通过压力机和模具对板材、带材、管材及型材等施加力量,实现其塑性变形或断裂,进而制成特定形状和尺寸的工件,这种方法被称为冲压成形加工。冲压工艺与锻造工艺均属于塑性加工范畴,二者合称为锻压工艺。在冲压过程中,主要使用的是热轧或冷轧的钢板和钢带作为原材料。在全球范围内,钢材产量中约有60至70%为板材,而这些板材大多经过冲压工艺加工成最终产品。汽车的各个部分如车身、底盘、油箱、散热器片,锅炉的汽包,容器的壳体,以及电机和电器的铁芯硅钢片等,均通过冲压工艺制成。在仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械和生活器皿等众多产品中,也广泛使用了冲压件。
冲压工艺,即sheet metal foming和stamping,通过在压力机的作用下,运用模具将金属板材加工成不同形状的板片零件以及壳体、容器等工件,亦或是将管件塑造成各种管状产品。这种在常温下进行的成型技术,我们称之为冷冲压,简称为冲压。
冲压加工依赖常规或专用的冲压设备提供动力,通过模具使板料直接承受变形力,进而实现形状、尺寸和性能的改变,最终生产出符合要求的产品零件。在这个过程中,板料、模具和设备是构成冲压加工不可或缺的三个要素。
根据冲压加工的温度条件,可分为热冲压与冷冲压两种。热冲压适用于变形抗力较高、塑性相对较差的板材加工;而冷冲压则是在室温下进行,是薄板加工中常用的方法。冷冲压是金属塑性加工(亦称压力加工)领域中的关键手段之一,同时也属于材料成型工程技术的范畴。
冲压作业所依赖的模具被称为冲压模具,通常简称为冲模。这种冲模是用于将金属或非金属等材料大量加工成特定冲件的专用工具。在冲压过程中,冲模扮演着至关重要的角色;若缺乏符合标准的冲模,大规模的冲压生产将难以进行;而若没有先进的冲模,先进的冲压技术也无法得到应用。冲压工艺、模具、冲压设备以及冲压材料共同构成了冲压加工的三大要素,只有这三者相互配合,才能生产出优质的冲压件。
冲压制品相较于铸件和锻件,展现出薄、均匀、轻便且坚固的显著特性。通过冲压工艺,能够生产出其他制造方法难以实现的工件,例如带有加强筋、肋、起伏或翻边的形状,从而增强其刚性。借助精密模具的使用,工件的精度能够达到微米级别,且重复精度高,规格统一,能够冲压出孔窝、凸台等复杂结构。通常情况下,冷冲压制品无需或仅需少量切削加工即可。热冲压制得的零件在精度和表面质量上不及冷冲压产品,然而,它们相较于铸造件和锻造件,仍然具有更高的品质,并且所需的切削加工量也相对较少。
冲压作业是一种高效的生产手段,通过使用复合模具,特别是多工位级进模具,可以在一台压力机(无论是单工位还是多工位)上完成一系列的冲压步骤,从带料的开卷、矫平、冲裁直至成形和精整,整个过程能够实现自动化。这种方法不仅提高了生产效率,改善了劳动环境,还降低了生产成本,通常每分钟可以生产出数百件产品。相较于机械加工和塑性加工的其他手段,冲压工艺在技术层面和经济层面均展现出诸多显著优势。具体表现在:
冲压加工的效率显著,操作简便,且便于实现机械化和自动化。其核心在于,加工过程主要依赖冲模和冲压设备,一般压力机的行程频率每分钟可达数十次,而高速压力机则能达到每分钟数百次,甚至上千次,并且每一次冲压行程都能产出一件成品。
在冲压过程中,得益于模具的精确控制,冲压件的尺寸和形状得以保持高度精准,且通常不会损害其表面质量。此外,模具的使用寿命通常较长。因此,冲压产品的质量保持稳定,互换性出色,展现出“一模一样”的独特特性。
冲压工艺能够制造出尺寸跨度广泛、形状复杂的零部件,这些零件小至钟表的秒表,大至汽车的纵梁和覆盖件等。此外,由于在冲压过程中材料会经历冷变形硬化,因此冲压成品的强度和刚度都相对较高。
