精冲技术的昨天、今天和明天(新)

-1-精冲技术的昨天、今天和明天中国北方工业公司高级工程师周开华一、历史的回顾精冲技术的起源，要追溯到1914年以来工业生产的发展。1923年3月9日，德国人F.SCHIESS首先取得了精冲技术的专利权。专利题目：金属零件液压冲裁装置专利号：371004（见图1）。1922年生产出世界上第一个精冲零件（见图1）。图11924年F.Schiess在瑞士Lichtensteig建立了世界上第一个精冲工厂。然而，精冲技术从发明到现在已经83年了。他走着一条漫长而曲折的历史发展道路，大致可分为：（1）秘密期：（1923－1956）年，主要在钟表、打字机、纺织机械工业领域。（2）普及期：（1957－1979）年，主要在机械、仪器仪表、照相机、电子、小五金、家电等工业领域。（3）发展期：1980年~至今，主要进入汽车、摩托车和计算机工业领域。这段时间，ESSA、Feintool、Schmid、SMG、Osterwalder等功不可灭。特别是FritzBösch先生领导下的Feintool，在精冲工艺和模具的研发上，更是一路领先，对世界精冲事业作出了很大的贡献。-2-二、精冲的现状1、强力压边精冲一枝独秀众所周知，精冲技术是在普冲基础上发展起来的先进工艺方法。今天我们所说的精冲是强力压边精冲，它的工艺原理是：在三动压力机上，借助特殊结构的精冲模，在强力作用下，使材料产生塑性——剪切变形，从而得到优质的精冲零件。它的出现，从根本上改变了金属材料加工工艺链。因此，精冲决不是一种替代加工工艺方法，而是一种高质量、高效率、高附加值的加工工艺。（见图2）图2精冲工艺原理SP=冲裁力；RP＝齿圈力；GP＝反压力。1－凹模；2－压板；3－凸模；4－顶件器。当今，尽管还有日本对向凹模精冲、美国平面压板精冲等不同工艺形成，但目前都未得全面的推广和应用。-3-2、世界精冲市场快速扩展近25年来，强力压边精冲技术发展很快，主要表现在：(1)全世界约45个国家，360多个公司采用了精冲技术。(2)精冲机：约(3600~4000)台。(3)精冲件：约10000种。(4)精冲模：72%采用连续精冲模。(5)精冲工艺：向着复合成形工艺发展。3、中国精冲市场稳步前进如图3所示为中国精冲市场状况：(1)精冲市场分布：中国精冲分布在16个省市53企业，不包括其他形式的精冲专业厂。(2)精冲机拥有量：进口：80台，国产：10－15台(不包括液压模架)。(3)精冲件：生产约3500~4000种。(4)精冲模：在设计与制造上已初具水平。(5)精冲队伍：约5000人。-4-图3中国精冲市场状况-5-三、精冲的发展精冲技术发展的历史是断续前进的。近25年的发展才是连续而急剧的，从而出现了美好的前景。当前，精冲技术的发展主要表现在下述几个方面：1、工艺倾向1）工件结构的工艺性（1）从简单平面件到复杂立体件为主流，在满足产品功能要求的同时，寻求精冲件结构合理化。特别是铸、锻、粉末冶金及机加工件向精冲件转化（见图4）。图4（2）精冲材料的工艺范围正不断扩大。.料厚：（0.1～22）mm；特别是中厚板（6～12）mm。.机械性能：B≥9002mmN，甚至B=13702mmN。.种类：除常用精冲材料外，还可冲制钛合金钢、不锈钢，电磁钢，双金属材料等；（3）精冲件结构参数的评定，应参照德国工程师协会标准VDI—3345；2）FFS（Fineblanking-Forming-Stamping）复合成形工艺的出现由于平面零件向三维零件发展，与弯曲、拉深、翻边、沉孔、半冲孔、压扁等成形相结合，产生连续复合成形工艺。从而使精冲工艺有了更广阔发展前景（见图5）。-6-图53）冷锻、摆辗工艺与精冲相结合，(见图6)图62、模具倾向1）模具结构（1）固定凸模式模具（80%）较活动凸模式模具（20%）多4倍左右。（2）广泛使用连续复合模（72%），实现工件多工位复合成形加工，以减少冲次和提高效率，还有“纵向级进”复合成形模。