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精密冲压技术在实际生产中的应用

模具设计圈 2018-02-12 18:51:57

在各类机电与家电产品的结构零件中,大量采用料厚t>0.5~16mm的各种金属材质、形状复杂的板状零件。由于其尺寸与形位精度要求高,特别是沿料厚方向要求光洁、平直。常规的传统加工方法是由冲压供坯,用车、铣、刨、磨等切削加工达要其技术要求,不仅工艺流程长、工序多,耗用工(台)时多,生产效率低,而且零件互换性不好,劳动强度大,成本高,不能适应大量生产需要。

  实践证明,在料厚t>3mm的中厚板和t>4.75mm厚板零件大批量生产中,推广应用精冲技术取代有削加工,不仅可以取得很好的经济效益,同时还可以杜绝目前普通冲压生产中时有发生的压手断指人身伤害事故,消减冲压噪声对环境的污染,获取令人满意的职业安全与环保效益。采用现代冲压领域中的精密冲裁高技术,也充分体现出“以人为本,坚持可持续发展”的科学发展观。

  这些板状零件用其他加工方法都难以完成。即便用各工种组合切削加工,不仅效率低、质量难保证,而且成本很高。分析精冲件可以看出其如下特点:

  1)形状复杂,尺寸与形位精度高,多数料厚t>3mm~12.5mm,为中厚板与厚板精冲件,冲切面平直、光洁,质量可与切削加工相媲美。

  2)精冲件轮廓清晰、塌角小,一些孔边距与孔间距(壁厚)≤t并有压凸、沉孔、盲孔及轮毂凸缘等成形精冲,尤其模数很小的渐开线、摆线、三角形、矩形、梯形等形状高精度齿轮精冲件,都是用其他加工工艺难以制造的。

  3)都是大批量生产和达到适度经济生产规模的机电产品零件,包括:中卡载重汽车、轿车、摩托车等产品精冲件,均由原材料一模冲出成品件,不再切削加工。

  4)精冲的冲切面因冷作硬化效应,其表面硬度、强度大幅提高,耐摩擦性能和耐候性改善,用作运动面、摩擦面的齿轮齿廓、轴套等精冲件,其寿命会因此而提高。


  精冲工艺的开发应用

  金属板料的精密冲裁是成功应用Theodor Karman理论的结果。该理论的核心是:固体在多向受压的情况下比在单向受压时塑性好、变形状态更好,更易变形。在板料精密冲裁时,利用精冲模特殊结构,在板料的剪切分离区,三向施压形成立体压应力状态,对材料进行纯剪切分离,实现精密冲裁。德国人F.Schiess于1921年根据这个理论发明了强力压边精冲工艺技术(简称FB精冲),于1923年3月9日获取德国专利。

  在上述FB精冲工艺技术推广普及前后,还有其他多种精冲方法在不同国家开发研制成功,取得专利,有的还推广用于生产。至今,还有一些简易的精冲工艺,作为FB精冲技术的补充,在一些形状简单、仅局部需要精冲、尺寸小且产量不大以及没有专用精冲设备的工厂中,推广应用,同样可取得良好的技术经济效益,这些精冲技术如下:

  (1)普通压力机精冲技术

  a、整修——用专用整修亦称修边模对落料与冲孔毛坯的冲切面进行修边加工以获取平直、光洁及高精度的冲切面,包括:外缘整修、内孔整修、叠料整修、振动整修等。

  b、光洁冲裁——采用微间隙或负间隙圆角刃口等具有特殊结构的专用冲模,对高塑性的低碳钢及有色金属冲裁件进行光洁冲裁,获取光洁平整的高精度冲切面。常用的光洁冲裁工艺有:微间隙圆角刃口光洁冲裁、负间隙光洁冲裁、台阶式凸模精冲孔、同步剪挤精冲、挤压精冲孔以及无毛刺冲裁等等。

