沖壓加工的沖壓加工最新技術
復合沖壓
本文所涉及的復合沖壓, 並不是指落料、 拉伸、 沖孔等沖壓工序的復合, 而是指沖壓工藝同其他加工工藝的復合, 譬如說沖壓與電磁成形的復合, 沖壓與冷鍛的結合, 沖壓與機械加工復合等。
沖壓與電磁成形的復合工藝
電磁成形是高速成形, 而高速成形不但可使鋁合金成形範圍得到擴展, 並且還可以使其成形性能得到提高。用復合沖壓的方法成形鋁合金覆蓋件的具體方法是: 用壹套凸凹模在鋁合金覆蓋件尖角處和難成形的輪廓處裝上電磁線圈, 用電磁方法予以成形, 再用壹對模具在壓力機上成形覆蓋件易成形的部分,然後將預成形件再用電磁線圈進行高速變形來完最終成形。 事實證明, 用這樣復合成形方法可以獲得用單壹沖壓方法難以得到的鋁合金覆蓋件。
最新研究表明鎂合金是壹種比強度高、 剛度好、電磁界面防護性能強的金屬, 其在電子、 汽車等行業中應用前景十分看好, 大有取代傳統的鐵合金、 鋁合金、 甚至塑膠材料的趨勢。 目前汽車上采用的鎂合金制件有儀表底板、 座椅架、 發動機蓋等, 鎂合金管類件還廣泛應用於飛機、導彈和宇宙飛船等尖端工業領域。但鎂合金的密排六方晶格結構決定了其在常溫下無法沖壓成形。現在人們研制了壹種集加熱與成形壹起的模具來沖壓成形鎂合金產品。該產品成形過程為: 在沖床滑塊下降過程中, 上模與下模夾緊對材料進行加熱, 然後再以適當運動模式進行成形。
此種方法也適用於在沖床內進行成形品的聯結及各種產品的復合成形。許多難成形的材料, 例如鎂合金、 鈦合金等產品, 都可用該種方法沖壓成形。由於這種沖壓要求沖床滑塊在下降過程中具有停頓的功能, 以便對材料加熱提供時間, 故人們研制壹種全新概念的沖床—— —數控曲軸式伺服馬達沖床, 利用該沖床還可在沖壓模具內實現包括攻螺紋、鉚接等工序的復合加工, 從而有力地拓展了沖壓加工範圍, 為鎂合金在塑性加工業廣泛應用奠定了堅實的基礎。
沖壓與冷鍛的結合
壹般板料沖壓僅能成形等壁厚的零件, 用變薄拉伸的方法最多能獲得厚底薄壁零件, 沖壓成形局限性限制了其應用範圍。而在汽車零件生產中常遇到壹些薄壁但卻不等厚的零件 , 用單壹的沖壓與冷鍛相結合的復合塑性成形方法加以成形, 顯得很容易, 因此, 用沖壓與冷鍛相結合的方法就能擴展板料加工範圍。 其方法是先用沖壓方法預成形, 再用冷鍛方法終成形。用沖壓冷鍛復合塑性成形, 其優點為: 壹是原材料容易廉價采購, 可以降低生產成本; 二是降低單壹冷鍛所需的大成形力, 有利於提高模具壽命。 現在所談論的微細加工指的是微零件加工技術。微零件的界定通常指的是至少有某壹方向的尺寸小於 100μ m, 它比常規的制造技術有著無可比擬的應用前景。用該技術制作的微型機器人、微型飛機、 微型衛星、 衛星陀螺、 微型泵、 微型儀器儀表、 微型傳感器、 集成電路等等, 在現代科學技術許多領都有著出色的應用, 他能給許多領域帶來新的拓展和突破, 無疑將對我國未來的科技和國防事業有著深遠的影響, 對世界科技發展的推動作用也是難以估量的。 譬如微型機器人可完成光導纖維的引線、 粘接、 對接等復雜操作和細小管道、 電路的檢測, 還可以進行集成芯片生產、 裝配等等, 僅此就不難窺見微細加工誘人的魅力。
發達工業國家對微細加工的研究開發十分重視, 投入了大量的人力、 物力、 財力, 壹些有遠見的著名大學和公司也加入了這壹行列。我國在這方面也做了大量的研究工作, 有理由認為在 21 世紀, 微細加工壹定會像微電子技術壹樣, 給整個世界帶來巨大的變化和深刻的影響。
