kaltfließpressverfahren die Vorteile hat, Rohstoffe einzusparen, die Produktivität zu verbessern, die Schnittmenge von Teilen zu reduzieren und hochwertige Materialien durch schlechte Materialien zu ersetzen, werden die Teilekosten stark reduziert.
Schwierigkeiten bei der Anwendung der Kaltextrusionstechnologie
1) Hohe Anforderungen an Formen. Beim Kaltfließpressen wird der Rohling in der Matrize einer dreidimensionalen Druckspannung ausgesetzt, wodurch der Verformungswiderstand deutlich erhöht wird, wodurch die Beanspruchung der Matrize viel größer ist als die des allgemeinen Stanzwerkzeugs. Beim Kaltfließpressen von Stahl erreicht die Spannung der Matrize oft 2000 MPa~2500 MPa. Neben einer hohen Festigkeit sollte die Form auch eine ausreichende Schlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Darüber hinaus erhöht die starke plastische Verformung des Metallrohlings in der Form die Formtemperatur auf etwa 250 bis 300 Grad. Daher benötigt der Formstoff eine gewisse Anlassstabilität. Aufgrund der oben genannten Bedingungen ist die Lebensdauer des Kaltfließpresswerkzeugs weitaus geringer als die des Stanzwerkzeugs.
2) Eine Presse mit großer Tonnage ist erforderlich. Aufgrund des großen Verformungswiderstands des Rohlings beim Kaltfließpressen sind Hunderte oder sogar Tausende Tonnen Pressen erforderlich.
3) Aufgrund der hohen Kosten von Kaltfließpresswerkzeugen ist es im Allgemeinen nur für Teile anwendbar, die in großen Mengen hergestellt werden. Die geeignete Mindestchargengröße beträgt 50000 bis 100000 Stück.
4) Der Rohling muss vor der Extrusion oberflächenbehandelt werden. Dies erhöht nicht nur die Anzahl der Prozesse und beansprucht eine große Produktionsfläche, sondern macht es auch schwierig, eine Produktionsautomatisierung zu realisieren.
5) Es ist nicht geeignet für die Bearbeitung von hochfesten Materialien.
6) Die Plastizität und Schlagzähigkeit von Kaltfließpressteilen werden schlecht und die Restspannung der Teile ist groß, was zu einer Verringerung der Verformung und der Korrosionsbeständigkeit der Teile führt (Spannungskorrosion).
Entwicklungstrend der Kaltfließpresstechnik
1) Mit der zunehmend ernsten Energiekrise werden die Menschen der Umweltqualität mehr Aufmerksamkeit schenken, und der immer härter werdende Marktwettbewerb wird die Schmiedeproduktion fördern, um sich in Richtung hoher Effizienz, hoher Qualität, Verfeinerung, Energieeinsparung und Materialeinsparung zu entwickeln. Daher wird die Produktion von raffinierten Schmiedestücken, die durch Extrusion und andere technologische Mittel hergestellt werden, im Wettbewerb auf dem Markt stark entwickelt.
2) Mit der Entwicklung des Automobils in Richtung Leichtbau, Hochgeschwindigkeit und Laufruhe werden höhere Anforderungen an die Maßhaltigkeit, Gewichtsgenauigkeit und mechanischen Eigenschaften von Schmiedeteilen gestellt. Zusätzlich zu den Anforderungen für den Fehler zwischen dem großen und dem kleinen Ende darf beispielsweise der Gewichtsfehler jedes geschmiedeten Pleuels für Automotoren nicht mehr als 8 g betragen. Die hohen Anforderungen an neue Produkte werden die Entwicklung verfeinerter Produktionstechnologien vorantreiben.
3) Die spezialisierte und groß angelegte Organisation der Produktion ist nach wie vor die Entwicklungsrichtung und der Trend der Kaltextrusionsproduktion. In Frankreich war die Gesamtarbeitsproduktivität professioneller Hersteller, die von 1991 bis 1994 Schmiedestücke im Strangpressverfahren herstellten, d. h. der Output und der Outputwert von Strangpressteilen pro Person, höher als die der allgemeinen Hersteller, die Gesenkschmiedestücke oder Freischmiedestücke herstellen. Nehmen Sie als Beispiel 1994, die Pro-Kopf-Produktion von Extrusionsteilen von professionellen Herstellern betrug 51024 kg, was einem Produktionswert von 775688 Franken entspricht. Im gleichen Zeitraum betrug die durchschnittliche Pro-Kopf-Leistung der Hersteller von Gesenkschmiedeteilen nur 39344 KG, bei einem Produktionswert von 592384 Franken, was nur 77,1 Prozent und 76,37 Prozent der professionellen Hersteller von Strangpressteilen entsprach. Verglichen mit der freien Schmiedefabrik ist es niedriger.
4) Spezielle Extrusionsmaschinen werden zu einem Entwicklungstrend. Mit der Entwicklung der verfeinerten Produktion von mittleren und kleinen Schmiedestücken und der Förderung und Anwendung von Kaltfließpress- und Warmfließpressverfahren werden Kaltfließpressen mit mehreren Stationen, Präzisionspressen und Spezialmaschinen, die für bestimmte Schmiedestücke entwickelt und hergestellt werden, stark weiterentwickelt.