冲压过程通常不会产生切屑和碎料,材料损耗相对较低,而且无需额外的加热设备,因此它既节省材料又节约能源,使得冲压产品的成本相对较低。
冲压技术因其显著优势,在国民经济众多领域中得到了广泛应用。诸如宇航、航空、军工、机械、农机、电子、信息、铁道、邮电、交通、化工、医疗器具、日用电器以及轻工等行业,均可见冲压加工的身影。它不仅被整个产业界广泛采纳,而且与每个人的日常生活紧密相连。飞机、火车、汽车以及拖拉机等交通工具上,遍布着各式各样的大小冲压件。小轿车的车身、车架以及车圈等关键部件,也都是通过冲压工艺制作而成的。调查数据显示,自行车、缝纫机、手表等产品的80%部件采用冲压工艺制造;电视机、收录机、摄像机等设备的90%部件亦如此;此外,食品金属罐、钢制锅炉、搪瓷盆碗以及不锈钢餐具等,无一例外,均通过模具冲压加工而成;即便是电脑硬件,也离不开冲压件的运用。
冲压工艺根据其特点可分为两大类:分离工序和成形工序。分离工序,亦称作冲裁,其核心在于使冲压件能够沿着既定轮廓线从板材上成功分离,并确保分离后的断面质量达到规定标准(详见表1)。而成形工序的目标是在不损坏板材的前提下,使板材发生塑性变形,从而形成所需形状和尺寸的零件。在生产实践中,往往一个工件会综合运用多种不同的工序。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压以及矫正,这些均属于关键的冲压加工技术。
分离工序(冲裁)
这是一种通过模具将材料分离的基本冲压步骤,能够直接生产出平板类零件,亦或为弯曲、拉深、成形等后续冲压工序提供毛坯。此外,它还能在已完成的冲压件上进行切割、修整等操作。冲裁工艺在汽车、家电、电子、仪器、机械、铁路、通信、化工、轻工、纺织以及航空航天等多个工业领域得到广泛应用。在整个冲压加工流程中,冲裁加工所占比例高达50%至60%。
成形工序
金属板材、管件以及型材可通过弯曲工艺被塑形为特定角度、曲率和形态。这一工艺在冲压件生产中占据着至关重要的地位,是众多关键工序中的主要环节之一。金属材料的弯曲过程本质上是一种弹塑性变形,工件在卸载后会出现方向上的弹性恢复现象,即回弹。回弹现象对工件精度有着显著影响,因此在弯曲工艺中,回弹问题是一个不可或缺的技术考量点。
拉深工艺,又称拉延或压延,通过模具的作用,将冲裁得到的平板坯料加工成开口的空心部件。此方法能够制作出筒状、阶梯状、锥状、球形、盒状等各式薄壁零件。若与其它冲压成形技术相结合,更可生产出形状极其繁复的部件。在冲压生产领域,拉深产品的种类相当丰富。因其几何形态各异,导致变形区定位、变形特性、变形分布以及材料各部分所承受的应力状况和分布规律存在显著乃至根本性的差异。因此,在确定工艺参数、工序数量及顺序,以及模具设计的基本原则和具体方法上,均需采取不同的策略。各类拉深件可依据其变形力学特性划分为四类:直壁旋转体,即圆柱形零件;直壁非旋转体,即盒状零件;曲面旋转体,即曲面形状的零件;以及曲面非旋转体。
拉形工艺涉及对板料施加拉力,通过拉形模具,促使板料产生非均匀的拉伸应力和形变,随着应力的作用,板料与模具接触面逐步扩大,最终实现与模具表面完全吻合。这种工艺主要适用于那些具有良好塑性、较大表面积、曲率变化平缓且表面光滑、质量要求严格的曲面蒙皮材料,如双曲度蒙皮,其特点包括外形精确、表面光滑流畅以及质量稳定。拉形工艺因其采用的设备和工具相对简易,因此成本相对较低,且具有很高的适应性;然而,在材料使用效率和生产效率方面则显得较低。
旋压技术是一种金属加工方式,它通过使原材料在旋压模具的作用下进行旋转,或者在旋压模具与旋压头共同作用下,使原材料发生连续的局部形变,最终形成所需的空心旋转体零件。在这个过程中,原材料要么跟随旋压模具主动旋转,要么是旋压头围绕原材料与模具一同旋转,同时旋压头相对于模具中心以及原材料进行进给操作。
