冲压精密成形技术的发展与应用性研究

 1  引言

    精密成形是指采用金属塑性成形技术，将坯料在模具中一次或多次成形为最终产品的过程。它改变了传统的毛坯成形技术模式，使之由粗放型的成形过程转变为优质、高效、高精度、低成本的成形方式，可以最大限度地减少机械加工量，节约原材料和能源，提高生产效率和产品品质。

    冲压加工是机械、汽车、家电等行业广泛采用的一种生产加：[方式。作为一种传统的加工技术，普通冲压加工在设备性能、加工质量、可靠性以及经济性方面已越来越不能适应现代大规模、大批量自动化生产的要求，因此发展高效冲压精密成型技术已成为新的社会需求。近年来，新型材料及其性能优化、设备制造水平以及模具设计水平的不断提高，大大推动了冲压精密成形技术的发展与应用。  2冲压精密成形技术及其发展  目前各类结构零件的尺寸与形位精度要求越来越高，特别是沿料厚方向要求光洁、平直。传统加   1U方法是由冲压供坯，再通过切削加工的方法满足技术要求，这样不仅工艺流程长、工序多，生产效率低，而且零件互换性不好，不能适应大批量生产需要。随着新材料和新结构的扩大应用，迫切需要发展相应的冲压精密成形技术_l J。  2．1精密冲裁技术  精密冲裁技术是在普通冲裁的基础上发展起来的一种高效率、高精度的塑性加工技术。其工作原理为：利用精冲模具，在专用压力机或经过改装的通用压力机上，使板料在三向压力状态下沿所需轮廓进行纯剪切分离，从而得到断面光洁、垂直、平整度好、精度高的板状精密轮廓零件(见图1)。精冲技术被广泛应用于许多工业领域，已成为汽车、摩托车等许多行业零部件制造的关键技术之一L2 J。精冲零件也由起初的仪器、仪表领域的精密小零件发展到汽车、摩托车行业的厚大复杂件，如凸轮、齿轮等，并取得了较好的效果_3 J。

    精密冲裁技术具有高效、精密、节能、少费料等特点，但精密冲裁技术的推广应用很不理想，大量适于精冲的板状精密轮廓零件，仍是用传统的、低效率的铣削加工l 4|。主要原因在于：①精冲机的价格昂贵；②精冲机的专业性强，只有达到规模化生产才体现出其经济性，而我国企业目前很难形成较大批量的生产；③精冲过程不仅要有先进的精冲机，还需要相应的先进配套设备(包括精密的检测设备和模具加工设备等)，另外要配备高素质的工程师和技术工人，才能发挥它的先进性和经济性；④精冲技术在我国仍属起步阶段，精冲设备、精冲模具、精冲材料和精冲润滑油等配套不完善。  2．2往复成型方法  精冲过程中，所加工的材料自始至终都是塑性变形过程。材料的塑性变形集中在凸模刃口和凹模刃口所局限的极窄间隙区内，塑性变形所引起的材料加工硬化也随精冲过程的进行而增加。精冲件剪切面及内层硬化曲线如图2所示。材料的厚度越大，变形程度越大，硬化曲线的峰值硬度越高∞j。这种明显的加工硬化现象降低了材料的塑性，同时增加了冲裁力，即材料塑性枯竭现象，限制了材料的最大精冲厚度。

    为了减弱加工硬化所带来的材料塑性枯竭问题，往复成形精冲工艺通过模具零件的顺序动作，巧妙地将材料的金属塑性变形分配到材料的三个不同部分，推迟乃至抑制了传统精冲技术上的塑性枯竭问题。此外，在加工过程中，利用上、下凹模的持续保压及材料完好搭边的“紧箍”作用，可以保证坯料的变形区在整个精冲过程中始终处于三向静水压力状态，从而确保了精冲件剪切面的光亮，以获得合格的精冲件怕j。其工艺原理为：在向某一方向冲裁的深度达到一定值以后，再向其相反方向冲裁，从而获得精密零件。其冲裁过程如图3所示。

    往复成形精冲工艺突破了传统精冲工艺在材料可精冲厚度极限方面的限制，扩大了精冲技术的应用范围。但往复成形精冲工艺的动作比强力压边精冲更复杂，而且对各力的控制也更为严格，因此需要专门的设备才能实现这一过程。

    2．3辅助增压技术

    针对现代汽车工业生产对冲压加工越来越高的要求，德国T0x冲压技术有限公司在二十世纪七十年代成功开发出了新一代冲压技术及冲压加工设备——TOx一气液增压式冲压技术及其设备。其原理为：内置液压油系统的气增油压的冲压动力装置，只需2bin。一6bar压缩空气驱动，即可产生2kN一2000kN的冲压力，以此高可靠性的集成组合，取代了传统冲压设备的繁杂动力驱动系统和庞大的装机功率。而在运动特性方面，T0x～气液增力缸又以三行程冲压循环彻底改变了传统冲压设备二冲程冲压循环带来的诸多弊端，为这一新的冲压技术奠定了先进的运动学基础17J。  2．4板材热成形技术  板材热成形是将坯料加热到再结晶温度以上某一适当温度，使板料在奥氏体状态时进行成形，降低板料成形时的流动应力，提高板料的成形性旧J。但为了防止热加工导致强度降低，热成形方法必须辅以合适的热处理手段。

    板材热成形工艺流程：落料一预成形一加热一冲压成形一保压(使零件形状稳定)一去氧化皮一激光切边冲孔一涂油(防锈处理)。热成型技术的优点在于利用材料高温下良好的塑性，可以成型非常复杂的形状，可生产超高强度零件，成形精确，没有回弹。

