伺服沖床應用于鎂合金溫熱成形沖壓技術

文/蔡志仁，郭光輝，白國勛·金豐機器工業股份有限公司研發部

伺服沖床應用于鎂合金溫熱成形沖壓技術

文/蔡志仁，郭光輝，白國勛·金豐機器工業股份有限公司研發部

伺服沖床的特色與金屬手機外殼發展

伺服沖床，一般泛指利用伺服馬達作為驅動源的沖壓機械。從伺服沖床開始銷售與應用，因其沖頭速度具有得以控制的特性，很多沖壓加工過程都在利用伺服沖床控制滑塊運動來發展新的板材成形，如應用在超深拉深制程、減少噪音之沖剪下料制程、減少沖剪毛邊之制程以及控制彈回的彎曲成形制程等，這些研究目前都有了突破性的發展。相比較而言，使用伺服控制沖床進行鍛造成形才在時，對于加工過程需要的速度要求，通過調整整體滑塊運動曲線的每分鐘行程數來達到。需要降低加工成形速度時，相對降低沖床每分鐘沖壓行程數，生產效率就能隨之降低。以單機柔性化的生產需求而言，這樣的生產模式確實存在缺點。制造商希望可以維持高生產率，又可以使滑塊做緩速加工的運動曲線。所以，在連桿式沖床之外，大家開始漸漸考慮并使用伺服沖床。

圖1所示為iLS1-系列伺服沖床，圖2所示為起步階段，各沖鍛廠家與學術界目前在積極地嘗試實驗以試圖建立伺服沖床應用于鍛壓行業的標準加工程序。

伺服沖床的機能與效果

圖1 iLS1-系列伺服沖床

圖2 iLS1主要成形曲線模式與應用示意

以沖壓加工領域而言，滑塊運動曲線是塑性加工作業的一個重要參數，滑塊運動速度曲線的控制，亦是沖壓機械廠的一個關鍵技術。沖壓廠選擇機械式沖床的做法是，以客戶需要的成形速度提供一條合適的固定沖壓曲線。當客戶變換沖壓工件iLS1系列伺服沖床所具有的主要成形曲線模式與應用示意圖。圖2a為深拉深加工，主要提供沖壓成形過程中具有等速度的滑塊運動速度，能使拉深加工過程固定一致的運動曲線，有利于拉深過程動作安定平穩，達到穩定的加工結果。圖2b為沖鍛復合加工曲線，主要目的是提供成形過程緩速的運動以減少沖孔下料過程的振動，并輔以滑塊下死點的停留停止時間，有利于成形并減少材料回彈。圖2c可以提供滑塊于下死點時非常長的停留時間，使成形的效果更好。圖2d則提供加工區域較大區域的緩慢速度，適合于下料加工，可減少沖壓時的振動與過沖現象，圖2e曲線即為模內加熱用沖壓曲線，主要在滑塊下死點上方一定模高的位置停留一段時間，作為模具加熱用。待加熱至一定程度后，滑塊再繼續向下沖壓完成全部的加工行程。

高階智能手機外殼的發展

目前低階的手機外殼制造主要為塑料射出成形為主，高階的手機或者是平板計算機的機殼隨著智能型手機尺寸越來越大，更多要考慮產品的質感與價值，目前大多以鋁合金金屬外殼為主(圖3)。隨著消費者越來越追求輕薄的趨勢，除了鋁合金之外，鎂合金與各種新材料也開始出現在智能型手機外殼上。鎂鋁合金材質應用于智能型手機產品的最大優勢在于其在導熱性能和機械強度等方面的優勢，其硬度是傳統塑料機殼的幾倍，過去僅僅用于中高階超薄型或尺寸較小的智能型手機產品上。鎂鋁合金外殼還可通過表面處理工藝上色為粉藍色和粉紅色，使手機產品美觀的同時兼具價值感。此外，易上色的特性是工程塑料以及碳纖維材料所無法比擬的。由于鋁鎂合金的散熱性遠優于塑料材料，可將智能型手機內處理芯片在高負荷運作時產生的大量熱量及時傳導至外界。作為金屬材質，性能上的另一個特色就是對外界的電磁干擾有良好的屏蔽作用，不過這個性能有利有弊，在屏蔽外界電磁干擾的同時，手機內收發無線訊號的各式天線性能也會大大降低，這就是在Apple iPhone第一代或HTC金屬外殼機種上下方搭配使用塑料材料（安置天線處）的原因。