冲压过程中使用的板材,其表面状况和内部特性对最终成品的品质有着显著的影响。对这类冲压材料的基本要求包括:
冲压模具的精度极高,间隙极小,若板料厚度超出标准,会显著提升变形力度,导致材料卡住,严重时甚至可能使凹模破裂;反之,若板料过薄,则会影响最终产品的质量,甚至可能在拉深过程中出现开裂现象。
表面光滑如镜,毫无瑕疵、疤痕、划痕以及裂纹等瑕疵。任何表面上的瑕疵都会保留在最终成品上,而裂纹类的缺陷在弯曲、拉伸、成型等工序中可能会进一步扩大,从而导致废品产生。
屈服强度分布均匀,缺乏明显的方向性特征。在塑性变形的板料进行拉深、翻边、胀形等冲压操作时,由于各向屈服现象出现的时间不同,导致塑性变形量存在差异,进而引发不均匀的变形,这会影响成形的准确性,可能造成次品或废品的产生。
在抗拉试验中,试样在形成细颈之前所展现的延伸率被视为均匀延伸率。在进行拉深加工时,必须确保板料的各个区域变形均不超过材料的均匀延伸限度,否则将导致变形不均。
屈强比数值较小。这种比值是衡量材料屈服极限与强度极限的比率。屈强比较低,不仅可以减少材料在变形过程中的阻力,还能减少在拉深过程中产生皱纹的趋势,降低弯曲后材料的回弹程度,从而提升弯曲零件的精度。
加工硬化程度不高。经过冷变形处理,材料的变形抗力会上升,导致进一步变形变得不易,因此通常选用硬化指数较低的板材。然而,硬化指数较高的材料在塑性变形方面稳定性较好(即塑性变形分布较为均匀),且不易产生局部的拉伸破裂。
在生产实践中,经常采用与冲压工艺相似的试验方法,比如进行拉深性能测试、胀形性能测试等,以此来评估材料的冲压能力,从而确保产品的质量以及提升合格率。
在生产深冲或重冲工件的过程中,人们普遍认为耐压型(EP)润滑油是维护模具的最佳选择。将硫和氯EP添加剂与纯油混合以延长模具使用寿命的做法已历史悠久。然而,随着新型金属——高强度钢的问世以及环保标准的日益严格,EP油基润滑油的价值已显著降低,甚至面临市场萎缩的困境。
在高温环境中,高强度钢的成型过程中,EP油基润滑油性能下降,无法在极端温度下发挥其应有的模具保护作用。相比之下,IRMCO极温型高固体聚合物润滑剂则能够提供所需的防护。随着金属在冲压模具内变形,温度持续上升,EP油基润滑油逐渐变薄,甚至有可能达到闪点,进而引发燃烧(冒烟)。IRMCO的高分子聚合物润滑剂在初次使用时,其稠度相对较低。然而,随着成型过程中温度的升高,其稠度和韧性都会逐渐增加。事实上,这类高分子聚合物极温润滑剂均具有“热寻性”,并能附着在金属表面,形成一层能够减少摩擦的隔离膜。这一防护层能够使工件在成型过程中得以伸展,即使在最严格的成型要求下也不会出现破裂或粘接,从而有效控制摩擦和金属的流动。有效的保护了模具,延长了模具使用寿命,提高了冲压的强度。
模具的精确度与构造对冲压件的成型与精确度有着直接的影响。同时,模具的制造费用及其使用寿命也是决定冲压件成本与质量的关键因素。由于模具的设计与制造过程相对复杂,所需时间较长,这无疑增加了新冲压件生产准备的时间。模座、模架和导向件的标准化,以及简易模具(适用于小批量生产)、复合模、多工位级进模(适用于大量生产)的研发,还有快速换模装置的研制,这些措施能够有效减少冲压生产的准备工作量,并缩短准备时间。这样一来,原本适用于大批量生产的先进冲压技术,便可以合理地应用于小批量多品种的生产中。
除了使用水压机对厚板进行成形之外,通常情况下会选用机械压力机。以现代化的高速多工位机械压力机为核心,辅以开卷、矫平、成品收集、输送等设备,以及模具库和快速换模系统,再借助计算机程序进行控制,这样就能够构建起一个高效率的自动冲压生产线。