    目前，厚板料零件的热成形技术在国内外已得到应用，阿赛洛、蒂森克虏伯、本特勒等公司已经建立了热冲压生产线。德国大众公司在PASSAT B6中对部分车身零件采用了该技术汐j。由于该项技术需要在成形的同时，给予足够的冷却速度进行淬火，因而设备和模具方面也有其特定的要求。国内在热冲压生产工艺和模具方面进行了一定的研究，但在材料开发、设备改造及控制方面、零件质量稳定性控制等方面仍然欠缺，离生产应用还有一定的差距。  2．5液压成形技术  液压成形是特种冲压成形工艺，其工艺特征为等压成形，依赖高压介质改变板料形状，板料为三向受力状态，能够较好地改善局部成形，有利于成形更加复杂的覆盖件；同时零件成形过程中利用液体介质的静压力，改变了传统的钢一钢接触成形方式，能够有效减少板料划伤，对提高表面质量极为有利，因此可以保证良好的冲压质量。但是，液压成形技术应用的限制也显而易见：需要外用液体介质及其相应装置；并且有必要在焊接前对零件进行后续处理；考虑到对现场作业环境的影响，不适合大批量零件加工。

    目前的板材液压成形工艺有两种：液体代替凸模和液体代替凹模。液体代替凸模是板料在液压的作用下直接被压人凹模，并紧贴凹模成形(见图4)；液体代替凹模是刚性凸模将板料压入液压室，板料在液压的作用下紧贴凸模而成形，其原理图如图5所示。

    液压成形技术是近10年被广泛关注的一种近净成形技术，已广泛应用于制造汽车零部件。1993年奔驰公司就建成了液压成形车间，通用、福特、欧宝、宝马等汽车公司也已投资建成了自己的液压成形件生产基地。

 3与精密冲压工艺相关的技术

    冲压精密成形技术涉及很多削套技术门类，是一项庞大而复杂的系统工程。结合目前的技术现状，应重点从原材料前处理技术、模具的设计与制造技术、润滑技术等三个方面着手开展攻关，促进冲压精密成形技术的进步。

    提高冲压材料的综合性能是解决材料塑性枯竭问题的一个研究方向。冲压材料选择的合理与否，直接影响到冲压产品的性能、质量和制造成本，同时决定着冲压工艺过程及继续加工的复杂程度。有研究表明，将某些金属进行适当的预处理，以获得稳定的超细晶粒组织，再经过形变热处理，可以生产用常规塑性加工方法无法生产的具有薄壁、薄腹板、高肋和细微凸出部的精密复杂零件_11i。同时，在冲压材料特别是精密冲压材料的性能改善与质量提高等方面需引起足够的重视。在冶炼工艺、熔体处理、晶粒度控制、变形工艺控制以及热处理质量等方面加强质量控制，提高材料的冲压成形性能。

    模具制造水平的提高无疑是实现高质量冲压的重要手段。瑞士、德国选用的模具钢都是经过二次精炼的，而国内很少对模具钢进行二次精炼，造成模具钢的内在质量得不到改善和提高。同时加强模具的表面处理，使模具材料具有内部韧、表面硬、耐磨、耐热、耐蚀、耐疲劳、抗咬合的特殊性能，充分发挥材料的潜力，可以有效改善冲压件质量112]。目前模具的表面处理方法主要包括：①改变表面的化学成分，如渗金属、渗碳、渗氮、渗硼和，ID处理；②不改变表面化学成分，如激光淬火、真空淬火、低温和超低温处理；③表面形成硬化层，如镀硬铬、热喷涂、化学气相沉积(vcD)、物理气相沉积(PvD)等在表面形成TiC、TiN等超硬物质。我国模具材料在工序和质量控制、质量检测手段等方面存在差距，模具新材料及其热处理、表面强化等新技术的研究与应用偏少，应引起足够的重视。

    润滑技术是影响模具使用效率的重要因素，同样也影响到冲压工艺的实施效果。润滑技术的研究主要体现在高效添加剂等，如金属磨损自修复技术(ART)，将极微细(纳～微米级)矿物质组成的混合物加入润滑油中，它与载体不发生化学反应，也不改变载体粘度；使用过程中在催化剂的作用下，迅速向金属零件内部扩散，熔化在金属表面晶格上，呈现金属陶瓷结构，因而金属表面具有非常卓越的抗磨特性，而且还能修复处于长期运转的模具磨损表面[•引。

    4结语

    目前，冲压精密成型技术的应用性研究仍处于起始阶段。为满足工业领域对精冲零件厚度的日益增长的要求，冲压精密成型技术应从以下几方面开展应用性研究：(1)加强基础理论研究，通过模具结构的完善以及静水压效应等，提高被加工材料的冷塑性能力；(2)开展在普通压力机上实现精密冲压的技术研究，适应tfJ小企业多品种小批量生产的需要；(3)加强适宜于精密冲压工件的材料设计与工艺控制技术的研究与开发，为冲压精密成形技术的研究与应用提供坚实的基础；(4)从模具材料、模具结构设计、工艺润滑等方面研究提高模具寿命和冲压工件品质的工艺技术。

    精密成形技术是建立在新材料、新能源、新型制造技术等多学科高新技术成果基础上的高效、高精度成形技术，国家在“九五”期间已将“精密成形与加工研究的开发和应用示范”列为重点科技攻关项目。随着冲压精密成型技术的研究和不断开发，充分发挥其高效率和产晶的高互换性、加工成本低等的优越性，将会大大提高机械、汽车等行业零部件的生产效率，进一步推动我国相关行业的技术进步与快速发展。