圖3 HTC Legend 金屬機殼

圖4 Apple iPhone第一代與iPad金屬機殼

由于金屬外殼的智能手機或平板電腦具有消費者所認同的穩重與價值感，市場需求比例穩定并且會持續成長。但從手機外殼的生產角度考慮，鋁金屬外殼成形要比工程塑料困難得多，需要用沖壓或者壓鑄工藝。以Apple iPad（圖4）的零件供貨商需要擁有數千臺CNC機臺與油壓沖床專門作為加工生產使用，每個iPad鋁鎂合金組件需要從2kg的鋁錠中，進行復雜的挖槽、沖壓、切割過程才能完工。這個加工的過程中，會產生許多的材料浪費。但金屬機殼比工程塑料機殼的強度更高、散熱性能更好，又比鈦合金、碳纖維等其他材料便宜，對于部分規格觸控屏幕型的智能型手機或平板產品來說，以鋁鎂合金材料做為外殼材料仍是很好的選擇。如表1所示，為電子信息產品應用鎂合金的部位，足見鎂金屬在3C產品的應用范圍極為廣泛。故有許多廠商或研究機構，仍積極地研究以輕合金鍛壓的技術，希望通過沖壓加工的方式，將金屬原材料沖壓到盡可能接近的尺寸，以減少加工道次的浪費。此外，由于3C產品的更新換代開發速度越來越快，高階智能手機的單價亦有很大的下降趨勢，這種情況下會刺激大量消費者的購買欲望。運用連續沖壓成形制造技術，除生產速度可較傳統的方式提升3～4倍，使得生產設備投資整體搭配下的成本降低了。部分輕合金（如鎂合金）等應用之后，外殼厚度更可小于0.5mm，這種特色可以大幅增加3C產品外殼的商業價值。

鎂合金件熱沖壓成形

沖壓設備與條件

本加工設備采用金豐公司ILS1-200連桿式伺服沖床，圖5為生產現場，圖5a為整機設備，圖5b為加熱器溫度控制設備，圖5c為模具。根據加工過程，鎂合金板材沖壓加工需要注意的問題是：

圖5 實驗設備

⑴成形溫度不易掌控，會導致成形性不足造成工件缺料或斷裂。

⑵成品厚度越薄越容易產生材料變形缺陷。

■表1 鎂合金制品在常見的電子信息產品應用

⑶成品厚度薄時，成形后沖壓件易產生冷卻收縮變形的問題。

⑷沖完后頂出，成品的厚度薄，易造成頂出力過大致使沖壓件彎曲變形。

本文主要是以市場上的3C產品HTC智能手機背蓋為例，逆向解析背蓋尺寸并將材質更換為鎂板，針對鎂板研究基本壓印、拉深成形時的相關參數之間的相互關聯，研究并未針對擠凸加工時的變化加以探討。成形模具如圖6所示。HTC智能手機背蓋尺寸與參考手機實際外形，見圖7。AZ31B鎂合金材料性能相關參數，其中彈性模量為45000MPa，泊松比為0.35，線熱膨脹系數為0.000026，熱傳導系數為96W/(m·K)，熱容量為1.89×103J/(mol·K)，放射率為0.25，鎂板厚度選擇0.7mm、1mm、1.2mm等幾種尺寸。在操作過程中，設定熱成形加工停留時間為20s或10s兩種，溫度區間設定為200～300℃,加工速度設定為15次/min作為基準設定值進行反復測試，來確定成形速度是否合理，然后進行調整。

