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高速精密沖壓技術現狀及模具發展趨勢

作者:佚名  信息來源:無憂機械電子  2013-6-13

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高速精密沖壓技術涉及到機械、電子、材料、光學、計算機、精密檢測、信息網絡和管理技術等諸多領域,是多學科的系統工程。 高速精密沖壓技術的特點及應用領域 高速精密沖壓技術是現代沖壓生產的先進制造技術,它綜合了科高速精密壓力機技術、高精變沖壓模技術、高品質制品材料技術、智能控制技術和綠色為一體化的高新技術。...
高速精密沖壓技術涉及到機械電子材料、光學、計算機、精密檢測、信息網絡和管理技術等諸多領域,是多學科的系統工程。

高速精密沖壓技術的特點及應用領域

高速精密沖壓技術是現代沖壓生產的先進制造技術,它綜合了科高速精密壓力機技術、高精變沖壓模技術、高品質制品材料技術、智能控制技術和綠色為一體化的高新技術。應用高速精密沖壓技術批量生產制品,具有高生產效率、高質量、高一致性及節能降耗、節省人力、降低成本和確保安全生產等特點,因此已越來越被國民經濟各工業生產部門所重視。當前,現代先進制造技術是世界各國研究和發展的主題,特別是在市場經濟高度發展的今天,它更占有十分重要的地位。

高速精密沖壓模具技術主要基于使用板料加工制品,由高速壓力機設備、精密沖壓模具、優質卷料三個基本要素構成,并在自動化周邊設備的開卷裝置、校平裝置、送料裝置、材料潤滑裝置、出件裝置、理件裝置、收料裝置等協調連接,按沖壓工藝流程組合的一種沖壓自動化生產線。

沖壓自動化不僅可以大幅度地提高勞動生產率、改善勞動條件、降低成本,而且能夠有效地保證沖壓生產中的人身安全,從根本上改變沖壓生產面貌,因此被廣泛應用于電子、通訊、汽車、機械、軍工、輕工、電機電器儀器儀表、醫療器械、自動化裝備和家電產品制造領域。在軌道交通、航空航天、新能源等產品制造領域的應用也越來越廣泛。

高速壓力機技術的應用

隨著電子通訊、電機電器、汽車和家電等產品技術的迅速發展,對精密沖壓件的需求量越來越大,技術要求也越來越高,且應用面也越來越廣泛,因此在大量生產和超大量生產中,普通壓力機已不能滿足生產和技術要求。采用高速精密壓力機進行高速度、自動化及連續沖壓是提高沖壓生產率的有效途徑。由于高速精密壓力機的滑塊行程每分鐘次數比噸位相似的普通壓力機高5倍以上,因此高速精密壓力機不但沖壓件精度高、表面質量好,而且模具使用壽命長

近幾年,沖壓技術不斷向高速化、精密化和智能化的方向發展,推進了高速壓力機的發展勢頭,也因此涌現出許多的高速精密壓力機和超高速精密壓力機,如德國拉斯特公司、美國明斯特公司、瑞士布魯德爾公司、德國舒勒公司、日本能率和電產公司等研制的小噸位高速精密壓力機,其滑塊行程次數分別可達2,000次/分鐘,3,000次/分鐘,4,000次/分鐘。在負荷狀態下,還可達其標準中的特級精度要求。這標志著高速精密壓力機技術已發展到超高速超精密的技術階段。

國外有些公司對小噸位高速精密壓力機按滑塊行程次數分為四個速度等級:常速≦250次/分鐘,次高速﹥250~400次/分鐘,高速﹥400~1,000次/分鐘,超高速≧1,000次/分鐘。大噸位高速精密壓力機滑塊行程次數相對較低,如300噸的大型高速精密壓力機,滑塊行程數范圍僅為160~400次/分鐘左右,100噸的翅片專用高速精密壓力機,滑塊行程數范圍一般為150~250次/分鐘左右。

