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板金成形與冷擠壓復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用
閱讀：835 發(fā)布時(shí)間：2014-3-8隨著環(huán)保呼聲的日漸高漲，制造業(yè)也越來越重視環(huán)境問題，因此，作為無切削成形加工的鍛造技術(shù)越來越追求高精度、高強(qiáng)度，高附加值。本文講述了汽車零部件塑性加工的發(fā)展動(dòng)向以及板金成形與冷擠壓復(fù)合技術(shù)(FCF工藝)在汽車零部件制造中的應(yīng)用。
塑性加工的發(fā)展動(dòng)向
汽車零部件的生產(chǎn)主要是從鋼坯開始進(jìn)行成形的，鍛造技術(shù)正是在汽車零部件的生產(chǎn)中逐漸發(fā)展起來的。zui近，出現(xiàn)了一種將鍛造技術(shù)與板金成形技術(shù)融合在一起的新技術(shù)——FCF工藝，備受人們關(guān)注。這種融合技術(shù)正是跨越固有技術(shù)而產(chǎn)生新技術(shù)和新產(chǎn)品的說服力的例子，其他如復(fù)動(dòng)成形、逐次成形、液壓成形、微細(xì)精密成形等是第二代鍛造技術(shù)的基礎(chǔ)，更進(jìn)一步將這些技術(shù)融合在一起，產(chǎn)生新的技術(shù)。表1中列出了近年來塑性加工的發(fā)展動(dòng)向。
zui近，由于使用了伺服技術(shù)，使沖壓機(jī)械的機(jī)能得到很大提高，使用了成形性高的滑塊運(yùn)動(dòng)方式和綜合智能控制機(jī)能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的高精度化，添加復(fù)動(dòng)機(jī)能，使沖壓機(jī)械可稱為具有更廣意義的成形機(jī)。
第二代鍛造技術(shù)的一種——微細(xì)精密成形，產(chǎn)品有高達(dá)μm級(jí)的精度要求的同時(shí)，對(duì)成形機(jī)也有要求，塑性加工已擴(kuò)展到IT機(jī)器或微小機(jī)械的微細(xì)產(chǎn)品的領(lǐng)域。
FCF工藝
FCF工藝(見圖1)指在普通的板金成形的沖裁、拉深、折彎、內(nèi)翻邊等工程上加入鐓壓、變薄、擠壓等工藝的復(fù)合成形方法。鍛造的特點(diǎn)是利用材料的塑性流動(dòng)來成形出壁厚不一、形狀復(fù)雜的高精度零件。利用其特點(diǎn)有望與切削、燒結(jié)、鑄造、射出成形等加工工藝結(jié)合起來，這樣，沖床的加工就可實(shí)現(xiàn)更高的附加值，同時(shí)又可拓寬其加工領(lǐng)域。
圖2所示為各種工藝的成形應(yīng)力圖。FCF工藝在適當(dāng)?shù)募庸し椒ê图庸ぞ鹊那闆r下，其加工應(yīng)力通常是處于冷擠壓與板金加工之間，約為板金加工的2倍，當(dāng)然，模具構(gòu)造及所使用的沖床也不一樣。FCF工藝的變形很大，加工中會(huì)發(fā)熱，所以在模具設(shè)計(jì)中必須考慮集中應(yīng)力、模具的彈性變形、熱膨脹引起的尺寸變化及咬合等問題。因此，模具設(shè)計(jì)應(yīng)以鍛造模具的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，特別是采用多重鑲件的方式在大變形量的成形是zui有效的。
因?yàn)椴捎脽o切削成形，沖壓產(chǎn)品不斷地向高精度化、形狀復(fù)雜化方向發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)沖床向高機(jī)能化發(fā)展。因此，就誕生了一種與傳統(tǒng)沖床概念*不同的沖床——伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控沖床，利用控制伺服馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)既可為各種工藝設(shè)定zui合適的滑塊運(yùn)動(dòng)模式，同時(shí)又可在成形負(fù)荷作用下控制下死點(diǎn)。這種沖床不僅保持了作為工作母機(jī)的高剛性和高精度，而且在肘桿式運(yùn)動(dòng)模式中對(duì)滑塊不產(chǎn)生側(cè)向作用力，同時(shí)其抗偏心負(fù)荷也相當(dāng)高。從設(shè)備的角度來說，這種沖床也拓寬了沖壓加工的領(lǐng)域。
