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五金沖壓模具制造、五金沖壓件加工、工業機器人集成應用

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深圳市新天宇科技有限公司

1.19火箭vs雄鹿录像:鋰離子動力電池精密結構件復合沖壓加工新技術探討

來源:沖壓加工、精沖加工、連續冷擠壓復合沖壓加工新技術探討作者:深圳市新天宇科技有限公司網址:火箭vs雄鹿直播瀏覽數:34952
文章附圖

火箭vs雄鹿直播 www.oriqt.club   科學技術的迅猛發展,尤其是在現有資源及環境不可過分樂觀的形勢下,對五金沖壓加工乃至整個塑性加工業等都提出了嚴重的挑戰。減輕重量,節省材料,降低能耗,開拓創新己成為塑性加工業等面臨的一個極其重要的課題。

       不可否認在五金沖壓加工中,沖壓是成形效率和材料利用率最高的加工方式之一,其具有自己獨特的優勢與特點。面對嚴重挑戰,深圳市新天宇科技有限公司,正以新的姿態,向擠壓、精沖和機械加工等領域開拓,如齒輪沖壓、沖壓發動機殼體、沖壓搖臂、沖壓搖臂座、沖壓排氣管、沖壓焊接成形的離心泵、沖壓托架、沖壓焊接成形的汽車后轎殼、沖壓離合器殼體、沖壓變速箱殼體、沖壓皮帶輪等等,所有這些不僅一改過去工件由鑄造、焊接生產而呈現的粗笨外表,許多沖壓件的精度也毫不遜色于機械加工的產品,其結構合理性甚至要超過某些機械加工產品,尤其是其生產率又遠非機械加工所能比擬。而復合沖壓、微細沖壓、智能化沖壓、綠色沖壓等高新技術又向我們展示了沖壓加工極具魅力的新領域,可以說沖壓加工不論從深度,還是從廣度上,都大有作為,前景美好。

       本文結合深圳市新天宇科技有限公司的生產經驗,歸納出最新的沖壓加工工藝。


1.復合沖壓加工

       本文所涉及的復合沖壓,并不是指落料、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。

1.1沖壓與電磁成形的復合工藝

       材料是人類社會進步的里程碑。從石器時代到青銅器時代,再到鐵器時代,以至于到現在的新材料設計與制備加工工藝時代,可以說人類社會每一次飛躍性的進步都與材料和材料技術的發展密切相關。新材料的研究、開發與應用反映著一個國家的科學技術與工業化水平。以大規模集成電路為代表的微電子技術、以光纖通訊為代表的通信技術、以核磁共振成像系統與磁懸浮技術等應用為典型代表的超導技術、以載人飛船或航天飛機為代表的航天航空技術等,幾乎所有的高新技術的發展與進步,都以新材料和新材料的發展和突破為前提。新材料技術在沖壓加工中應用也是沖壓加工發展的一個極其重要的方面,沖壓專家歷來十分重視。

       現有的研究與實踐都表明沖壓成形實際上受到材料變形兩個方面的限制:一是頸縮與破裂問題,二是受壓失穩起皺問題,其實質都是板材塑性成形不能穩定進行的表現。金屬材料的屈服點、細頸點和破壞點對沖壓加工來說,是具有重要的實際工作意義的,屈服點既是結構設計的結束點,更是塑性變形的開始點,而細頸點則是材料成形的極限。故沖壓成形范圍在材料拉伸應力應變曲線上僅為屈服點到細頸點這一不大的應力區間,而難成形材料的這一應力區間就更加狹小,故沖壓成形范圍的有限性往往又阻礙了許多難成形材料零件的應用,而這些難成形材料的一些性能往往又是制作某些重要零件所必需的。譬如在汽車覆蓋件成形中,若用鋁合金代替鋼可以減輕重量30%,因而采用鋁合金汽車覆蓋件對減輕汽車自重非常有意義。尤其在這個充滿汽車的世界上,其對資源與壞境的影響更是不可輕估的。然而鋁合金作為難成形材料其成形范圍是極其有限的,因沖壓失穩使之不能正常得到應用而讓人們感到很無奈。現在用沖壓與電磁成形復合工藝,可以很好地解決鋁合金覆蓋件成形難的問題。盡管其機理現在尚不太清楚,但有一點是可以肯 的,那就是電磁成形是高速成形,而高速成形不但可使鋁合金成形范圍得到擴展,并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:用一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,再用一對模具在壓力機上成形覆蓋件易成形的部分,然后將預成形件再用電磁線圈進行高速變形來完成最終成形。事實證明,用這樣復合成形方法可以獲得用單一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一種比強度高、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于飛機、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。現在人們研制了一種集加熱與成形一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,然后再以適當運動模式進行成形。 此種方法也適用于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。由于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,故人們研制一種全新概念的沖床“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范圍,為鎂合金在塑性加工業廣泛應用奠定了堅實的基礎。