由于沖壓速度隨著壓力機噸位、滑塊行程長度與次數、制品工藝結構和材料工藝性能、自動送料速度及精度等諸多要素的不同而改變,很難用簡單的數字作為劃分各個等級的界限,因此,目前國際上對高速精密壓力機速變范圍仍尚未作出明確的定義,通常將沖壓速度比普通壓力機速度高5~10倍的統稱為高速精密沖壓。而從中國多數企業的高速精密壓力機的應用情況來看,沖次速度按滑塊最低和最高行程數的平均值或大于均值10~20%的沖速則是較為合理和有參考意義的標準。因為高速精密壓力機滑塊最高行程數一般是指無負荷沖程數。當行程次數高達一定數值時,壓力機在運行中的不平衡現象就明顯增加,滑塊下死點動態性變化程度也較大,這樣就必須解決卷料質量、送料速度、模具性能與壽命、設備強度、剛度和精度、故障的自動監控與穩定性、振動與噪聲以及潤滑和冷卻系統等一系列技術問題。所以,高速精密壓力機應用中的沖次速度相當關鍵。

高速精密沖壓件的類型與技術特點

高速精密沖壓件按行業、用途和工藝特點可分為電子零件類、IC集成電路引線框架類、電機鐵芯類、電器鐵芯類、換熱器翅片類、汽車零件類、家電零件類、以及其他類型等。零件主要包含連接器件、接插件、電刷件、電器端子、彈性零件等。

IC集成電路引線框架主要包含分立器件引線框架和集成電路引線框架。電機鐵芯主要包含單相串勵電機鐵芯、單相家用電機鐵芯、單相罩極電機鐵芯、永磁直流電機鐵芯、工業電機鐵芯、塑封定子鐵芯等。電器鐵芯主要包含E字形變壓器鐵芯、EI形變壓器鐵芯、工字形變壓器鐵芯、以及其他變壓器鐵芯片等。換熱器翅片主要包含工業換熱器翅片、家用換熱器翅片、汽車用換熱器翅片等。汽車零件主要包含汽車結構件、汽車功能件。家電零件主要包含大家電零件,如彩管電子槍零件,以及小家電零件,各類結構件和功能件等。其他類零件主要包含儀器儀表零件、IT類零件、聲學類和攝像類零件、現代辦公用類零件、以及五金件等。

高速精密沖壓件的技術具有品種多、材料多樣性、薄板卷料、自動化生產批量極大、精度高、形狀復雜、技術含量和附加值高等特點。

高速精密沖壓生產技術的典型概況

電機鐵芯生產技術概況

鐵芯是電機產品的重要部件,一般由0.35mm,0.5mm厚的硅鋼片制成。在電機生產的全部環節中,鐵芯沖片生產是關鍵。目前中國的高速精密沖壓鐵芯片和鐵芯自動疊鉚、鐵芯三列帶扭槽疊鉚、鐵芯帶扭槽及回轉疊鉚、鐵芯雙回轉疊鉚、鐵芯雙列大回轉疊鉚、大型外轉子鐵芯帶扭槽疊鉚、定子鐵芯半圓組合疊鉚、定子鐵芯多塊組合疊鉚、長直條定子鐵芯卷圓組合疊鉚等高速精密沖壓生產技術與國際先進技術相比毫不遜色。

其中較為典型的鐵芯三列帶扭槽疊鉚制品的高速精密沖壓生產技術概況是,鐵芯材料為50W470硅鋼片、帶料厚度0.5mm,料寬307.5mm。帶料經開卷裝置、S型校平裝置、送料裝置、材料潤滑裝置、高速精密壓力機、大型精密級進模等一體化的高速運行,以及自動沖壓導正釘孔、轉子片疊鉚工藝孔、轉子片記號孔、轉子片計量孔、轉子片槽形、轉子片臺階孔、轉子片疊鉚點、轉子片內孔、轉子片落料疊鉚和扭槽、定子片缺口、定子片記號孔、定子片計量孔、定子片槽形、定子片疊鉚點、定子片內孔、定子片落料疊鉚等多工位與多工序的交叉連續沖壓,一次完成三套定轉子鐵芯制品,鐵芯自動疊鉚厚度105mm,定子鐵芯外徑110.52�0.02mm,外徑55.1�0.01/0.02 mm。制品在300噸的大型高速精密壓力機上生產,沖次速變280~320次/分鐘,并在沖壓過程中鐵芯制品自動輸出。