  (2)专用精冲机精冲技术

  a、强力压板精神——采用不同结构的强力压料板进行压边、反顶及冲裁的精密冲裁(FB),包括:已普及用于生产的用V型齿圈强力压边的精冲技术和较少使用的带锯齿型压板、锥形压板、凸台形压板的精冲方法……等。

  b、对向凹模精冲——利用平面切削原理,采用上下对应的成对凸模与凹模按规定程度分次冲切,是日本人于1968年发明并在日本已推广用于生产的精冲技术。国内也有使用的但未推广普及。

  c、复动和往复精冲——未推广应用。在现场的各类机电与家电产品冲压件生产中,实际遇到需要和能够进行整体精冲的冲裁件种数有限。而且有相当一部分冲件只需局部精冲,尤其只要精冲其群孔、群槽孔的一小部分,应用普通压力机精冲技术就更经济;对于仅需局部精冲获得高精度孔形与孔距、无毛刺且冲切面光洁平整的内形或部分外形的冲裁件,则可有光洁冲裁达到要求。


  精冲的工艺技术水平

  长期推广应用精冲技术的实践说明,精冲件的质量已达到切削加工件的水平。在大量生产中用精冲技术冲制料厚t>0.5~16mm的各种板状零件,特别是外形复杂的如齿轮、棘轮、凸轮片以及普通切削机床加工也十分困难的扇形齿轮、飞机刹车片、柴油机面板等,不仅能优质高产低消耗,而且精冲机自动化程度高,近几年生产的新型CNC精冲机,功能齐全,多数为三动全液压O型机架闭式结构,精冲过程全在密闭空间自动运作,操作十分安全,工作的噪声不超过标准规定的85dB(A)。精冲技术(FB)是冲压领域的高技术,设备与模具都有颇丰的高技术含量,是前景看好值得大力推广的新技术。


  用精冲技术提升冲压技术水平

  精冲技术是一项由多种基础工艺技术组合打造的庞大而复杂的系统工程,包括:金属治炼技术、原材料加工及其前处理技术、精冲模设计制造与修理技术,精冲润滑技术、精冲专用设备研试开发制造与维修技术、理化计量与精密检测技术、精冲工艺深化扩展应用技术等等。精冲技术改变了传统板料冲压工艺的毛坯生产性质,可以用板、条、带、卷料在专用精冲机上用带各种形状强力压料板的精冲模一模成形冲制出尺寸与形位精度高、冲切面光洁平整、可与切削加工件相媲美的成品零件。近年来,板料的精密冲裁(Feinschneiden)已扩展加工范围成为可以精冲深孔、沉孔、盲孔、压凸、压花、压印、镦挤、翻边……等精密冲裁与成形的复合加工,进行各种复杂板料冲压件的精密冲压(Feinstan-zen)技术。

  在普通冲裁中,由于凸模与凹模之间有一定的间隙,使冲裁件冲切面成为层次分明而粗糙的斜面,如圆形件的落料和冲圆孔则都带有肉眼可见的锥度及明显的塌角与毛刺。落料件的大端尺寸等于凹模刃口尺寸;冲孔件的小端尺寸等于凸模刃口尺寸。测量冲裁件尺寸与使用冲裁件时,落料件是以大端尺寸为基准,而冲孔件则以小端尺寸为基准。如果冲裁件的冲切面用作配合面、基准面、联接面、运动面、装饰面……,有严格尺寸公差及形位精度要求,尤其平面度、垂直度、表面粗糙度要求时,特别是料厚t>3mm的中厚板及厚板料冲裁件,传统工艺就是由冲压供坯用切削加工完成。自从F.Schiess发明的带V型齿圈强力压边精冲技术于1958年后逐步推广用于板料精密冲裁以来,高精度复杂形状,冲切面要求平直光洁的中厚板,厚板零件则可用该精冲法冲制,质量好、效率高,引起关注并争先研究推广。此后,便陆续有多种精冲方法在其他国家研试成功。1965年后国内通过技术引进与整套设备及模具的进口以及在普通冲床和液压机上搞简易精冲等多种途径,也开始推广应用精冲技术,曾精冲m=0.3的小模数片齿轮、连杆、凸轮、棘轮等零件达到IT7~8级精度作为成品零件直接用于产品装配。近年来,精冲工艺主要是强力齿圈压边的精冲工艺在国内仪器仪表、开关电器、汽车摩托车等机电产品生产中逐步得到推广,用于精冲t≤16mm厚的各种金属板料冲压件,取得了令人满意的效益。精冲技术的应用提升了冲压加工的工艺技术水平,特别是一些外形复杂切削加工的难度很大的厚板冲裁件,如:t=7.5mm、45钢的纺织机曲柄;t=12.5mm强度高达σb =750MPa的高锰耐磨合金钢的飞机刹车片……等,都由精冲完成。精冲(FB)的理论依据及工艺技术水平,而且可以看出精冲模具与设备的特点,对冲压技术的提升情况及可以取代切削加工的具体工艺技术数据。