1.2沖壓與冷鍛結合(連續冷擠壓技術,即CFP技術)

       一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范圍。而在汽車零件生產中常遇到一些薄壁但卻不等厚的零件(圖一),用單一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范圍。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:一是原材料容易廉價采購,可以降低生產成本;二是降低單一冷鍛所需的大成形力,有利于提高模具壽命。


2.微細沖壓加工

       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一方向的尺寸小于100μm,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、微型栗、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域都有著出色的應用,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、物力和財力,一些有遠見的著名大學和公司也加入了這一行列。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,微細加工一定會像微電子技術一樣,給整個世界帶來巨大的變化和深刻的影響。對于模具工業,由于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:

零件越小,表面積與體積比迅速增大;

工件與工具間的粘著力,表面張力等顯著增大;

晶粒尺度的影響顯著,不再是各向同性的均勻連續體;

工件表面存儲潤滑劑相對困難。


      微細沖壓的一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一個極其重要的問題。沖小孔的研究著重于:一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?;さ齲?。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。有資料表明國外己經開發的微沖壓機床長111mm,寬62mm,高170mm,裝有一個交流伺服電機,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。日本東京大學利用一種胃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50μm的聚酰胺塑料板上沖出寬為40μm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,研制出一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1μm,從而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03mm的黃銅和純鋁進行一系列變薄拉深加工,加工出內徑為16mm,壁厚為0.015mm~0.08mm,長度為30mm的一系列超薄壁金屬圓筒。經檢測,成形后的超薄壁筒壁厚差小于2μm,表面粗糙度尺30.057μm,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。


3.智能化沖壓

       板料沖壓從手工操作到半機械化、機械化、自動化操作,均是沖壓發展到每個階段的標志,而今板料沖壓又進入到了智能化階段,因此,可以說智能化沖壓是板料沖壓技術發展的必然趨勢。板料成形智能化研究起源于20世紀80年代初的美國,繼后,曰本塑性加工界也開始板料智能化研究。該項技術研究之初的十余年間,全部力量集中于彎曲回彈的成形控制,直至1990年后該項技術的研究才擴展到筒形零件的拉深變形,進而再擴展至汽車覆蓋件成形、級進模智能成形等。

       所謂智能化沖壓,乃是控制論、信息論、數理邏輯、優化理論、計算機科學與板料成形理論有機相結合而產生的綜合性技術。板料智能化是沖壓成形過程自動化及柔性化加工系統等新技術的更高階段。其令人贊嘆之處是能根據被加工對象的特性,利用易于監控的物理量,在線識別材料的性能參數和預測最優的工藝參數,并自動以最優的工藝參數完成板料的沖壓。這就是典型的板料成形智能化控制的四要素:實時監控、在線識別、在線預測、實時控制加工。智能沖壓從某種意義上說,其實是人們對沖壓本質認識的一次革命。它避開了過去那種對沖壓原理的無止境探求,轉而模擬人腦來處理那些在沖壓中實實在在發生的事情。它不是從基本原理出發,而是以事實和數據作為依據,來實現對過程的優化控制。