換熱器翅片生產技術概況

翅片是空調產品的主要部件,一般由0.105mm厚的鋁箔制成。近年來,中國在高速沖壓換熱器翅片生產技術方面有了明顯提高,如家用空調換熱器翅片、汽車空調換熱器翅片、工業空調換熱器、整體導管式空調換熱器翅片、新型異形孔空調換熱器翅片、以及大型冷庫散熱器翅片等高速精密沖壓生產技術已接近國際先進水平。中國研發的一次出12列、24列、36列、42列、48列、60列、72列、76列翅片等高速精密沖壓生產技術已達到國際上同類產品的水平。其中典型的Φ5.2�72列�2步進翅片的高速精密沖壓生產技術概況是:翅片材料鋁箔1,000-8H22,厚度0.105 mm的帶料,由展料架、過油裝置、送料裝置、高速精密壓力機、大型精密級進模、吸料與集料裝置等組成的翅片高速精密沖壓自動生產線,帶料經壓料裝置、引申工程、沖孔工程、翻邊工程、百葉窗工程、中部異型切工程、端部異型切工程、邊切工程、異正工程、縱切工程、送料工程、橫切工程等12個成形工程的連續沖壓,一次出72列翅片,翅片形狀復雜,精度較高,表面要求光潔、平整、無刮傷,無毛刺、翻邊無開裂等技術要求。Φ5系列、72數和2步進的翅片在100噸高速精密專用壓力機上生產,沖刺速度260次/分鐘,并能夠在沖壓過程中實現翅片制品一邊集料一邊取料。

IC集成電路引線框架生產技術概況

引線框架是分立器件和集成電路的載體。作為半導體器件的芯片載體引線框架,其主要特點是種類多、批量大、精度高、形狀細小、材料較薄、表面需要局部電鍍以及外觀要求嚴格。近幾年,隨著科技的發展,中國的高速精密沖壓引線框架生產技術較以前有了很大提升,如分立器件TO-220、SOT、SOD系列引線框架生產技術已達到國外同類產品的水平。其中典型的SSOP-024集成電路引線框架高速精密沖壓生產技術概況是:引線框架材料C194銅合金,厚度0.152 mm的卷料,由卷料架、送料機構、導料機構、高速精密壓力機、精密級進模、卷式收料裝置等組成的引線框架高速精密沖壓自動化生產線,沖壓工序包含打字、沖壓麻狀點、沖定位孔與嵌定孔、沖內引線A、沖內引線B、沖內引線C、裁片分離、靜壓內引線、校橫彎、校外引線、校步距、內引線校平、精整等32工位的連續沖壓,一次沖出4排,每排在11mm � 9mm的尺寸面上沖出24條內外引線腳,內引線的最小間距0.17mm,產品的共面性要求控制在0.01mm 之內等其他技術要求。該引線框架在80噸高速精密壓力機上生產,沖次速度為450~500次/分鐘。SSOP-24集成電路引線框架集微成型、微薄化、多腳化、高密度、小間距、多樣化等總體水平已接近國際同類產品的先進水平。

高速精密沖壓模具現狀與發展趨勢

近年來,中國模具產銷持續攀升,民營企業不斷涌現出來,國外著名企業和資本的進入更是促進了模具行業的快速發展,中國已成為名副其實的模具生產大國。然而,從模具產需情況看,雖然中低檔模具已完全實現自給,但是以大型、精密、高效、高性能模具為主要代表的高技術含量模具自給率仍然較低,只有60%左右,有很大一部分仍然依靠進口。因此,提升中國模具企業的整體技術水平,提升企業的核心競爭力,促進模具產業結構優化仍然是中國模具行業的當務之急。

