冒顿成功发动政变并自立为单于的过程如下：
培养忠诚军队：冒顿首先需要一支绝对忠于自己的军队。他通过训练和纪律要求，确保军队的绝对服从。例如，他使用鸣镝（一种带响的箭）来训练士兵，要求他们必须跟随自己的射击目标进行射击，不服从者会被斩首。这种残酷的训练方式使他的军队对他绝对忠诚[1][7]。
政变杀父：冒顿认为领土是国家的根本，并在秦二世元年（公元前209年）发动兵变，杀父头曼而自立[1][2]。他利用这支忠诚的军队发动了“鸣镝弑父”，一举成为新任的匈奴单于[3]。
巩固权力：冒顿在政变后，对不服从自己的部众进行了清理，确保权力的稳固[3]。他诛杀了后母、弟弟及不听从的大臣，进一步加强了自己的统治[4]。
扩张领土：冒顿在确立自己的统治后，开始了对外的扩张。他收复河南地，并统一了蒙古高原[6]。在楚汉战争时期，中原地区无暇北顾，冒顿趁机发展自己的势力[7]。
通过以上步骤，冒顿成功地发动政变并自立为单于，建立了庞大的匈奴帝国。引用来源包括维基百科[1]、百度百科[2]、澎湃新闻[3]、360Doc[4]、理论之光[6]和搜狐[7]。