Cold forging is a critically important manufacturing process used to shape metal parts at room temperature or slightly above room temperature. It induces microstructural changes that can greatly influence material properties. Unlike hot forging, which involves heating the metal above its recrystallization temperature, cold forging relies on the plastic deformation of the metal at lower temperatures. Common types of cold-forging processes include: cold heading, cold extrusion, coining, swaging, and cold forging with rolling.
This article will discuss what cold forging is, its process, materials used, types, and advantages.
What Is Cold Forging?
Cold forging, cold forming, or cold heading is a class of metalworking processes. It is used to shape metal parts at room temperature or slightly above, by plastic deformation of the metal to force it to reflect the shape and dimensions of a tool used for the purpose.
What Is the Process of Cold Forging?
Listed below is the process of cold forging:
Initial State: The metal consists of a crystalline structure, typically arranged in a lattice pattern. These crystals, or grains, have well-defined boundaries. As a rule, cold forging is applied to the material in an annealed or normalized state, in which grain sizes are maximized, resulting in optimum ductility.
Application of Stress: When external pressure or impulse is applied during cold forging, it causes the metal grains to deform and slip at planar faces and grain boundaries. This allows deformation to occur.
Grain Deformation: As the external force is applied, the grains begin to deform. Dislocations, or defects, form within the crystal lattice as atoms are pushed out of their original positions. This process disrupts the crystal lattice structure, causing atoms to move and dislocate within the lattice planes. It can result in work hardening, in many materials, so the typical crystal size is smaller and there are large residual stresses at the grain boundaries.
Plastic Flow: As deformation continues, the dislocations move and interact with each other, allowing the metal to flow and reflect the shape of the die cavity. This plastic flow occurs along slip planes within the crystal lattice, in which atoms can easily rearrange themselves without fracture, in more ductile materials.
Grain Refinement: The deformation process also leads to grain refinement, in which the original larger grains are broken down into smaller, typically more uniform grains. This refinement improves the mechanical properties of the material, such as strength and hardness (work hardening).
Cold forging at a crystalline level involves the controlled deformation of metal grains through the movement of dislocations within the crystal lattice structure. This process results in the shaping of the metal into the desired form while improving its mechanical properties.
What Is the Temperature Used in Cold Forging?
Cold forging is performed at room temperature or slightly above room temperature. The process relies on the plastic deformation of the metal at lower temperatures. The specific temperature range for cold forging can vary depending on the type of metal being forged, its properties, and the requirements of the manufacturing process. In general, cold forging is performed at temperatures below the recrystallization temperature of the metal. Only a limited number of alloys, generally with a high lead (Pb) content, can undergo recrystallization at room temperature. This process exploits controlled plastic deformation of the metal without the need for heat-softening and resulting fracture.
For most metals, cold forging is carried out within the range of 20 °C to 200 °C. At these temperatures, the metal retains its strength and hardness. This allows for precise shaping and forming of parts while minimizing the risk of material degradation or loss of mechanical properties.
How Does Temperature Control Affect Cold-Forged Component Quality?
Temperature control plays a crucial role in cold-forging processes and can significantly affect the quality of cold-forged components. It helps maintain the appropriate material ductility, formability, dimensional accuracy, microstructure, and surface finish. For example, too low a temperature can increase deformation resistance, leading to tool wear and part defects. Too high a temperature, on the other hand, can cause the material to soften excessively, resulting in poor dimensional accuracy and surface finish. By carefully controlling temperature parameters throughout the forging process, manufacturers can produce high-quality components with little need for post-work.
What Are the Materials That Can Be Cold Forged?
Choosing the most appropriate material for a process involves complex decision-making, depending on a range of factors. Listed below are some of the materials used in cold forging:
1. Алюминий
Cold forging of aluminum alloys involves shaping metal parts at room temperature or slightly above. Aluminum alloys are chosen for cold forging based on the properties of the grade and its suitability for cold forging. Commonly used aluminum alloys for cold forging include: the 1xxx, 3xxx, 5xxx, and 6xxx series, all of which offer good formability, strength improvement through forging, and corrosion resistance in mild environments.
