在现代制造业中，紧固件作为连接各种机械部件的关键元件，其质量与生产效率至关重要。紧固件冷镦成型工艺凭借其独特优势，成为了紧固件生产领域的核心技术，广泛应用于汽车、航空航天、电子、机械制造等众多行业。本文将深入探讨这一工艺的原理、流程、设备、优势及应用，展现其在现代工业生产中的重要价值。
一、冷镦成型工艺的基本原理
冷镦成型是一种金属冷加工工艺，基于金属在常温下的塑性变形特性。当金属坯料（通常为线材）在模具中受到强大外力（如冲头的冲击力或压力机的压力）作用时，其内部原子发生相对滑移和重排，导致金属体积重新分布，从而逐渐塑造成模具型腔所限定的形状，如螺栓的头部、螺母的六角形状等。
在这一过程中，金属产生冷作硬化现象。随着塑性变形的进行，金属内部位错密度增加，位错之间相互作用、缠结，使得进一步的位错运动变得困难，宏观上表现为金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降。这种冷作硬化效应在一定程度上提升了紧固件的力学性能，如抗拉强度、屈服强度等，使其更能满足实际使用中的力学要求。
二、冷镦成型工艺的详细流程
（一）原材料准备
- 材料选择：冷镦工艺对原材料的塑性要求较高，通常选用塑性良好的金属线材。常见的材料包括低碳钢（如 Q195、Q235），因其成本低、塑性好，广泛用于普通紧固件生产；中碳钢（如 45 钢），经过适当处理后可用于制造强度要求较高的紧固件；合金钢（如 35CrMo、40Cr 等），适用于制造高强度、高性能的紧固件；此外，铜合金、铝合金等有色金属线材也常用于特定环境或性能要求的紧固件，如电子设备中对导电性、耐腐蚀性有要求的部件。
- 线材规格确定：根据目标紧固件的尺寸和形状，精确选择合适直径和长度的线材。线材直径需与冷镦机的送料系统及模具规格相匹配，以确保稳定送料和精确成型。例如，生产 M6 螺栓可能需要直径为 6.5mm 左右的线材，具体数值会根据工艺要求和材料特性微调。
（二）预处理
- 去除氧化皮：线材在储存和运输过程中，表面易形成氧化皮。氧化皮不仅会影响冷镦过程中金属的流动，还可能压入工件表面，降低产品质量，因此必须在冷镦前去除。常见的去除方法有酸洗法，将线材浸泡在盐酸或硫酸溶液中，通过化学反应溶解氧化皮；机械剥壳法，利用钢丝刷、砂轮等机械装置直接刮除氧化皮。
- 表面润滑处理：为降低冷镦过程中金属与模具之间的摩擦力，提高模具寿命，减少工件表面划伤，需对线材进行表面润滑处理。常用的润滑方法有磷化处理，将线材浸入含有磷酸盐的溶液中，使其表面形成一层磷酸盐薄膜，该薄膜具有良好的润滑性能和吸附性，能有效减少摩擦；皂化处理，在线材表面涂覆一层皂化液，形成润滑膜，进一步降低摩擦系数。
- 调直切断：由于线材在卷绕状态下存在弯曲，需先通过调直机进行校直，确保线材在送料过程中能够顺利、稳定地进入模具。校直后的线材再由切断机按照预定长度切成单个坯料，坯料长度根据紧固件最终尺寸和冷镦工艺中的体积不变原则精确计算确定。
（三）冷镦成型
- 单工位冷镦：适用于形状简单、尺寸较小的紧固件，如小规格铆钉、销钉等。在单工位冷镦机上，坯料被放置在模具中，冲头单次冲击或挤压坯料，使其一次成型。例如，生产直径 3mm 的铆钉，坯料放入模具后，冲头迅速下压，将坯料一端镦粗成铆钉头部，杆部保持原有直径，完成铆钉的冷镦过程。
- 多工位冷镦：对于形状复杂、尺寸较大的紧固件，如螺栓、螺母等，多工位冷镦机发挥着关键作用。多工位冷镦机通常配备 2 – 6 个连续的工位，每个工位完成特定的成型步骤，坯料在工位间依次传递，逐步实现最终形状。以生产 M10 六角头螺栓为例，在典型的 4 工位冷镦机上，流程如下：