按FCF工藝加工的有代表性的產(chǎn)品形狀來分，可分為邊緣成形、壁厚差及臺(tái)階和局部成形三大類。這些形狀與切削、燒結(jié)、鑄造、射出成形、鍛造等工藝的產(chǎn)品類似。在精度、強(qiáng)度、工程數(shù)、生產(chǎn)效率和后加工的削減等方面，F(xiàn)CF工藝具有其他加工工藝所*的優(yōu)勢(shì)。
各工藝與FCF工藝
板金成形的加工界限大多取決于被加工材料的抗拉強(qiáng)度(抗剪強(qiáng)度)，其成形的特點(diǎn)為低應(yīng)力、多工程，而鍛造幾乎都是利用壓縮應(yīng)力進(jìn)行成形、加工界限多由模具強(qiáng)度決定的，其特點(diǎn)為高應(yīng)力、少工程。FCF工藝則是將二者的優(yōu)點(diǎn)組合起來的復(fù)合成形，進(jìn)行高精度的復(fù)雜形狀的成形或用于可以縮短工程的產(chǎn)品的加工。
1、精密沖裁與FCF工藝
沖裁是通過切斷而成形，通過加工條件有設(shè)定可產(chǎn)生與鍛造一樣的塑性流動(dòng)，必須有耐高應(yīng)力的模具。例如，高硬度的小孔、小縫的沖裁，厚板的沖裁等。那么，如何應(yīng)用高壓力的靜水壓力進(jìn)行精密沖裁呢?
(1)拘束沖裁
外形與內(nèi)孔邊緣間距離小于板厚的沖孔、內(nèi)徑大于1/2外徑、高度是內(nèi)徑1.5倍以上的沖孔，用拘束沖裁效果較好。由于外形與內(nèi)孔邊緣間距離較近，沖裁沖針的的力會(huì)影響到外形，使外形的尺寸也產(chǎn)生變化。為了防止外形尺寸產(chǎn)生變化，必須使這部分外形處于拘束狀態(tài)，由于拘束力的作用，沖裁部處于壓應(yīng)力狀態(tài)，在這種壓應(yīng)力的狀態(tài)下，取適當(dāng)?shù)拈g隙就能得到全是光亮帶的沖裁效果。
圖3為采用拘束沖裁得到的高度為內(nèi)徑3～5倍的活塞桿，廢料的高度不超過內(nèi)徑的1.5倍，而產(chǎn)品的高度卻超過原材料的厚度。這是由于在成形初期擠出變形力小于切斷力，材料向后方流動(dòng)，當(dāng)沖針到其直徑的1.5倍位置時(shí)，擠出變形力大于切斷力，此時(shí)成形由擠壓變成沖裁。板厚較厚的小孔沖裁會(huì)如銑切一樣沒有塌角。
(2)鐓斷
這是一種利用壓縮應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行精密切斷的加工方法。凸模的直徑比凹模的直徑大、在廢料部加壓進(jìn)行鐓斷加工。這種方法和用于六角螺栓頭的成形方法類似，汽車的手動(dòng)離合器的帶倒角齒輪的齒形成形屬于這個(gè)范圍。
圖4為利用精密鐓切進(jìn)行成形的厚度為10mm、寬度很小的凸輪的成形。利用鐓斷、削邊、變薄成形三個(gè)工序來完成，其成形負(fù)荷比沖裁大得多，但利用壓縮應(yīng)力可以使塌角很小。
(3)精密沖裁
精密沖裁是在0.002～0.02mm的極小間隙下，利用脫料板上的V形壓線將材料壓緊，在有反向浮頂力的情況下進(jìn)行沖裁。其加工原理是利用三動(dòng)作的模具，使沖裁部分的材料處于壓應(yīng)力狀態(tài)，材料的延展性得到改善，從而能得到全是光亮帶的沖裁效果。對(duì)于多數(shù)厚板沖裁及有附加壓力而產(chǎn)生集中負(fù)荷的沖裁，其模具設(shè)計(jì)思想應(yīng)和鍛造一樣。原來為一工序的復(fù)合模沖裁加入了折彎和鐓粗的連續(xù)模加工而變成與FCF工藝同一范疇;另外，通過對(duì)材料流動(dòng)的控制，即使很小模數(shù)的齒形也能成形。以上除精密沖裁外，其他利用壓縮應(yīng)力進(jìn)行沖裁必須在兩工序以上，使用的凸模的外徑比凹模內(nèi)徑大而擠壓切斷，汽車的手動(dòng)離合器齒輪的齒形成形就是采用鐓壓切斷的方法。