       智能化控制的當然是最優的工藝參數,故最優的工藝參數確定是智能化控制的關鍵所在。所謂最優工藝參數,就是在滿足各種臨界條件的前提下所能夠采用的最為合理的工藝參數。要實現最優的工藝參數的在線預測,就必須對成形過程的各種臨界條件有明確的認識,并能夠給出定量的準確描述,在此基礎上才能夠確定智能化的控制。而定量描述的精度又決定著智能化系統的識別精度和預測精度。這就表明系統的識別精度、預測精度和控制精度均依賴于定量描述精度的提高,故要不斷予以修改、提高。且檢測精度、識別精度、預測精度和監控精度系統本身也要不斷完善提高。這樣,智能化沖壓才能達到應有的水平。

       有關研究表明在拉深過程的智能化控制中,最優工藝參數的預測最終歸結為壓邊力變化規律的確定,而壓邊力的控制又基于壓邊力的預測研究。預測拉深成形壓邊力的傳統方法主要有兩種:實驗法和理論計算法。近年來又把人工神經網絡和模糊理論等人工智能理論引入壓邊力最佳控制曲線的預測研究中,目前變壓邊力控制技術己成為學術界和工業界的一個研究熱點。而壓邊力變化規律的理論根據就是確定起皺或破裂的臨界條件,可見拉深中法蘭起皺和破裂的臨界條件的正確確定不可不重視。進一步研究還表明,對錐形件拉深而言,法蘭起皺區幾乎被側壁起皺區所包圍,故克服了側壁起皺同時也就克服了法蘭起皺,所以對錐形件拉深來說,其主要矛盾集中于工件破裂和側壁起皺。故其壓邊力大小范圍要控制在側壁不起皺〔最小極限)和側壁不破裂(最大極限)之間。


4.綠色沖壓

       環境與資源是當今世界發展必須要解決好的兩個重大課題。為確保人類社會文明與經濟發展的可持續性,人們提出綠色制造。所謂綠色制造系指在滿足產品功能、質量和成本要求的前提下系統考慮從產品設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期,力求在每個環節中以對環境的負面影響最小,資源利用率最高。綠色制造是一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。


5.綠色設計

       所謂綠色設計即在模具設計階段就將環境?;ず圖跣∽試聰牡卻朧┠扇氬飛杓浦?,將可拆卸性、可回收性、可制造性等作為設計目標并行考慮并保證產品功能、質量壽命和經濟性。例如在小批量多品種生產中可采用通用模架、組合模具結構,從而達到一模多用,甚至還可以采用一形兩面凸?!餐?〕、 一模多形〔圖3〕等方法,以減少模具數量,節省材料。圖2a為45度切角凸模、圖2b為拉深凸模、圖2c為彎曲凸模、其特點都是一面磨損了,換另一面可繼續使用。

       圖3為沖壓扣接模具、三個凸模共用一個凹模,其凹模制成一模多形狀,這樣就大大減少了材料與能量的消耗,對環境有利。

       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,傳統的基于經驗的設計方法己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,是模具設計領域的一場革命。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。通過觀察位移后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,得到工件回彈后的形狀和殘余應力的分布。這一切,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。


6.綠色制造

       在模具制造中,應采用綠色制造。現在有一種激光再制造技術,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,最后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。由于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:一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。現代優化技術己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??梢韻嘈龐嘔叛嵊幸桓鐾黃菩越?,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,還可以通過改變產品結構的方法來加以解決也不是完全不可能的。對于套裁,人人皆知的有大墊片套裁中墊片,中墊片再套裁小墊片等。

       世界科技飛速發展,將我國模具工業推進到一個嶄新階段,我們有理由相信沖壓加工前景無限美好。塑性加工業一定會在向大自然偉大進軍的征程中,在給人類提供日益提高的物質產品同時不斷豐富和拓展本身,取得更加喜人的成果。