對於模具工業, 由於沖壓零件的微型化及精度要求的不斷提高, 給模具技術提出了更高的要求。原因是微零件比傳統的零件成形要困難得多, 其理由是: ①零件越小, 表面積與體積比迅速增大; ②工件與工具間的粘著力, 表面張力等顯著增大; ③晶粒尺度的影響顯著, 不再是各向同性的均勻連續體; ④工件表面存儲潤滑劑相對困難。 微細沖壓的壹個重要方面是沖小孔, 譬如微型機械、 微型儀器儀表中就有很多需要沖壓的小孔。 故研究小孔沖壓應是微細沖壓的壹個極其重要的問題。沖小孔的研究著重於: 壹是如何減小沖床尺寸;二是如何增大微小凸模的強度和剛度 (這方面除了涉及到制作的材料及加工的技術外, 最常用的便是增加微小凸模的導向及保護等)。 盡管在沖小孔上需要研究的問題還很多, 但也取得了不少可喜的成績。有資料表明國外已經開發的微沖壓機床長 111mm,寬 62mm, 高 170mm,裝有壹個交流伺服電機, 可產生 3kN的壓力。該壓力機床裝有連續沖壓模, 能實現沖裁和彎曲等。
日本東京大學利用壹種 WFDG技術制作了微沖壓加工的沖頭與沖模, 利用該模具進行微細沖壓, 可在 50μ m厚的聚酰胺塑料板上沖出寬為 40μ m的非圓截面微孔。在超薄壁金屬筒形件拉深方面, 清華大學有了良好的開端。超薄壁拉深技術的關鍵是要有高精度的成形機。 他們在壁厚為 0.001mm～ 0.1mm的超薄壁金屬圓筒成形中, 研制出壹臺有微機控制功能的精密成形試驗機, 使沖頭與凹模在加工過程中對中精度達到 1μ m, 有效地解決了超薄壁拉深中易出現起皺與斷裂而不能正常操作的難題。利用該機對初始壁厚為 0.3mm 的黃銅和純鋁進行壹系列變薄拉深加工, 加工出內徑為 16mm, 壁厚為 0.015mm～0.08mm,長度為 30mm的壹系列超薄壁金屬圓筒。 經檢測, 成形後的超薄壁筒壁厚差小於 2μ m, 表面粗糙度 Ra0.057μ m, 從而大大地提升了應用該超薄壁圓筒儀器儀表的精度, 相應地也提升了安裝該儀器儀表整機的性能。 綠色制造是壹個綜合考慮環境影響與資源效率的現代制造模式, 而綠色沖壓亦是如此, 實質上就是人類可持續發展戰略在現代沖壓中的具體體現。它應包括在模具設計, 制造、 維修及生產應用等各個方面。
1、綠色設計 所謂綠色設計即在模具設計階段就將環境保護和減小資源消耗等措施納入產品設計中, 將可拆卸性、 可回收性、 可制造性等作為設計目標並行考慮並保證產品功能、 質量壽命和經濟性。隨著模具工業的發展, 對金屬板料成形質量和 模具設計效率要求越來越高, 傳統的基於經驗的設計方法已無法適應現代工業的發展。 近年來, 用有限元法對板料成形過程進行計算機數值模擬, 是模具設計領域的壹場革命。用計算機數值模擬能獲得成形過程中工件的位移、 應力和應變分布。 通過觀察位移後工件變形形狀能預測可能發生的起皺; 根椐離散點上的主應變值在板料成形極限曲線上的位置或利用損傷力學模型進行分析, 可以預測成形過程中可能發生的破裂; 將工件所受外力或被切除部分的約束力解除, 可對回彈過程進行仿真, 得到工件回彈後的形狀和殘余應力的分布。 這壹切, 就為優化沖壓工藝和模具設計提供了科學依據, 是真正意義上的綠色模具設計。
