沖壓精密成形技術的發(fā)展與應用性研究

 1  引言

    精密成形是指采用金屬塑性成形技術，將坯料在模具中一次或多次成形為最終產(chǎn)品的過程。它改變了傳統(tǒng)的毛坯成形技術模式，使之由粗放型的成形過程轉變?yōu)閮?yōu)質、高效、高精度、低成本的成形方式，可以最大限度地減少機械加工量，節(jié)約原材料和能源，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質。

    沖壓加工是機械、汽車、家電等行業(yè)廣泛采用的一種生產(chǎn)加：[方式。作為一種傳統(tǒng)的加工技術，普通沖壓加工在設備性能、加工質量、可靠性以及經(jīng)濟性方面已越來越不能適應現(xiàn)代大規(guī)模、大批量自動化生產(chǎn)的要求，因此發(fā)展高效沖壓精密成型技術已成為新的社會需求。近年來，新型材料及其性能優(yōu)化、設備制造水平以及模具設計水平的不斷提高，大大推動了沖壓精密成形技術的發(fā)展與應用。  2沖壓精密成形技術及其發(fā)展  目前各類結構零件的尺寸與形位精度要求越來越高，特別是沿料厚方向要求光潔、平直。傳統(tǒng)加   1U方法是由沖壓供坯，再通過切削加工的方法滿足技術要求，這樣不僅工藝流程長、工序多，生產(chǎn)效率低，而且零件互換性不好，不能適應大批量生產(chǎn)需要。隨著新材料和新結構的擴大應用，迫切需要發(fā)展相應的沖壓精密成形技術_l J。  2．1精密沖裁技術  精密沖裁技術是在普通沖裁的基礎上發(fā)展起來的一種高效率、高精度的塑性加工技術。其工作原理為：利用精沖模具，在專用壓力機或經(jīng)過改裝的通用壓力機上，使板料在三向壓力狀態(tài)下沿所需輪廓進行純剪切分離，從而得到斷面光潔、垂直、平整度好、精度高的板狀精密輪廓零件(見圖1)。精沖技術被廣泛應用于許多工業(yè)領域，已成為汽車、摩托車等許多行業(yè)零部件制造的關鍵技術之一L2 J。精沖零件也由起初的儀器、儀表領域的精密小零件發(fā)展到汽車、摩托車行業(yè)的厚大復雜件，如凸輪、齒輪等，并取得了較好的效果_3 J。

    精密沖裁技術具有高效、精密、節(jié)能、少費料等特點，但精密沖裁技術的推廣應用很不理想，大量適于精沖的板狀精密輪廓零件，仍是用傳統(tǒng)的、低效率的銑削加工l 4|。主要原因在于：①精沖機的價格昂貴；②精沖機的專業(yè)性強，只有達到規(guī)?；a(chǎn)才體現(xiàn)出其經(jīng)濟性，而我國企業(yè)目前很難形成較大批量的生產(chǎn)；③精沖過程不僅要有先進的精沖機，還需要相應的先進配套設備(包括精密的檢測設備和模具加工設備等)，另外要配備高素質的工程師和技術工人，才能發(fā)揮它的先進性和經(jīng)濟性；④精沖技術在我國仍屬起步階段，精沖設備、精沖模具、精沖材料和精沖潤滑油等配套不完善。  2．2往復成型方法  精沖過程中，所加工的材料自始至終都是塑性變形過程。材料的塑性變形集中在凸模刃口和凹模刃口所局限的極窄間隙區(qū)內，塑性變形所引起的材料加工硬化也隨精沖過程的進行而增加。精沖件剪切面及內層硬化曲線如圖2所示。材料的厚度越大，變形程度越大，硬化曲線的峰值硬度越高∞j。這種明顯的加工硬化現(xiàn)象降低了材料的塑性，同時增加了沖裁力，即材料塑性枯竭現(xiàn)象，限制了材料的最大精沖厚度。

    為了減弱加工硬化所帶來的材料塑性枯竭問題，往復成形精沖工藝通過模具零件的順序動作，巧妙地將材料的金屬塑性變形分配到材料的三個不同部分，推遲乃至抑制了傳統(tǒng)精沖技術上的塑性枯竭問題。此外，在加工過程中，利用上、下凹模的持續(xù)保壓及材料完好搭邊的“緊箍”作用，可以保證坯料的變形區(qū)在整個精沖過程中始終處于三向靜水壓力狀態(tài)，從而確保了精沖件剪切面的光亮，以獲得合格的精沖件怕j。其工藝原理為：在向某一方向沖裁的深度達到一定值以后，再向其相反方向沖裁，從而獲得精密零件。其沖裁過程如圖3所示。