  精冲工艺的推广应用

  我国开发推广应用精冲技术始于1965年,算下来已有四十年的历史。而真正进入推广应用的普及阶段还应该从1979年由笔者单位原一机部第十一设计研究院受部局委托在无锡召开的全国首次精冲技术交流会以后,在改革开放的大好形势下,通过技术引进、国际技术交流、合资与外资企业大量采用FB精冲技术的拉动,国内推广应用精冲技术才开始步入迅速发展的推广普及期。

  原一机部北京机电研究所作为国内最早研究与开发精冲技术的单位之一,又是国家精冲技术研究开发中心,对精冲理论和精冲润滑剂等进行了卓有成效的研究并设计了液压精冲模架及6300KN精冲机等,为国内精冲工艺的推广应用做了大量工作;武汉长江有线电厂是用普通冲床精冲较早、较成功并引进瑞士Feintool公司技术与设备的厂家。也是目前武汉地区的精冲加工中心之一。此后,上海、苏州和广州都建立了精冲专业厂和兼业厂。所生产的精冲件中绝大部分为钢质冲件而且80%以上是汽车、摩托车用精冲件,如上海交运公司、苏州精冲厂等主要生产汽车用精冲件。

  国外精冲设备,特别是瑞士四家世界著名精冲公司:Feintool、Schmid、ESSA、Hydrel等出产的精冲机质量不错,但价格高昂,国内多数企业不愿购买,中小企业买不起。国内虽在上世纪70年代后就有哈尔滨和内江两家机床厂开发生产出全液压三动精冲机,但液压密封欠佳,技术性能尚待改进。近几年,由国内精冲技术学者和专家组织在武汉成立华夏精冲技术有限公司,专门制造精冲机并与2002年8月研制成功第一台具有中国自主知识产权的HFB-2500A全自动液压精冲机。同时与武汉理工大学共建精冲技术中心。目前该公司已有三台不同规格的HFB系列精冲机交用户使用。并已形成年产12台精冲机的生产能力。该公司制造的HFB系列全自动液压精冲机的主要特点:自动送料、废料自动剪切、模具安全防护、精冲零件精度高、冲切面光洁平直。HFB系列精冲机有公称冲压力从1600~6300KN六个规格可供选用。


  推广应用精冲技术面临的问题

  精冲是冲压领域中的高技术,在各类机电与家电产品制造企业中,如其产品达到适度经济生产规模进行大批量生产时,合理应用精冲技术,可以获得很好的技术经济、职业安全效益。推广应用精冲技术,需要很好地解决面临的以下问题:

  (1)更新观念,以人为本,用精冲更多地取代切削加工

  冲压生产中的噪声超标和时有发生的压手断指的人身伤害事故是令人疾首的两个难题,至今并没有有效的消减办法。“以人为本,坚持可持续发展”,在冲压行业的体现首先是“生产必须安全,安全为了生产”。冲压中噪声多数超标达95dB(A),有害于工人身体健康。精冲机多为全液压驱动,模具工作区外有密闭防护屏,全自动运作,劳动强度低,噪声一般不超过标准规定的85dB(A),能确保安全生产,工作地噪声污染小,符合“以人为本,可持续发展”的科学发展观。而且精冲工艺生产t>3mm的中厚板、厚板,具有复杂外形零件,切削及其他加工方法都难以实施大批量生产,而是精冲高技术的优势,理应积极大力推广应用,更多的取代切削加工,实现优质高产低消耗。

  (2)开展协作,互惠互利

  克服计划经济时期遗留的“大而全,小而全”,万事不求人的传统观念,开展大协作,把需要精冲而自己又无能力精冲加工的零件外委协作。独自开展精冲加工,需要有相关技术配套齐全、巨大的资金投入以购买昂贵的精冲设备;需要一批不同专业的技术人员支撑,周期长、投入大,外委协作不失为上策。但对于已达到经济生产规模、精冲件需要品种多、数量大的产品制造厂,如汽车、摩托车、缝纫机、照相机、开关电器、仪表、家电五金……等,建立自己的精冲生产车间(点)只要设备负荷率足够,效益会很好的。