（3）大力发展适应生产自动化，成组作业的模具，如传送模（见图7）。-7-图7（4）智能化模具：在分析零件中具有风险的几何单元，使之成为在压力机上不卸下模具时，能快速更换的元件和组件（见图8）。（5）建立模具设计数据库、模具零件标准库和标准模架库。（6）从模具设计CAD系统向CAD/CAM/CAE系统的集成发展。图82）模具材料模具材料影响模具寿命和生产率。故选材时，应充分考虑下列因素：（1）模具工作零件的受力状态——压应力、拉应力、弯曲应力、0.2屈服极限、冲击刃性，耐磨性和稳定性。-8-（2）模具工作零件与被冲材料的硬度和厚度相适应。例如：当s≤4mm，B=5002mmN时，凸模材料为合金钢165CrMoV12。X220CrVMo13.4（PV）。当s≥4mm，B≥5002mmN时，凸模材料为高速钢S6-5-2，ASP23，CPM9V。当工件批量大，且s≤1mm，B＞7002mmN时，凹凸模材料为硬质合金GT30。（3）模具材料的热处理工艺3）模具制造（1）采用高精度、高效设备和测试仪器。为高精度电加工机床、坐标磨床、三坐标测量机等。（2）采用真空热处理工艺。（3）采用特殊处理工艺：镀TIN或TIALN和超低温处理（－180C~－200C）3、设备倾向1）结构型式框架结构。组合结构（二段式、三段式）。FTL─增强型（HFAplus）和双连杆长台面HLT1250型，（见图9）。Schmid-X-TRASERIES型Mori-FB250B加长导轨型图9HD-高压泵；ND-低压蓄能器；EN-快速行程缸；RZ-齿圈缸；ZH-辅助缸；HJ-油回路；GH-反压缸；HZ-主缸；AZ-平衡缸。-9-2）传动方式以液压传动为主，机械传动少，下传动多于上传动。现在除三动精冲机外，更多的出现五动、七动精冲机，以满足不同的工艺要求。3）设备性能（1）向大吨位（400～800）t和CNC化、高速化方向发展。冲裁速度探测速度均在70mm/s，闭合与回程速度均为200mm/s，行程次数（70~100）n/min。（2）噪音小，耗能低，安全可靠性。4）成套机组（1）开卷—校平—送料—润滑—冲裁—切废料—另件分选—组装—传输。（2）精冲自动生产线上，在线检测功能，对不合格品作出及时的处理。5）重视外围设备：校平机、去毛刺机。4、使用倾向1）使用条件精冲技术应用的基本条件是：（1）具有适合精冲工艺特点的产品零件；（2）具有相应的生产条件——精冲模具、精冲机床、精冲材料和精冲润滑剂等；（3）具有一定的生产批量；（4）具有对精冲技术的认识能力；（5）具有一支素质较高的技术队伍。2）使用范围从世界工艺领域的发展来看，不能也不可能回避精冲技术。因为它在零件加工经济性方面，展示了工艺流程的合理性，它首先应在汽摩和电子行业大力推广。因为它们生产规模大，批量大，需要精冲设备数量多。5、管理倾向主要表现在设计、制造、生产、销售等方面程序化、计划化、定量化、信息化、协作化。现在推行一种新生管理模式──“中场企业”网络化制造，形成平面式的“虚拟企业”。这将是制造业的核心和主流。6、市场倾向1）精冲工程。如图10所示，精冲不是单一的、孤立的工艺技术，而是与多方-10-面有联系。并形成一个系统工程。它主要表现在：图10精冲条件（1）精冲零件：结构形状、工艺性、尺寸精度和表面质量。（2）精冲材料：材料的精冲性、成形性、化学成分、金相组织和热处理状态。（3）精冲模具：结构的稳定性、特性参数的选择和制造质量。（4）精冲机床：压力、速度和状态。（5）精冲润滑：润滑系统、润滑剂成分及用量。（6）生产技术：机床调整与操作、模具维修保养及后续工序。（7）市场需求：涉及生产批量、交货时间和价格等。2）精冲市场（1）精冲技术市场如图11所示，包括软、硬件市场。图11-11-（2）精冲产品市场如图12所示，供求双方面临着质量和成本的压力。因此，必须寻求和采用经济性、及时性和灵活性的加工方法，去获取市场份额。图12四、精冲的应用精冲工艺技术的发展，使它进入了各个工业领域，得到广泛的应用（见图13）。