2 綠色制造 在模具制造中, 應采用綠色制造。 現在有壹種激光再制造技術, 它是以適當的合金粉末為材料, 在具有零件原形 CAD/CAM軟件支持下, 采用計算機控制激光頭修復模具。具體過程是當送粉機和加工機床按指定空間軌跡運動, 光束輻射與粉末輸送同步,使修復部位逐步熔敷, 最後生成與原形零件近似的三維體, 且其性能可以達到甚至超過原基材水平, 這種方法在沖模修復尤其是在覆蓋件沖模修復中用途最廣。 由於該項技術不以消耗大量自然資源為目標,故稱為綠色制造。 此外, 在沖壓生產中應盡量減少沖壓工藝廢料及結構廢料, 最大限度地利用材料和最低限度地產生廢棄物。減少工藝廢料, 就是通過優化排樣來解決, 例如采用對排、 交叉排樣等方法, 還可以采用少無廢料排樣方法, 以大幅度提高材料利用率。 所謂優化排樣就是要解決兩個問題: 壹是如何將它表示成數學模型; 二是如何根據數學模型盡快求出最優解,其關鍵就是算法問題。現代優化技術已發展到智能優化算法, 主要包括人工神經網絡、 遺傳算法、 模擬退火、 禁忌搜索等。 可以相信優化排樣將會有壹個突破性進展, 對結構廢料多的工件可采用套裁方法, 從而能達到廢物利用, 變廢為寶。
此外, 還可以通過改產品結構的方法來加以解決也不是完全不可能的。對於套裁, 人人皆知的有大墊片套裁中墊片, 中墊片再套裁小墊片等。 當今高強鋼、超高強鋼很好的實現了車輛的輕量化，提高了車輛的碰撞強度和安全性能，因此成為車用鋼材的重要發展方向。但隨著板料強度的提高，傳統的冷沖壓工藝在成型過程中容易產生破裂現象，無法滿足高強度鋼板的加工工藝要求。在無法滿足成型條件的情況下，目前國際上逐漸研究超高強度鋼板的熱沖壓成形技術。該技術是綜合了成形、傳熱以及組織相變的壹種新工藝，主要是利用高溫奧氏體狀態下，板料的塑性增加，屈服強度降低的特點，通過模具進行成形的工藝。但是熱成型需要對工藝條件、金屬相變、CAE分析技術進行深入研究，目前該技術被國外廠商壟斷，國內發展緩慢。
當材料被沖壓成形時，會變硬。不同的鋼材，變硬的程度不同，壹般高強度低合金鋼只略有3 KSI增加，不到10%。註意：雙相鋼的屈服強度有20KSI增加，增加了40%多！金屬在成形過程中，會變得完全不同，完全不像沖壓加工開始之前。 這些鋼材在受力後，屈服強度增加很多。材料較高的屈服應力加上加工硬化，等於流動應力的大大增加。----這會引起需要更多的噸位來制作部件----它會使金屬的變形溫度增加（可能會燃燒或破壞不恰當的潤滑劑），硬點會增加模具磨損----塗層可能會於事無補或無法持續到和預期的時間壹樣長。綜上所述，高強鋼成形的高壓力要求、回彈的增加、加工硬度的增加、高成型溫度下的操作對模具及潤滑都提出了挑戰。
過去在生產深沖或者重沖工件，大家都認為耐壓型(EP) 潤滑油是保護模具的最好選擇。硫和氯EP添加劑被混合到純油中來提高模具壽命已經有很長的歷史了。但是隨著新金屬--高強度鋼的出現，環保要求的嚴格，EP油基潤滑油的價值已經減少，甚至失去市場。
在高溫下高強度鋼的成型，EP油基潤滑油失去了它的性能，無法在極溫應用中提供物理的模具保護隔膜。而極溫型的IRMCO高固體聚合物潤滑劑則可以提供必要的保護。隨著金屬在沖壓模具中變形，溫度不斷升高，EP油基潤滑油都會變薄，有些情況下會達到閃點或者燒著（冒煙）。IRMCO高分子聚合物潤滑劑壹般開始噴上去時稠度低得多。隨著成形過程中溫度的上升，會變得更稠更堅韌。實際上高分子聚合物極溫潤滑劑都有“熱尋性”而且會粘到金屬上，形成壹個可以降低摩擦的隔膜。這個保護屏障可以允許工件延展，在最高要求的工件成型時沒有破裂和粘接，以此來控制摩擦和金屬流動。有效的保護了模具，延長了模具使用壽命，提高了沖壓的強度。