沖壓模具主要包括多工位與多功能沖壓模具、汽車覆蓋件模具和精沖模具等,這里僅對精密多工位與多功能沖壓模具闡述其現狀與發展。

多工位與多功能沖壓模具現狀

先進多工位與多功能沖壓模具的代表主要有精密多工位級進模、精密多工位沖壓傳遞模、精密多功能沖壓模具等。其中,精密多工位級進模占據主流產品地位。先進精密多工位級進模主要包括電機鐵芯硅鋼片級進模、空調器翅片級進模、集成電路引線框架級進模、電子連接器級進模、彩管電子槍零件級進模、汽車零件級進模、家電零件級進模等。

受中國市場產品檔次提升的推動,中國的先進多工位與多功能沖壓模具的總體水平得以提升,特別是產量最大的高速精密多工位級進模在技術水平、制作精度、使用壽命和制作周期等方面均有明顯進步,無論技術還是產能都已具備向先進國家模具挑戰的能力。其中相當一部分高檔優質模具的總體性能接近或達到國際同類模具的先進水平,不僅可替代進口,還能出口一部分到發達國家和地區。

與國際先進水平相比的主要差距

近年來,中國先進多工位與多功能沖壓模具水平提高較快,模具制作裝備技術已經達到國際先進水平,模具設計制造水平有了很大提高,一部分精密復雜級進模進入了規模化生產階段,模具的進口替代成效明顯,出口逐年遞增。但是與國際先進沖壓模具相比,仍然存在以下幾個方面的差距。

(1)模具設計制造技術方面

模具設計制造技術創新不夠,很多先進模具中的關鍵設計內涵和技術以及制造工藝中的“KNOW HOW”等基礎技術、理論以及核心技術掌握不夠,導致模具整體水平提升困難,始終處于技術跟進與追蹤階段,達到甚至超越國際先進水平還缺乏相關設計和制造基礎技術的支撐。

(2)模具的壽命方面

由于受模具材料、熱處理技術以及制造裝配技術等相關因素的影響,中國沖壓模具壽命普遍低于國際先進水平,差距在30%以上。特別是一次刃磨壽命低導致模具維護次數增加,降低了沖壓生產效率,增加了模具維護的成本,進而影響中國模具的市場競爭力。

(3)模具的試模技術與模具的可靠性方面

試模是模具設計制造完成后對模具的一個綜合實驗、評估和調整過程,是模具設計制造問題的集中暴露過程,也是沖壓模具設計、制造技術以及專業人員的綜合反映。而模具的可靠性和穩定性則是模具設計制造質量好壞的評價基準和模具正常使用的保障。由于中國缺乏對多工位與多功能沖壓模具的設計、制造工藝中的隱形知識和技術積累的深入挖掘,因此與國際先進模具企業相比,中國多工位與多功能沖壓模具的試模、模具使用中的調整和維修時間增加30%以上。對比國外目前正在研究無試模程序的模具前沿技術,中國在模具的試模技術與模具的可靠性和穩定性方面的差距是顯而易見的。

(4)模具的基礎理論與關鍵技術方面

模具設計制造師一項實踐性很強的專門技術,長期以來,中國對模具設計和制造的實踐性非常重視,但由于對沖壓模具基礎理論和技術研究重視不夠,導致模具設計和制造的基礎理論和技術發展緩慢。加上沖壓模具企業的專業化分工還不夠細化,小而全、大而全的模具企業還占主導地位,企業的核心競爭力難以形成,企業自有技術以及創新能力落后于國外先進模具企業。另外,模具材料、標準件等模具基礎技術落后,直接影響了中國多工位與多功能沖壓模具的整體技術水平。因此,在多工位與多功能沖壓模具的基礎技術支持方面還存在很多薄弱環節。