    往復成形精沖工藝突破了傳統(tǒng)精沖工藝在材料可精沖厚度極限方面的限制，擴大了精沖技術的應用范圍。但往復成形精沖工藝的動作比強力壓邊精沖更復雜，而且對各力的控制也更為嚴格，因此需要專門的設備才能實現(xiàn)這一過程。

    2．3輔助增壓技術

    針對現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)對沖壓加工越來越高的要求，德國T0x沖壓技術有限公司在二十世紀七十年代成功開發(fā)出了新一代沖壓技術及沖壓加工設備——TOx一氣液增壓式?jīng)_壓技術及其設備。其原理為：內置液壓油系統(tǒng)的氣增油壓的沖壓動力裝置，只需2bin。一6bar壓縮空氣驅動，即可產(chǎn)生2kN一2000kN的沖壓力，以此高可靠性的集成組合，取代了傳統(tǒng)沖壓設備的繁雜動力驅動系統(tǒng)和龐大的裝機功率。而在運動特性方面，T0x～氣液增力缸又以三行程沖壓循環(huán)徹底改變了傳統(tǒng)沖壓設備二沖程沖壓循環(huán)帶來的諸多弊端，為這一新的沖壓技術奠定了先進的運動學基礎17J。  2．4板材熱成形技術  板材熱成形是將坯料加熱到再結晶溫度以上某一適當溫度，使板料在奧氏體狀態(tài)時進行成形，降低板料成形時的流動應力，提高板料的成形性舊J。但為了防止熱加工導致強度降低，熱成形方法必須輔以合適的熱處理手段。

    板材熱成形工藝流程：落料一預成形一加熱一沖壓成形一保壓(使零件形狀穩(wěn)定)一去氧化皮一激光切邊沖孔一涂油(防銹處理)。熱成型技術的優(yōu)點在于利用材料高溫下良好的塑性，可以成型非常復雜的形狀，可生產(chǎn)超高強度零件，成形精確，沒有回彈。

    目前，厚板料零件的熱成形技術在國內外已得到應用，阿賽洛、蒂森克虜伯、本特勒等公司已經(jīng)建立了熱沖壓生產(chǎn)線。德國大眾公司在PASSAT B6中對部分車身零件采用了該技術汐j。由于該項技術需要在成形的同時，給予足夠的冷卻速度進行淬火，因而設備和模具方面也有其特定的要求。國內在熱沖壓生產(chǎn)工藝和模具方面進行了一定的研究，但在材料開發(fā)、設備改造及控制方面、零件質量穩(wěn)定性控制等方面仍然欠缺，離生產(chǎn)應用還有一定的差距。  2．5液壓成形技術  液壓成形是特種沖壓成形工藝，其工藝特征為等壓成形，依賴高壓介質改變板料形狀，板料為三向受力狀態(tài)，能夠較好地改善局部成形，有利于成形更加復雜的覆蓋件；同時零件成形過程中利用液體介質的靜壓力，改變了傳統(tǒng)的鋼一鋼接觸成形方式，能夠有效減少板料劃傷，對提高表面質量極為有利，因此可以保證良好的沖壓質量。但是，液壓成形技術應用的限制也顯而易見：需要外用液體介質及其相應裝置；并且有必要在焊接前對零件進行后續(xù)處理；考慮到對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境的影響，不適合大批量零件加工。

    目前的板材液壓成形工藝有兩種：液體代替凸模和液體代替凹模。液體代替凸模是板料在液壓的作用下直接被壓人凹模，并緊貼凹模成形(見圖4)；液體代替凹模是剛性凸模將板料壓入液壓室，板料在液壓的作用下緊貼凸模而成形，其原理圖如圖5所示。

    液壓成形技術是近10年被廣泛關注的一種近凈成形技術，已廣泛應用于制造汽車零部件。1993年奔馳公司就建成了液壓成形車間，通用、福特、歐寶、寶馬等汽車公司也已投資建成了自己的液壓成形件生產(chǎn)基地。