  (3)配套技术要跟上,关联工艺要完善

  推广精冲技术涉及很多配套技术门类和工种以及直接关联和应用的工艺技术,是一项庞大而复杂的系统工程。

  与实施精冲工艺直接配套的技术主要有:精冲原材料前处理技术、理化计量技术、润滑技术、精冲模的设计与制造及修理技术、CNC精冲机操作与维修技术等等。这些配套技术门类都有专业工艺技术领域与成套设备,要有专门技术人员与技师从事作业,配合精冲所需工作。

  与推广精冲技术直接关联的治金技术,关系到精冲模具钢的精炼和精冲专用钢种的开发、治炼任务。此外精冲模工作零件锻坯的锻造,是一项难度大,要求高的自由锻工艺技术,都需要适应精冲技术要求,逐步完善。

  (4)精冲模的设计、制造与修理走专业化道路

  与普通全钢冲模相比,精冲模制造技术要求更高、难度更大,所需制模的高、精、尖设备品种多,制造工艺也复杂。由一定基础的冲模制造专业厂制造精冲模更经济一些,提倡并推荐走专业化生产道路。

  (5)专业技术人材的培养

  精冲技术是冲压领域中的高技术和发展方向。国家与相关企事业单位及有关联的技术门类和科研机构,应注重培养专业人材及对有关专业人员有意进行精冲专门知识与技能的培养。从实践中培养专门技术人材,如从冲压工艺与冲模设计与制造的技术人员中挑选与培养推广精冲技术的专门人才就会迅速入门、见效。

  (6)编制精冲技术用各种国标GB,填补空白

  1986年后有关单位根据德国工程师协会(VDI)于1980年由瑞士Feintool AG Lyss/schweiz公司起草编辑出版的VDI-Richtlinie VDI3345 Feinschneiden,即:VDI-技术准则VDI3345精冲篇和上述Feintool公司于1977年出版的新二版《Feinschneiden Handbuch für die praxis》即《Fein-tool实用精冲手册》,编制了机械工业精冲技术用行业标准:JB/T6957-93精密冲裁件工艺编制原则、JB/T6958-93精密冲裁件通用技术条件、JB/T7714-95精冲模具润滑剂技术条件等几个行业标准。虽然这几个行标存在一些问题,不尽如人意,但十几年来对国内精冲技术推广应用仍起到一定的指导与推动作用。如今已时过境迁,国内精冲技术的应用,受汽车、摩托车、家电等产品的大量增产以及中国逐步成为世界制造中心的强力拉动,不仅建立了多个精冲加工中心普及精冲件的使用,还开始依靠自己的能力制造全自动精冲机,不仅需要而且也完全有能力、有条件编制适合国情的成系列的精冲技术方面的国家标准以规范和指导全国精冲技术的应用及相关的商业行为。

  (7)充实科研队伍,加大科研力度

  精冲技术的科研应走在推广应用的前边。国内推广应用这项新技术,1965年起步与日本1962年开始研究相差不大。由于众所周知的“十年文革”,不进而退,至到改革开放后,推广应用精冲技术才又重新起步缓行。造成在精冲技术科研与应用方面与日本相比存在着很大差距;日本1964年引进瑞士多家精冲工艺及精冲机制造专利技术,1966年开始制造精冲机,目前已可制造250~25000KN三动全液压CNC精冲机出口世界各国。日本的精冲科研实力雄厚,并于1968年发明了对向凹模精冲法,迅速投入实际应用,很快有9个欧美国家购买了这项专利技术,现在日本还制造成系列的对向凹精冲用CNC专用精冲机。相比之下,国内至今虽建有北京、武汉等地的精冲科研基地和上海、苏州、武汉、广州几个精冲加工中心,对全国和国内迅速发展壮大的制造业而言,科研队伍太小,精冲技术中如下一些难题有待加大科研力度给予解决:

  a、厚板精冲问题

  按照德国工业标准DIN对钢板按厚度t分类中,t>4.75mm的厚板精冲及t>3~4.75mm中厚板精冲,目前尚存在精冲模寿命低、精冲件质量不稳定以及合理工艺参数与合理间隙值以及刃口圆角值的确定等……。 

  b、精冲模结构及零部件标准化、系列化、通用化。

  c、精冲模的技术条件与验收标准。

  d、其他精冲方法的开发、创新与推广。

  e、CNC精冲机的开发、研制与制造。尤其32000KN以上大吨位CNC精冲机的制造。


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