(4)難加工材料的沖裁
對(duì)于抗拉強(qiáng)度很高而延展性很差的難加工材料的沖裁，關(guān)鍵是如何設(shè)定純粹的切斷條件，也就是要具備極小的沖裁間隙、鋒利的刃口及很高的沖壓速度。由于沖擊力的作用，在模具的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)多數(shù)要考慮穩(wěn)定性和耐壓能力，因此，模具的材質(zhì)和表面粗糙度就顯得很重要。
2、拉深與FCF工藝
杯狀產(chǎn)品使用范圍很廣，既可用鍛造的方法擠出成形，也可用板金的方法拉伸成形。這兩種工藝特點(diǎn)如表2。FCF工藝是結(jié)合各種工藝的優(yōu)點(diǎn)，主要是利用拉伸成形精度高的杯狀物，利用鍛造方法成形齒形、邊緣等形狀。
(1)拉深與變薄成形
圖5的齒形皮帶輪是拉伸杯狀物采用變薄拉伸成形的例子，齒形要求塌角很小、精度很高以及通過控制齒頂和齒側(cè)面的材料的流動(dòng)而成形。
(2)拉深與擠壓成形
圖6所示的管座是通過多工序的自動(dòng)送料加工中拉伸和沖裁后，再通過凸模與凹模的閉塞的復(fù)動(dòng)模來成形邊緣部分的段差。采用具有前方擠出工藝及熱鑲式凹模結(jié)構(gòu)的鍛造模具的FCF工藝來成形內(nèi)部的邊緣非常有效。
圖7為多任務(wù)位拉深成形為杯狀后，控制上、下心軸進(jìn)行復(fù)動(dòng)正擠壓成形的內(nèi)部是圓形而外部是齒形的零件，利用復(fù)動(dòng)正擠壓工藝可成形高精度、高剛性的齒形。
(3)拉深與鐓壓成形
圖8是將用冷擠壓成形的凸起厚壁零件和拉深成形的杯狀零件合二為一，以板材為素材利用拉深和壓縮的復(fù)合成形方法而成形的零件，其成形特點(diǎn)是底部凸起的成形及壁厚增加。
(4)壓縮拉深
圖9所示的雙杯狀產(chǎn)品是由拉深和壓縮拉深組成的復(fù)動(dòng)成形加工而成，其工序數(shù)由6降低到1。通常的拉深界限是由材料的抗拉強(qiáng)度所決定的，難以縮短工序數(shù)。因?yàn)閴嚎s拉深是拘束材料的側(cè)面而拉深底部材料而成形，材料處于壓縮應(yīng)力場(chǎng)的靜水壓力效果中具有很大的變形度。但與普通拉深相比，其成形應(yīng)力要高很多，因此模具設(shè)計(jì)必須按照鍛造模具的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)。只要改變用以改善材料流動(dòng)性的心軸的安裝方向，就可以成形出上凸起或下凸起。
3、局部成形鐓壓成形
有兩種概念：一是全體鐓壓，即對(duì)全體產(chǎn)品的斷面都有作用應(yīng)力;二是局部鐓壓，即只在必要的部分有作用應(yīng)力。全體成形由于加工面積大，成形荷重高，需要大噸位的沖壓機(jī);對(duì)于局部成形，可用較低的荷重得到必要的板厚變化，在孔、槽的成形中應(yīng)用十分廣泛。
(1)臺(tái)階孔及其應(yīng)用
以圖10的臺(tái)階孔為例來說明成形的要點(diǎn)和應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)時(shí)，*步，沖底孔，以便材料在成形臺(tái)階孔時(shí)能平滑地流動(dòng);第二步，半密閉鐓壓而成形臺(tái)階;第三步，沖出所需的小孔。
(2)微細(xì)局部成形
出于IT化和環(huán)境因素的考慮，零件的要求越來越小型化、輕量化和微細(xì)高精度化，具有代表性的是汽車燃料噴射裝置的霧化板的斜孔的成形。
結(jié)束語
進(jìn)入21世紀(jì)，制造業(yè)的觀念已從重視效率轉(zhuǎn)向環(huán)境*，利用塑性加工的無切削成形越來越重要。加工產(chǎn)品已經(jīng)擴(kuò)展到信息設(shè)備、燃料電池、微小機(jī)械等新領(lǐng)域，而且更要求達(dá)到高精度化、形狀復(fù)雜化、微細(xì)化、難加工材料成形等。