Gängige Extrusionsverfahren lassen sich in die folgenden Kategorien einteilen
a) Beim Vorwärtsfließpressen stimmt die Metallflussrichtung mit der Bewegungsrichtung des Stempels überein. Das Vorwärtsstrangpressen kann in zwei Arten unterteilt werden: massives Vorwärtsstrangpressen und hohles Vorwärtsstrangpressen. Mit dem Vorwärtsfließpressverfahren können Voll- und Hohlteile unterschiedlicher Formen wie Schrauben, Dorne, Rohre und Patronenhülsen hergestellt werden.
b) Rückfließpressen: Beim Fließpressen ist die Fließrichtung des Metalls entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Stempels. Durch das Hinterfließpressen können topfförmige Teile mit unterschiedlichen Querschnittsformen hergestellt werden, wie z. B. Instrumentengehäuse, Kreuzgelenklagerhülse etc.
c) Verbundstrangpressen: Beim Strangpressen entspricht ein Teil der Metallflussrichtung des Rohlings der Bewegungsrichtung des Stempels, während der andere Teil der Metallflussrichtung der Bewegungsrichtung des Stempels entgegengesetzt ist. Das Compound-Extrusionsverfahren kann Doppelbecherteile herstellen, kann auch Becher- und Stangenteile herstellen.
e) Extrusion mit reduziertem Durchmesser ist eine Art anormales Vorwärtsextrusionsverfahren mit geringer Verformung, und der Rohlingsabschnitt wird nur geringfügig reduziert. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von gestuften Wellenteilen mit geringem Durchmesserunterschied und als Endbearbeitungsprozess von Tiefloch-Becherteilen verwendet.
Das gemeinsame Merkmal der obigen Extrusionsverfahren besteht darin, dass die Fließrichtung der Goldspäne parallel zur Stempelachse ist, so dass sie zusammenfassend als axiales Extrusionsverfahren bezeichnet werden können. Daneben gibt es das Radialfließpressen und das Stauchfließpressen.
Vergleich von Kaltfließpressen, Heißfließpressen und Warmfließpressen
a) Obwohl das Kaltextrusionsverfahren viele Vorteile hat, begrenzt der große Verformungswiderstand die Größe der Teile und schränkt auch die Verwendung der Kaltextrusionstechnologie für Materialien mit großem Verformungswiderstand ein.
b) Obwohl das Heißstrangpressverfahren den Verformungswiderstand des Materials verringern kann, kann es die Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität des Produkts aufgrund der Probleme der Oxidation, Entkohlung und Wärmeausdehnung, die durch das Erhitzen verursacht werden, verringern. Daher erfordert es im Allgemeinen viel maschinelle Bearbeitung, bevor es als Endprodukt verwendet werden kann.
c) Warmextrusionsverfahren besteht darin, den Rohling auf eine geeignete Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls für die Extrusion zu erhitzen. Aufgrund der Metallerwärmung wird der Verformungswiderstand des Rohlings reduziert, das Umformen ist einfach, die Tonnage der Presse kann ebenfalls reduziert werden und die Lebensdauer der Matrize wird verlängert. Es unterscheidet sich jedoch vom Warmstrangpressen, da die Möglichkeit der Oxidation und Entkohlung beim Erhitzen im niedrigen Temperaturbereich gering ist und die mechanischen Eigenschaften des Produkts sich nicht von denen des Kaltstrangpressens unterscheiden. Insbesondere Materialien, die bei Raumtemperatur schwer zu bearbeiten sind, wie Edelstahl, Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, einige Stähle mit hohem Chromgehalt und Superlegierungen, die gehärtete Phasen ausscheiden, können während des Warmstrangpressens zerspanbar oder leicht zerspanbar werden.
d) Das Warmfließpressen eignet sich nicht nur für schwer zu verarbeitende Materialien mit hohem Verformungswiderstand, sondern auch für kohlenstoffarme Stähle, die für das Kaltfließpressen geeignet sind, da das Warmfließpressen den Vorteil hat, eine kontinuierliche Produktion zu ermöglichen. Während des Kaltfließpressens, einschließlich des Kaltfließpressens von kohlenstoffarmem Stahl, ist im Allgemeinen ein Vorweichglühen vor der Verarbeitung erforderlich, und ein Glühen ist auch zwischen den Kaltfließpressvorgängen erforderlich. Die Passivierungsbehandlung muss vor dem Kaltfließpressen durchgeführt werden. Dies macht es schwierig, eine kontinuierliche Produktion zu organisieren. Beim Warmstrangpressen kann ein Vorweichglühen und Glühen zwischen verschiedenen Prozessen vermieden werden, und es kann auch eine Oberflächenbehandlung vermieden werden, was eine kontinuierliche Herstellung von Mikrostrukturen ermöglicht. Zumindest können viele Hilfsprozesse eingespart werden.