- 第一工位：坯料首先进入第一工位，冲头对坯料进行初步镦粗，使坯料一端形成略大于螺栓头部直径的雏形，为后续成型奠定基础。
- 第二工位：坯料进入第二工位，在此处进行头部的精镦，通过特定形状的模具进一步塑造头部形状，确定头部的尺寸精度和表面质量，如形成标准的六角形状，保证各边尺寸公差在规定范围内。
- 第三工位：若螺栓杆部存在缩径等特殊要求，在第三工位完成相应变形。例如，对于需要细杆段的螺栓，通过模具对杆部进行挤压，使其直径减小到设计尺寸。
- 第四工位：进行切边操作，去除头部成型过程中产生的飞边，保证螺栓头部尺寸精确、边缘整齐，符合产品质量标准。
（四）后续加工
- 螺纹加工：对于螺栓、螺柱等带有螺纹的紧固件，螺纹加工是关键环节。冷镦成型后的坯料通常采用滚丝或搓丝工艺加工螺纹。滚丝是利用一对带有螺纹牙型的滚丝轮，将坯料置于两轮之间，通过滚丝轮的旋转带动坯料转动并施加压力，使坯料表面塑性变形形成螺纹。搓丝则是通过两块带有螺纹牙型的搓丝板，一块固定，一块往复运动，坯料在两块搓丝板之间被挤压，从而形成螺纹。这两种工艺相比传统的切削螺纹加工，具有生产效率高、材料利用率高、螺纹表面质量好且能保留冷作硬化效果等优点。
- 热处理：对于高强度紧固件（如 8.8 级以上螺栓），为进一步提升其综合力学性能，需要进行热处理。常见的热处理工艺为调质处理，即先将紧固件加热到淬火温度（一般为 800 – 900℃，根据材料不同略有差异），保温一定时间后迅速冷却淬火，使材料获得马氏体组织，提高强度和硬度；然后再进行高温回火（500 – 650℃），消除淬火应力，改善韧性，使紧固件达到所需的强度、韧性和疲劳性能的良好匹配。
- 表面处理：为提高紧固件的耐腐蚀性、美观性以及满足特定的使用环境要求，需要进行表面处理。常见的表面处理方式有镀锌，通过电镀锌或热镀锌在紧固件表面形成一层锌层，起到阴极保护作用，防止基体金属腐蚀；镀铬，可提高紧固件表面硬度和耐磨性，同时赋予其光亮美观的外观；达克罗处理，形成的锌铬涂层具有优异的耐腐蚀性、耐热性和无氢脆等特点，特别适用于高强度紧固件在恶劣环境下的应用。
三、冷镦成型的关键设备
（一）冷镦机
- 单工位冷镦机：结构相对简单，主要由机身、传动系统、送料机构、冲头及模具等部分组成。通过电机驱动，经皮带、齿轮等传动装置将动力传递给冲头，实现对坯料的单次冷镦操作。适用于小规模生产或简单产品的试制，生产速度相对较慢，一般每分钟可生产 20 – 60 件产品。
- 多工位冷镦机：是冷镦成型工艺的核心设备，具备高度自动化和高效生产能力。其结构复杂，由多个工位组成，包括送料工位、镦粗工位、成型工位、切边工位等。各工位协同工作，通过自动送料系统将坯料依次传递到不同工位进行连续加工。多工位冷镦机通常采用先进的数控技术，可精确控制冲头行程、压力、送料速度等参数，生产速度极快，每分钟可生产 300 – 1200 件产品，满足大规模工业化生产需求。例如，一些高端多工位冷镦机在生产标准 M8 螺栓时，每分钟产量可达 800 件以上，且产品质量稳定，尺寸精度高。
（二）辅助设备
- 线材调直切断机：用于将盘卷状的线材进行校直并按规定长度切断。调直部分通常采用多组滚轮对线材进行反复弯曲校直，确保线材直线度满足冷镦要求。切断部分通过高精度的切断刀具，在控制系统的指令下，准确地将线材切断成所需长度的坯料。设备的切断精度可达 ±0.5mm，能满足大多数紧固件生产的坯料长度精度要求。