Overall, cold forging of aluminum alloys offers advantages such as: improved mechanical properties, dimensional accuracy in a one-stage process, and good surface finish compared to traditional machining processes. It is widely used in industries such as: automotive, aerospace, and consumer electronics for producing a huge variety of moderate-stress components with complex shapes and tight tolerances.
2. Steel
Cold forging of steel also involves shaping metal parts at room temperature or slightly above. Material selection of steel alloys is based on the alloy properties and known suitability for cold forging. Commonly used steel alloys for cold forging include: medium- and high-carbon steels, various alloy steels, and stainless steels, which offer good formability, strength, and durability.
Cold forging of steel delivers improved mechanical properties, high dimensional accuracy, and good surface finish compared with traditional machining processes. It is widely used in: automotive, aerospace, construction components, and industrial product manufacturing for producing components with complex shapes, beneficial grain characteristics, good mechanical properties, and tight tolerances.
3. Titanium
Cold forging of titanium also involves shaping one-stage finished parts at room temperature or slightly above. Titanium alloys are chosen based on alloy properties and suitability for cold forging. Titanium alloys such as Ti-6Al-4V (Grade 5), Ti-6Al-6V-2Sn, and Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo offer good formability, strength, and excellent corrosion resistance, making them suitable for cold forging.
Cold forging of titanium offers significant advantages over alternative net-shape manufacturing methods. It delivers improved mechanical properties, high dimensional accuracy, and good surface finish compared, for example, to CNC machining. It is used in: aerospace, medical, and automotive components for producing parts with complex shapes and high strength-to-weight ratios.
The cold forging of titanium requires more skill than for most other metals and requires more specialized equipment and tooling due to the material’s unique properties and challenges.
4. Copper
Cold forging of copper at room temperature or slightly elevated levels is used to make finished parts of high cosmetic and engineering quality. Copper alloys are selected for this approach based on ductility, defining suitability for cold forging. Commonly cold-forged copper alloys include: C10100 (oxygen-free electronic copper), C11000 (electrolytic tough pitch copper), and C36000 (free-cutting brass). These alloys offer good formability, conductivity, and corrosion resistance.
Cold forging of copper offers advantages such as: improved mechanical properties, dimensional precision without post-processing, and controllable surface finish/texture, relative to other net-shape manufacturing methods. It is used in electronics, plumbing, automotive, and construction for producing components with high thermal and electrical conductivity, corrosion resistance, and tight tolerances. Additionally, cold forging of copper is an environmentally friendly process as it requires minimal energy consumption and produces little to no waste.
5. Brass
Brass is also forged at room temperature. This again produces low post-work parts of high quality. Brass alloys are chosen based on their ductility as suitable for cold forging. Brass alloys for cold forging include: C36000 (free-cutting brass), C46400 (naval brass), and C69300 (high-copper alloy). These alloys offer good formability, machinability whenever required, and generally good corrosion resistance.
Cold forging of brass results in improved mechanical properties, dimensional accuracy, and good surface finish compared to traditional machining processes. It is used for: plumbing components, automotive parts, electrical components, and various decorative and functional hardware. Brass offers good corrosion resistance, good electrical and thermal conductivity, good functional strength, wear resilience, and decorative appearance. Once again, this is an environmentally friendly process as it requires minimal energy consumption and produces little to no waste.
6. Stainless Steel
Stainless steels are commonly cold-forged, although the tooling and equipment may require extra strength as the material is considerably more resistant to ductile flow than many other metals/alloys.
Stainless steel alloys are chosen primarily for their ductility and their ability to undergo sufficient “work” (distorting flow) without excess embrittlement. Stainless steel alloys for cold forging include austenitic grades such as 304 (A2) and 316 (A4), as well as some martensitic and ferritic grades. These alloys offer good corrosion resistance in most non-aggressive environments combined with high strength and toughness.
Cold forging of stainless steel delivers considerably improved mechanical properties, good dimensional accuracy, and control of surface finish compared to machining or casting processes. It is used extensively in: automotive, aerospace, construction elements, and general equipment manufacturing, delivering components with high corrosion resistance, strength, and durability.
7. Nickel Alloys
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
cURL Too many subrequests.
Коинг — это форма холодной ковки, используемая для достижения чрезвычайно точных размеров, строгих допусков и тонкой поверхности.