模具问题
冲压加工所依赖的模具通常具备特定的用途,对于一些结构复杂的零件,往往需要多套模具协同工作以完成加工。这些模具的制造要求极高的精度和技术水平,属于技术密集型产品。因此,只有在冲压件生产规模较大的情况下,冲压加工的优势才能得到充分发挥,进而实现较为理想的经济效益。
安全问题
冲压加工领域确实存在若干问题与不足。这些问题主要体现在加工过程中产生的噪声和振动两大公害,同时操作人员的安全事故也时有发生。然而,这些问题并非完全由冲压加工的工艺或模具本身引起,而是主要由陈旧的冲压设备和不当的手工操作所导致。科技的不断进步,尤其是计算机技术的飞速发展,以及机电一体化技术的不断成熟,这些难题必将迅速且圆满地得到解决。
高强度钢冲压
高强钢和超高强钢在车辆轻量化方面表现优异,显著增强了车辆的抗撞能力及安全性,因而成为车用钢材发展的关键方向。然而,随着板材强度的增强,传统的冷冲压方法在成型阶段容易出现开裂,难以满足高强度钢板加工的技术需求。面对这一挑战,国际上正逐步探索适用于超高强度钢板的热冲压成形技术。这项技术融合了成型、传热和组织结构转变等要素,主要依赖于高温奥氏体阶段材料塑性的提升和屈服强度的下降,进而通过模具完成成型过程。然而,热成型工艺要求对工艺参数、金属相变以及计算机辅助工程分析技术进行深入探究。目前,这项技术主要由国外企业掌握,我国的发展相对滞后。
在冲压作业中,工件温度会迅速上升,特别是在冷锻冲压环节,这一现象尤为明显。因此,必须添加润滑油以实现润滑。若忽视润滑直接进行冲压,不仅会降低工件的光洁度,还会缩短模具的使用寿命,并导致精度下降。为了解决这一问题,模具的改进工作将需要投入相当数量的资金。鉴于此,冷锻冲压过程中必须实施冲压润滑。在金属成型作业中,仅需极薄的爱美可水基冲压润滑剂层便足以起到保护模具的作用,从而显著降低了润滑剂的用量,减少超过50%。此举不仅有效避免了因过量使用润滑剂而产生的浪费,还改善了车间的清洁状况。此外,在冲压过程中,模具因摩擦会生热,而该润滑剂能自动附着于受热的关键区域,对模具进行保护,平均可减少25%的模具抛光停机时间。焊接与组装作业中,无油表面的部件操作更为便捷。经研究与实践证实,采用爱美可金属极惰性气体电弧焊、钨极气体保护电弧焊以及电阻焊技术,均能取得优异的焊接效果。
在每分钟产出大量冲压件的过程中,短时间内完成送料、冲压、取件和废料处理等环节,往往会导致人身伤害、设备故障或质量问题。鉴于此,确保冲压作业的安全显得尤为关键。为此,我们采取了以下安全措施:首先,实现送料和出料的机械化和自动化;其次,安装机械防护装置以避免手部受伤;此外,使用模具防护罩、自动退料装置以及手工工具进行进出料操作。安装电气防护系统和断电设施。配置光控或气幕式保护开关、双臂或多臂联动启动装置、防止误操作的设备等。优化离合器和制动系统的设计,确保在危险警报响起之后,压力机的曲轴、连杆、冲头能够迅速停稳在初始位置。
按传动结构
手动冲压机操作简便,但工作效率相对较低,施加的压力较小,因此特别适合用于制作小孔,以及纸张、皮革等材料的手工加工。
机械冲床:机械传动,高速,效率高,吨位大,最常见。
液压冲床采用液压传动方式,其速度相对机械冲床较慢,但吨位更大,且价格却更为经济实惠,因此在市场上相当普遍。
气动冲床运用气压进行传动,其性能与液压传动相仿,然而在稳定性方面略逊一筹,因此在实际应用中相对较少遇到。
高速机械冲床,这一设备主要应用于电子产品的连续模冲裁加工,诸如电机定子与转子片等部件。它采用数控技术,运行速度极快,可达普通机械冲床的约100倍。在市场上,此类冲床相当常见。
此款数控冲床独具特色,主要适用于加工孔洞数量众多且排列紧密的部件。
按加工精度
普通冲床
精密冲床