- 酸洗磷化生产线：实现线材表面氧化皮去除和磷化润滑处理的自动化生产。酸洗部分通过自动化的输送装置将线材浸泡在酸洗槽中，控制酸洗时间和温度，确保氧化皮彻底去除且不损伤基体金属。磷化部分则将酸洗后的线材浸入磷化槽，经过一系列化学反应在其表面形成均匀、致密的磷酸盐润滑膜。整个生产线可根据生产需求进行速度调节，实现高效、稳定的表面处理作业。
- 滚丝机和搓丝机：滚丝机主要由床身、滚丝轮、驱动装置和控制系统等组成。滚丝轮的设计根据不同的螺纹规格和牙型定制，通过精确的传动比保证滚丝过程中螺纹的精度和一致性。搓丝机则由机身、搓丝板、送料机构和动力系统构成，搓丝板的安装和调整精度直接影响螺纹加工质量。这两种设备都具备自动化程度高、加工速度快的特点，能快速将冷镦后的坯料加工出符合标准的螺纹。
四、冷镦成型工艺的显著优势
（一）材料利用率高
冷镦成型通过金属塑性变形实现形状塑造，几乎无切削加工过程（仅在切边等环节有少量材料去除），材料利用率通常可达 85% – 95%。相比传统的切削加工工艺，材料利用率可提高 30% – 45%。以生产螺栓为例，传统切削工艺需要从棒料上切削大量金属来形成头部和螺纹，材料浪费严重；而冷镦工艺通过镦粗和成型，最大限度地利用了原材料，显著降低了材料成本。
（二）生产效率高
多工位冷镦机的自动化连续生产模式，使得紧固件生产效率大幅提升。如前文所述，每分钟可生产数百至上千件产品，相较于传统加工方式，生产效率可提高几倍甚至几十倍。同时，冷镦工艺的各工序在同一台设备上连续完成，减少了工件在不同设备间的搬运和等待时间，进一步缩短了生产周期，满足了大规模生产对效率的要求。
（三）产品性能优异
- 力学性能提升：冷作硬化效应使紧固件内部金属组织结构更加致密，位错密度增加，从而提高了材料的强度和硬度。同时，金属纤维在冷镦过程中沿产品形状连续分布，未被切断，使得紧固件的抗疲劳性能显著优于切削加工产品。例如，冷镦加工的螺栓抗拉强度可比切削加工的提高 10% – 30%，疲劳寿命可延长数倍。
- 尺寸精度高：冷镦机通过精确的模具设计和数控系统控制，能够保证产品尺寸精度在较高水平。一般情况下，冷镦成型的紧固件尺寸公差可控制在 ±0.1mm 以内，满足了对精度要求严格的装配需求。同时，稳定的生产过程使得产品质量一致性好，不良品率低。
- 表面质量好：由于冷镦过程在常温下进行，且模具表面经过精密加工和抛光处理，成型后的紧固件表面光洁度高，无明显的加工痕迹和缺陷。良好的表面质量不仅提升了产品的外观，还减少了后续表面处理的难度和成本。
（四）成本降低
- 材料成本降低：高材料利用率直接减少了原材料的消耗，降低了材料采购成本。对于大规模生产的紧固件企业，长期累积下来，材料成本的节约十分可观。
- 生产效率提升带来的成本优势：高效率的生产使得单位时间内产出更多产品，分摊到每件产品上的设备折旧、人工成本等固定费用降低。同时，快速的生产周期加快了资金周转，提高了企业的经济效益。
- 减少后续加工成本：冷镦产品较高的尺寸精度和表面质量，减少了后续机械加工和表面处理的工作量，降低了相应的加工成本。例如，一些冷镦成型的螺母，只需进行简单的螺纹加工和表面处理即可，无需进行复杂的车削、磨削等工序。
五、适用范围与局限性
（一）适用范围
- 标准紧固件生产：冷镦成型工艺广泛应用于各种标准紧固件的批量生产，如螺栓、螺母、螺钉、铆钉、销钉等。无论是在汽车制造中用于连接发动机、底盘等关键部件的高强度螺栓，还是在电子设备组装中使用的小规格螺钉，冷镦工艺都能高效、高质量地满足生产需求。