e) Die Warmextrusion kann eine große Verformung annehmen, was die Anzahl der Prozesse verringern kann. Auch können die Gesenkkosten stark reduziert werden und anstelle hochpreisiger Schmiedeeinrichtungen mit extrem hoher Steifigkeit universelle Schmiedeeinrichtungen eingesetzt werden. Obwohl das Warmstrangpressen das Metall erhitzen muss, sind die Gesamtverarbeitungskosten relativ gering, insbesondere wenn nicht axialsymmetrisch geformte Teile mit komplexen Prozessen hergestellt werden, kann das Warmstrangpressen seine Rolle spielen.
f) Derzeit ist das beim Warmfließpressen verwendete Schmiermittel nicht vollständig zufriedenstellend. Gleichzeitig fehlen auch praktische Daten zur Verarbeitung, und es gibt viele technische Probleme zu lösen.
Vergleich von Warm- und Kaltstauchverfahren für Verbindungselemente
Heiß aufregen
Beim Warmstauchen wird der Knüppel durch Induktion oder im Schmiedeofen oder Ofen auf eine Temperatur oberhalb des Kristallisationspunkts des Metalls erhitzt.
Diese extrem hohe Temperatur ist notwendig, um eine Kaltverfestigung des Metalls während der Verformung zu vermeiden. Da sich das Metall im formgebenden Zustand befindet, kann es ziemlich komplexe Formen bilden. Das Metall behält Duktilität und Zähigkeit.
Die durchschnittliche Schmiedetemperatur, die zum Warmstauchen verschiedener Metalle erforderlich ist, beträgt:
Stahl bis 1150 Grad C
Aluminiumlegierung 360 bis 520 Grad C
Kupferlegierung 700 bis 800 Grad C
Um einige Metalle zu schmieden, wie z. B. superlegierten Stahl, wird ein als isothermisches Schmieden bezeichnetes Heißstauchen eingesetzt.
Dabei wird die Kokille auf knüppelnahe Temperatur aufgeheizt, um eine Oberflächenabkühlung der Teile während des Schmiedeprozesses zu vermeiden. Das Schmieden wird manchmal in einer kontrollierten Atmosphäre durchgeführt, um die Bildung von Oxidzunder zu minimieren.
Im Allgemeinen werden komplexe Teile durch Warmstauchen hergestellt, da sich das Material im plastischen Zustand verformen lässt und das Metall leichter zu verarbeiten ist.
Zu den Faktoren, die in Betracht gezogen werden sollten, gehören:
Fertigung komplexer Teile
Mittlere und niedrige Präzisionsabmessungen
Geringe Spannung oder geringe Kaltverfestigung
Gleichmäßige Kornstruktur
Erhöhte Duktilität
Zu den Nachteilen des Heißstauchens gehören:
Weniger genaue Toleranzen
Material kann sich beim Abkühlen verziehen
Ändern der Metallkornstruktur
Mögliche Reaktion zwischen umgebender Atmosphäre und Metall
Kaltstauchen (oder Kaltumformen)
Beim Kaltstauchen verformt sich das Metall unterhalb seines Kristallisationspunktes. Kaltstauchen verringert die Duktilität und verbessert die Zugfestigkeit und Streckgrenze. Das Kaltstauchen wird üblicherweise bei Raumtemperatur durchgeführt.
Das gebräuchlichste Metall in Kaltstauchanwendungen ist normalerweise Kohlenstoffstahl oder Kohlenstofflegierungsstahl. Kaltstauchen ist in der Regel ein Verfahren mit geschlossenem Werkzeug.
Kaltstauchen ist in der Regel billiger als Warmstauchen, und das Endprodukt erfordert wenig Nachbearbeitung. Aufgrund der Verbesserung der Metallfestigkeit durch Kaltstauchen können manchmal minderwertige Materialien verwendet werden, um Teile herzustellen, die nicht bearbeitet oder warm gestaucht werden können.
Das Kaltstauchen ist auch weniger anfällig für Verschmutzung, und das fertige Teil hat eine bessere Gesamtoberflächenbeschaffenheit.
Zu den Nachteilen gehören:
Die Metalloberfläche muss vor dem Schmieden sauber und frei von Zunder sein
Schlechte Duktilität von Metall
Es kann zu Restspannungen kommen
Sie benötigen schwerere und größere Geräte
Benötigen Sie eine Form mit höherer Festigkeit
Warmes Aufregen
Das Warmstauchen wird unterhalb der Rekristallisationstemperatur, aber oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt, wodurch die Nachteile des Warmstauchens und des Kaltstauchens überwunden und deren Vorteile erhalten werden.
Die Bildung einer kleinen Menge Oxidzunder kann genauer kontrolliert werden als Heißstauchen. Im Vergleich zum Kaltstauchen sind die Verarbeitungskosten geringer und der für die Herstellung erforderliche Druck ist ebenfalls geringer.
Im Vergleich zur Kaltumformung wird die Kaltverfestigung reduziert und die Duktilität verbessert.