Коинг — это мелкосерийный процесс с очень точным инструментом, используемый при производстве прецизионных компонентов, таких как: монеты, медали, ювелирные изделия, электронные разъемы и оптические компоненты, в которых критически важны строгие допуски и тонкая поверхность.
2. Раскатывание
Раскатывание используется для уменьшения или придания формы диаметру металлического стержня, трубы или проволоки путём приложения роликовых сжимающих сил. Оно может осуществляться различными методами, включая: вращательное раскатывание, радиальное раскатывание и осевое раскатывание.
Раскатывание широко применяется для производства шейк/сужений в таких компонентах, как: валы, крепежные элементы, подшипники и гидравлические фитинги. Оно обеспечивает высокие темпы производства, строгие допуски и улучшенные механические свойства.
3. Ударное ковка
Ударная ковка, также известная как штамповка или упрочнение, используется для увеличения поперечного сечения заготовки путём сжатия её длины. Этот процесс является ключевым в производстве крепежных элементов, болтов, винтов и других компонентов.
Это универсальный и эффективный процесс для формирования головок на заготовках при одновременном улучшении их механических свойств.
4. Центровка
Центровка как процесс ковки включает создание центрального штифта или выступа на заготовке путём контролируемого деформирования материала. Этот процесс широко используется при производстве шестерен, шкивов, колес и других компонентов, в которых требуется центральная точка крепления или зацепления.
Центровка как процесс ковки обладает рядом преимуществ, включая: высокие темпы производства, отличное использование материала и возможность создавать сложные формы с точными допусками и превосходными механическими свойствами/структурой зерна без удаления материала.
5. Впередиэкструзия
Впередиэкструзия — это процесс обработки металлов, используемый для создания компонентов с определенной поперечной областью путём проталкивания заготовки или слитка металла через матрицу. Он применяется при производстве стержней, труб и т. д.
Впередиэкструзия обеспечивает высокие темпы производства, отличное использование материала и возможность создавать сложные формы с точными допусками и превосходными механическими свойствами за один шаг.
6. Обратная экструзия
Обратная экструзия, также известная как реверсивная или косвенная экструзия, — это процесс обработки металлов, используемый для создания компонентов с определенной поперечной формой путём проталкивания матрицы в неподвижную заготовку. В отличие от впередиэкструзии, где заготовка движется через матрицу, при обратной экструзии матрица движется в заготовку.
Обратная экструзия обладает такими преимуществами, как: отличное использование материала, возможность производить компоненты со сложными формами и улучшенная поверхность за счёт уменьшенного контакта между заготовкой и матрицей. Она широко применяется при изготовлении небольших, закрытых сосудов, таких как банки для газировки.
Какой является наиболее распространённым типом холодной ковки, используемым в производстве?
Наиболее распространённым типом холодной ковки, используемым в производстве, считается «холодное штамповка» или «холодное штамповка и упрочнение». Практически все винты, болты и заклёпки имеют головки, сформированные методом холодной штамповки.
Каковы типичные области применения холодной ковки в различных отраслях?
Холодное штамповка применяется во многих секторах металлургического производства для изготовления широкого ассортимента компонентов. Некоторые типичные применения включают:
Автомобильная промышленность: крепежные изделия (болты, гайки, винты), рулевое и подвесное оборудование (тяги, шаровые опоры), компоненты двигателя (шатуны, коленчатые валы), детали трансмиссии (шестерни, валы) и компоненты тормозной системы (болты суппортов, поршни).
Аэрокосмическая промышленность: крепежные изделия для самолетов (заклепки, болты, штифты), компоненты шасси (стойки, петли), детали двигателя (турбинные лопатки, диски компрессора) и структурные крепежи и кронштейны.
Строительство: структурные соединители (болты, анкерные болты), крепежные изделия для строительных работ (винты, гвозди), металлические кронштейны и подвесы, а также фурнитура для окон и дверей.
Электроника и электротехника: электрические контакты и разъемы, клеммные штыри и гнезда, радиаторы и охлаждающие компоненты, корпуса датчиков и монтажные кронштейны.