对于要求最小尺寸公差，具有最小粗糙度的功能零件，可以广泛使用精冲零件。而对于有视觉要求的、很精细的表面零件，也可使用精冲零件来代替。现今，精冲件的生产品种、尺寸形状、材料厚度和力学性能等，都有很大的提高。而且为了适应市场需求，生产的均衡性、质量可靠性和加工经济性更加特别突出。-12-1、应用范围图13精冲应用领域-13-2、汽车领域1)汽车精冲件种类和数量汽车工业是精冲技术推广应用的重中之重，一辆轿车精冲零件拥有量为40～200件，它占轿车冲压件的60～70%（见图14和15）。图14轿车精冲件分类-14-图15轿车的精冲件2)汽车零件精冲工艺特点(1)尺寸大型化：零件较大，中厚板较多。(2)工艺复合化：很多零件大都采用连续复合成形工艺，即FFS工艺（见图16）。图16三维零件(3)结构轻型化：有些锻件、铸件、烧结件，可以通过改用精冲而优化结构，同时-15-可以采用高强度材料，从而减轻质量（见图17）。图17支臂件(a)烧结件；(b)精冲件(4)生产高效化：汽车零件批量大，采用自动化效益高。3)精冲在汽车工业中的作用(1)降低生产成本。如果原材料、能源和工资费用要增加时，一辆汽车的生产成本，只能通过降低单个构件的成本来达到。(2)降低能耗。汽车的重量——功率比，是关系能耗最重要的最优化因素。而期望其较低重量——功率比、较好的轻型结构，必须精化结构件，从而获得较适宜的形状和能承受功能的结构件，而精冲件尺寸精度高、冲裁面光洁、垂直度和平面度好，这就大大地减少后续加工工序（见图18和图19）。图18离合器法兰盘件（a）锻件组件；（b）精冲组件。-16-图19变速箱构件(3)提高结构件的质量。由于精冲能制造复合成形结构件，从而简化了零件结构，提高了零件质量。(4)提高效率。精冲加工效率，远较其它加工方法为高。(5)确保安全性和环保性。为此，大力发展和推广应用精冲技术到汽车、摩托车等行业，是提高零部件及整车质量不可缺少的先进工艺方法之一。4)汽车工业应用精冲技术的基本条件精冲技术是一个系统工程，包含以下各个方面。(1)精冲市场：中国汽车精冲市场很大，但发育不完全，原因在于：①墨守传统加工方法，没有采用精冲工艺技术；②受国外进口CKD和SKD件的影响，国产化速度太慢；③管理上技术策决滞后，因此，中国精冲市场的突破口在汽、摩市场，它们主精冲技术的沉浮。若以2004年为例，汽车507万辆，摩托车1718万辆来估算精冲件约6亿件，这还不包括电子、机械、仪器仪表、家电和小五金等行业，而日本精冲件年产量达9亿件。(2)精冲机是实现精冲的基本条件之一。由于进口精冲机价格昂贵，很多企业望而却步。现在-17-国内有几家企业在生产经济型精冲机，可能只有进口价的1/10~1/20，这是一个福音。同时，在一定条件下(簿件，小批量)，亦可采用液压模架生产精冲件。我们只有根据国情、厂情，走自我开发精冲设备之路。(3)精冲模精冲模设计一般已不是大问题。关键在制造，而制造模具的硬件投资大，模具制造精度要求高，模具使用寿命要求长，这是个簿弱环节。同时，模具材料及其热处理也是精冲的瓶颈。(4)精冲材料精冲工艺对材料的化学成分、力学性能及金相组织都有严格的要求。国内钢厂还不能完全满足需要，这是个瓶颈问题。(5)精冲润滑剂对不同的精冲材料，有不同的要求。但对于厚板、不锈钢板等一类材料的精冲，润滑剂是个大问题。而无氯润滑剂的研制与应用势在必行。3、市场份额在很多工业领域中，精冲占有一定的市场，如图20所示，系按照主要制造业分类的精冲市场各占有的份额。图20精冲的市场份额图中明显看出外协件占的比重较大，这一方面是社会要求，另一方面外协专业厂技-18-术先进，生产效率很高。若从精冲机在各行业应用分布来看，以350台为例，如图21所示，汽车零件生产占了很大比例（42.7%），其次是精密的商业机械和其他零件。图21精冲机的分布4、精冲的经济性基于下述的原因，精冲是一种经济的加工方法：（1）可自动化加工。（