- 特定行业零部件制造：在航空航天领域，用于飞行器结构连接的高精度、高强度紧固件；在机械制造行业，用于各种机械设备传动、连接部位的标准件和非标件；在建筑行业，用于钢结构连接的高强度螺栓等，都大量采用冷镦成型工艺制造。此外，在五金、家具、家电等行业，冷镦工艺也为各类产品的零部件生产提供了可靠的技术支持。
（二）局限性
- 对材料要求高：冷镦工艺要求原材料具有良好的塑性和较低的硬度，以保证在冷镦过程中不产生裂纹等缺陷。对于一些高强度、高硬度的材料，如高碳钢、某些合金钢等，需要进行预先软化处理（如球化退火），增加了生产工序和成本。同时，材料的表面质量和尺寸精度也对冷镦效果有重要影响，若材料表面存在划伤、麻点、锈迹等缺陷，或尺寸公差过大，都可能导致冷镦产品质量问题。
- 模具设计与制造复杂：为满足不同形状和尺寸的紧固件冷镦需求，模具设计需充分考虑金属流动规律、成型力分布等因素，设计过程复杂且需要丰富的经验和专业知识。模具制造精度要求极高，通常采用高性能的模具钢（如高速钢、硬质合金等），经过精密加工、热处理和表面处理等多道工序制造而成。这使得模具成本高昂，且模具寿命有限，对于小批量生产而言，模具成本分摊到每件产品上的费用较高，影响了经济性。
- 设备投资大：多工位冷镦机等冷镦设备属于高精度、自动化的专业设备，价格昂贵。同时，配套的辅助设备如线材调直切断机、酸洗磷化生产线等也需要一定的投资。对于中小企业来说，初期设备购置资金压力较大，限制了冷镦工艺在一些规模较小企业中的应用。
- 难以成型复杂形状：尽管冷镦工艺能够实现多种形状的紧固件成型，但对于一些形状过于复杂、壁厚差异过大或具有特殊内部结构的零件，冷镦成型仍存在一定困难。在这些情况下，可能需要结合其他加工工艺（如机加工、铸造等）来完成零件的制造，增加了工艺复杂性和生产成本。
六、冷镦成型工艺的发展趋势
（一）工艺优化与创新
- 多工艺复合：为克服冷镦工艺自身的局限性，将冷镦与其他成型工艺（如温镦、热镦、冷挤压、机械加工等）相结合的多工艺复合技术成为发展方向。例如，对于一些高强度材料的复杂形状零件，先采用温镦降低变形抗力，提高材料塑性，然后再进行冷镦精整，以获得更好的尺寸精度和表面质量。这种复合工艺能够充分发挥各工艺的优势，扩大冷镦成型的应用范围。
- 微观组织与性能调控：随着对紧固件性能要求的不断提高，深入研究冷镦过程中金属微观组织的演变规律，通过优化工艺参数（如变形温度、应变速率、变形程度等）和后续热处理工艺，实现对产品微观组织和性能的精确调控。例如，通过控制冷镦变形量和退火温度，获得均匀、细小的晶粒组织，进一步提高紧固件的强度、韧性和疲劳性能。
- 数字化模拟与工艺设计：利用先进的有限元模拟软件，对冷镦成型过程进行数字化模拟分析。通过模拟金属在模具中的流动、应力应变分布、温度变化等情况，提前预测可能出现的缺陷（如裂纹、折叠等），优化模具结构和工艺参数，减少试模次数，缩短新产品开发周期，提高工艺设计的准确性和可靠性。
（二）设备智能化与自动化升级
- 智能控制系统应用：在冷镦设备中引入人工智能、物联网等先进技术，实现设备的智能化控制。通过传感器实时监测设备运行状态、工艺参数（如冲压力、送料速度、模具温度等）以及产品质量数据，利用智能算法对数据进行分析处理，自动调整设备运行参数，确保生产过程的稳定性和产品质量的一致性。当设备出现故障时，智能系统能够快速诊断故障原因，并提供相应的维修建议，提高设备的维护效率和可用性。
- 自动化生产线集成：将冷镦机与线材预处理设备、
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