Медицина: ортопедические имплантаты (костные винты, пластины), хирургические инструменты (зажимы, ножницы), стоматологические инструменты (имплантаты, брекеты) и компоненты протезов.
Потребительские товары: ручные инструменты (ключи, плоскогубцы), кухонные принадлежности и бытовая техника (столовые приборы, посуда), спортивные товары (головки гольф-клубов, компоненты велосипедов), а также замки и фурнитура.
В чем преимущества холодной штамповки по сравнению с традиционной горячей штамповкой?
Холодная штамповка обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными горячими процессами штамповки, такими как:
Меньшее количество отходов материала по сравнению с горячей штамповкой, с минимальным или отсутствующим образованием шлака во время процесса штамповки.
Улучшение механических свойств готовых деталей. Деформация при комнатной температуре вызывает упрочнение за счет работы, повышая прочность и долговечность компонентов.
Достижение более точных размеров и геометрий по сравнению с горячей штамповкой.
Изготовление деталей с более гладкой поверхностью по сравнению с горячей штамповкой, без масштаба и окисления, что исключает необходимость дополнительных отделочных операций.
Подходит для производства деталей сложных форм и с сложными особенностями.
Быстрее и более экономично для серийного производства по сравнению с горячей штамповкой.
Требует меньше энергии по сравнению с горячей штамповкой.
Кто являются лучшими производителями холодной штамповки?
Некоторые из лучших производителей холодной штамповки включают:
Для автомобильных компонентов различными российскими поставщиками холодной штамповки являются лидеры в этой области. Хорошим примером является Хирагучи-Сэйтан.
Для крепежных изделий ведущие российские поставщики представлены компанией Национал Болт & Нут Корп.
Для экзотических материалов можно найти много лидеров рынка, типичных для Федеральной группы России.
Как выбрать лучших производителей холодного штамповки?
Выбор лучших производителей холодного штамповки включает несколько аспектов, чтобы обеспечить надежного и компетентного партнера для ваших производственных нужд. Некоторые основные шаги в выборе:
Четко определите требования к вашему проекту, включая: тип необходимых компонентов, желаемые объемы, стандарты качества и сроки поставки.
Проведите тщательное исследование для выявления потенциальных производителей холодного штамповки, используя: онлайн-каталоги, отраслевые ассоциации, выставки и рекомендации.
Оцените возможности и опыт каждого производителя в вашем списке, включая их расположение и логистические возможности.
Проверьте, соблюдает ли производитель отраслевые стандарты качества и сертификации, соответствующие вашей отрасли и требованиям к продукту.
Запросите образцы предыдущих работ и попросите рекомендации у прошлых клиентов.
Получите предложения от нескольких производителей и сравните цены, включая: затраты на настройку, расходы на инструменты, стоимость за единицу и любые дополнительные сборы или платежи.
Как может помочь Thomasnet® в поиске производителей холодного штамповки?
Thomasnet® — это мощный онлайн-каталог и ресурс технической поддержки для поиска производителей и поставщиков холодного штамповки. Они предлагают:
Обширную базу данных поставщиков с мощными инструментами для пользователей
Расширенные фильтры поиска
Подробные профили компаний
Инструменты для запроса ценовых предложений (RFQ)
Разнообразие поставщиков как по навыкам, так и по географии
Проверенные и надежные оценки
Индустриальные инсайты и ресурсы
Thomasnet® — это мощный набор инструментов для выявления, оценки и связи с производителями холодного штамповки, которые могут соответствовать вашим конкретным требованиям и способствовать успеху ваших проектов. Если вы ищете местного поставщика или специализированного производителя с уникальными возможностями, Thomasnet® поможет упростить процесс поиска и наладить сотрудничество с надежными партнерами.
В чем основные различия между холодной штамповкой и другими методами штамповки?
Ковка и штамповка — это оба процесса, формирующие потенциально сложные формы в металлических компонентах. В обоих случаях они могут выполняться горячими или холодными, но в этом сравнении рассматривается только холодная обработка. Некоторые различия приведены ниже:
Холодная ковка искажает трехмерные металлические детали, вызывая пластичный поток в трех измерениях. Холодная штамповка формирует трехмерные сетчатые формы из листового материала путём пластической деформации. Обычно холодная ковка используется для цельных, цилиндрических или призматических заготовок из металла, для производства компонентов с относительно небольшими поперечными сечениями и сложными формами. Холодная штамповка применяется для листового металла или тонкостенных компонентов, чтобы создавать детали с большей площадью поверхности и относительно тонкими поперечными сечениями.