 3與精密沖壓工藝相關的技術

    沖壓精密成形技術涉及很多削套技術門類，是一項龐大而復雜的系統(tǒng)工程。結合目前的技術現(xiàn)狀，應重點從原材料前處理技術、模具的設計與制造技術、潤滑技術等三個方面著手開展攻關，促進沖壓精密成形技術的進步。

    提高沖壓材料的綜合性能是解決材料塑性枯竭問題的一個研究方向。沖壓材料選擇的合理與否，直接影響到?jīng)_壓產(chǎn)品的性能、質量和制造成本，同時決定著沖壓工藝過程及繼續(xù)加工的復雜程度。有研究表明，將某些金屬進行適當?shù)念A處理，以獲得穩(wěn)定的超細晶粒組織，再經(jīng)過形變熱處理，可以生產(chǎn)用常規(guī)塑性加工方法無法生產(chǎn)的具有薄壁、薄腹板、高肋和細微凸出部的精密復雜零件_11i。同時，在沖壓材料特別是精密沖壓材料的性能改善與質量提高等方面需引起足夠的重視。在冶煉工藝、熔體處理、晶粒度控制、變形工藝控制以及熱處理質量等方面加強質量控制，提高材料的沖壓成形性能。

    模具制造水平的提高無疑是實現(xiàn)高質量沖壓的重要手段。瑞士、德國選用的模具鋼都是經(jīng)過二次精煉的，而國內很少對模具鋼進行二次精煉，造成模具鋼的內在質量得不到改善和提高。同時加強模具的表面處理，使模具材料具有內部韌、表面硬、耐磨、耐熱、耐蝕、耐疲勞、抗咬合的特殊性能，充分發(fā)揮材料的潛力，可以有效改善沖壓件質量112]。目前模具的表面處理方法主要包括：①改變表面的化學成分，如滲金屬、滲碳、滲氮、滲硼和，ID處理；②不改變表面化學成分，如激光淬火、真空淬火、低溫和超低溫處理；③表面形成硬化層，如鍍硬鉻、熱噴涂、化學氣相沉積(vcD)、物理氣相沉積(PvD)等在表面形成TiC、TiN等超硬物質。我國模具材料在工序和質量控制、質量檢測手段等方面存在差距，模具新材料及其熱處理、表面強化等新技術的研究與應用偏少，應引起足夠的重視。

    潤滑技術是影響模具使用效率的重要因素，同樣也影響到?jīng)_壓工藝的實施效果。潤滑技術的研究主要體現(xiàn)在高效添加劑等，如金屬磨損自修復技術(ART)，將極微細(納～微米級)礦物質組成的混合物加入潤滑油中，它與載體不發(fā)生化學反應，也不改變載體粘度；使用過程中在催化劑的作用下，迅速向金屬零件內部擴散，熔化在金屬表面晶格上，呈現(xiàn)金屬陶瓷結構，因而金屬表面具有非常卓越的抗磨特性，而且還能修復處于長期運轉的模具磨損表面[?引。

    4結語

    目前，沖壓精密成型技術的應用性研究仍處于起始階段。為滿足工業(yè)領域對精沖零件厚度的日益增長的要求，沖壓精密成型技術應從以下幾方面開展應用性研究：(1)加強基礎理論研究，通過模具結構的完善以及靜水壓效應等，提高被加工材料的冷塑性能力；(2)開展在普通壓力機上實現(xiàn)精密沖壓的技術研究，適應tfJ小企業(yè)多品種小批量生產(chǎn)的需要；(3)加強適宜于精密沖壓工件的材料設計與工藝控制技術的研究與開發(fā)，為沖壓精密成形技術的研究與應用提供堅實的基礎；(4)從模具材料、模具結構設計、工藝潤滑等方面研究提高模具壽命和沖壓工件品質的工藝技術。

    精密成形技術是建立在新材料、新能源、新型制造技術等多學科高新技術成果基礎上的高效、高精度成形技術，國家在“九五”期間已將“精密成形與加工研究的開發(fā)和應用示范”列為重點科技攻關項目。隨著沖壓精密成型技術的研究和不斷開發(fā)，充分發(fā)揮其高效率和產(chǎn)晶的高互換性、加工成本低等的優(yōu)越性，將會大大提高機械、汽車等行業(yè)零部件的生產(chǎn)效率，進一步推動我國相關行業(yè)的技術進步與快速發(fā)展。