(5)新型模具技術及其拓展方面

隨著新工藝新產品的不斷涌現,國外沖壓模具已經從常規的單副級進模向多功能組合模具、生產線配套組合模具工裝、特大型級進模以及微細零件沖壓成型模具等方向發展,而中國企業大多數仍將重點放在常規的單副級進模系列化和產業化方面,還未掌握特種高精尖模具如特大型高精、超高速沖壓、超薄、超強和微細型零件成形沖壓模具的關鍵技術,對多功能復合模具還設計不多。因此,中國還需要不斷開展新型模具的關鍵技術研究,拓展其應用領域,為趕超國際先進水平打好基礎。

(6)基礎零部件和配套件方面

多工位與多功能沖壓模具的基礎零部件和配套件是模具整體快速發展的基本條件,而中國由于熱處理、材料、標準件等模具基礎零部件和配套技術及質量水平較低,高檔模具的基礎零部件和配套件主要依賴進口。因此,中國急需提升模具基礎零部件和配套件的技術及質量水平。

多工位與多功能沖壓模具的發展趨勢

在經濟的全球化和中國從“制造業大國”向“制造業強國”的挺進中, “服務科學”和“服務制造”等現代理念的出現,對中國模具行業的發展必將產生重大影響。模具行業的服務制造業的特征將大大增強,模具也應該是最先融入“服務制造” 的生產裝備。

縱觀模具技術的發展路線和模具行業的發展前沿,模具技術的總體發展趨勢是“由模具自身的品質提升向沖壓件產品的控形控性以及一體化解決方案方向發展”。即用戶要求從主要考慮模具的本身品質向控制模具生產的最終產品品質的方向發展,從對模具品質的單一要求向為用戶產品提供一體化解決方案方向發展。

用戶的要求突破了模具產品本身的界限,必須從產業鏈上尋求系統的解決方法,迫使模具技術和企業向制造業的相關產業鏈延伸。因此,一大批多領域交叉技術的應用以及以模具為核心的系統解決方案將是今后模具發展的主要特征。

綜合中國目前沖壓模具的發展及其存在的問題,可以看出多工位與多功能沖壓模具是最有希望趕上國際先進水平的模具之一。但是,還需要模具企業在專業化細分、自主創新以及設計和制造工藝基礎理論與技術方面做深入細致的研究工作,為中國多工位與多功能沖壓模具的整體技術趕上國際先進水平打下好基礎,并在保持電機鐵芯自動疊片級進模、空調換熱器翅片級進模、集成電路框架級進模、電子連接器級進模等高水平模具發展的同時,注重發展大型汽車零件級進模、多功能復合沖壓模具、微小零件沖壓模具、特殊板料等微特沖壓模具及其技術,整體提升多工位與多功能沖壓模具的水平。

另外,“控形和控性”是模具發展的大方向,首先需要解決的是“控形”技術問題,沖壓模具的“控形”技術必然是近期需要突破的重要關鍵技術。研究沖壓成形的深層次理論和技術問題,借以掌握“控形和控性”技術,從而實現模具的信息化和智能化制造。

智能化是全球的發展趨勢,也是“服務時代”的主要特征。對模具行業來說,模具的信息化和智能化是實現“控形和控性”的重要手段,是趕超國際模具先進水平的一個重要方面,它可以帶動一些列模具先進技術的發展,具有重要的戰略意義。目前中國模具的信息化和智能化剛開始起步,要實現模具的信息化和智能化還有很長的路要走,同時也需要相關政策的推動。

在21世紀,隨著電子信息等高新技術的不斷發展,市場需求向個性化與多樣化方向發展,未來高速精密沖壓技術和以高檔模具為核心的發展總趨勢是向精密化、高速化、柔性化、網絡化、集成化、信息化和智能化、低碳環保及全球化的方向發展。
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