Холодная ковка обычно требует сложных инструментов и приспособлений для точного формования металла. Стоимость инструментов может быть значительной, особенно для сложных геометрий. Процессы штамповки обычно включают более простое оборудование, в зависимости от сложности детали. Стоимость инструментов может варьироваться в зависимости от конкретной операции штамповки.
Холодная ковка может улучшить механические свойства материала, включая прочность, твердость и точность размеров, благодаря упрочнению при деформации. Процессы штамповки также могут изменять свойства материала, хотя зачастую в противоположных направлениях.
Является ли холодная ковка более доступной по цене, чем горячая ковка?
Это зависит. Доступность холодной ковки по сравнению с горячей зависит от различных факторов, таких как: конкретные требования производственного проекта, материал, подвергаемый ковке, сложность детали и объем производства. В целом, для небольших компонентов с умеренными требованиями к потоку, холодная ковка дешевле и быстрее, требует меньшей постобработки для получения деталей с окончательной формой.
Различия в стоимости обусловлены затратами на материалы, инструменты, энергию и рабочую силу, а также объемом производства, сложностью детали и требованиями к качеству.
В чем разница между холодной и горячей ковкой?
Холодная и горячая ковка — это оба процесса обработки металлов, используемые для пластического придания формы металлическим компонентам в конечные формы. Их различия приведены ниже:
Холодная ковка выполняется при или около комнатной температуры, при этом материал находится в пластичном твердом состоянии на протяжении всего процесса. Горячая ковка включает нагрев металла до высоких температур выше температуры рекристаллизации, но ниже точки плавления. Материал удерживается выше температуры стеклования и деформируется в нагретом, пластичном состоянии.
В холодной ковке материал подвергается пластической деформации при комнатной или слегка повышенной температуре. Процесс деформации вызывает упрочнение при работе, что увеличивает прочность и твердость материала. В горячей ковке материал нагревается до температур, при которых он становится очень пластичным и податливым. Он подвергается пластической деформации с минимальным сопротивлением, что облегчает формование и придание формы.
Холодная ковка требует более высоких усилий при формовании и более сложных инструментов по сравнению с горячей ковкой. Горячая ковка требует меньших усилий, так как материал более пластичен и легче деформируется при повышенных температурах.
Холодная ковка часто дает более гладкую поверхность за счет отсутствия нагрева/окисления и хорошо смазанного потока в матрице. Горячая ковка дает детали с поверхностной коркой или окислением из-за высоких температур. Для окончательной обработки требуются дополнительные операции, такие как дробеструйная обработка или механическая обработка.
Холодная ковка может улучшить механические свойства материала, включая прочность, твердость и точность размеров. Горячая ковка также может изменять свойства материала, включая структуру зерен и механические свойства, в зависимости от температуры и скоростей деформации во время формовки.
Холодная ковка подходит для производства небольших и средних деталей со сравнительно сложными формами и точными допусками. Горячая ковка предпочтительнее для больших деталей или компонентов с простыми геометриями, требующих высокой прочности и ударной вязкости.
XTJ всегда стремится быть профессиональным производителем пластиковых прототипов, предлагающим экономичные услуги для клиентов по всему миру. Узнайте больше о нашем прототипировании пластика, вы можете легко загрузить свои CAD-файлы прямо сегодня для бесплатной оценки. CNC обработка пластика услуги для клиентов по всему миру. Узнайте больше о нашем прототипировании пластика, вы можете легко загрузить свои CAD-файлы прямо сегодня для бесплатной оценки.
XTJ — ведущий производитель OEM, который занимается предоставлением комплексных решений по производству Cold Forging от прототипа до серийного производства. Мы гордимся тем, что являемся компанией с системой менеджмента качества ISO 9001, и мы стремимся создавать ценность в каждом клиентском взаимодействии. Мы достигаем этого через сотрудничество, инновации, улучшение процессов и исключительное мастерство.