圖6 成形模具

熱沖壓成形CAE分析

由Deform 3D模擬板料的成形過程，可清楚了解材料流動的趨勢，進而對充填不足或破裂處加以修正，使最終的加工結果達到要求，圖8所示為鎂合金熱沖壓 Deform分析模型。

鎂合金的塑性極差，這是由于鎂合金為最密六方結晶結構，常溫下只有基面三個滑移系可啟動。然而隨著溫度的升高，塑性會明顯改善，除基面之外其他的滑移面也能啟動，可明顯提升塑性。一般的研究認為，鎂必須在低于400℃的溫度條件下加工，這是因為溫度高于400℃時鎂合金容易氧化影響產品表面質量，特別是加熱到500℃以上時晶相組織產生變化，晶粒異常粗大，成形條件會變差。所以，鎂金屬體積塑性成形加工的適宜溫度應控制在250～400℃。

圖9所示為伺服沖床所設定的曲線模式與鎂板熱沖壓成形示意圖。在加工過程中，主要利用模內加熱模式曲線作為沖壓的主要曲線，加工方式：利用加熱棒將模具加熱20min至200℃左右，將鎂板置入已經加熱的模具內，滑塊下降至將鎂板壓住但不進行沖壓動作；保持約3～5s，使鎂板達到成形需要的溫度；滑塊繼續往下沖壓出需要的形狀；沖壓加工完畢，滑塊向上離開工件，至此為一個完整的沖壓行程。加熱棒的用途除了將模具預熱至需要的加工溫度外，另一個主要用途是自動加熱以保持模具的溫度，最終測試出合理的加熱溫度與條件以便后期量產。

圖7 背蓋尺寸

圖8 鎂合金熱沖壓 Deform分析模型

圖9 鎂板熱沖壓成形

圖10 鎂板料片擺放不同位置的沖壓結果

沖壓結果

在鎂合金手機外殼的熱沖壓成形過程中，主要的失效形式是拉深成形時危險端面處的破裂。雖然存在著拉深力、壓邊力、模具圓角、拉深間隙、拉深速度、模具溫度、坯料溫度等許多影響因素，并且各個因素之間相互作用，但從實際的拉深成形過程看，溫度是最關鍵的影響因素。在慢拉深時，只有保證坯料和拉深模具都處于合適的溫度，才能通過0.7mm厚的AZ31B板料拉深成形出完好的手機外殼。目前，本公司通過反復實驗已初步掌握了拉深速度、坯料溫度、模具溫度等主要因素對鎂合金拉深成形的影響規律。

圖10為改變鎂板料片擺放于模具不同位置的沖壓結果。測試條件為模具加熱至250℃，鎂板厚度為1mm，操作的曲線模式為模內加熱5s后沖壓并在下死點停留3s。見圖10，熱沖壓成形結果顯示在角隅處仍舊存在些許裂痕，試著將料片擺放位置由置中逐漸向下移動，這樣做的原因是薄的料邊夾持面積(力量)較小，工件引伸時可拉到較多料，較不容易有裂痕。實際沖壓的結果是當料邊縮到最小仍存在裂痕，但料邊加大裂痕會變多。接著在上述條件下，改變潤滑方式，將潤滑劑由膏狀(石墨+牛油)變更為液體狀(石墨+機油)，測試結果沒有太大的改變。

在繼續實驗的過程中，維持鎂板厚度為1mm，將測試條件改為加熱至280℃，模內加熱分別為5s、10s、15s三種不同條件，并于下死點停留3s，結果顯示模內加熱時間延長裂痕會較少，但仍無法完全排除角隅處微小的裂痕。將鎂板換成0.7mm厚度，其他加工條件不變，最終得到了無褶痕裂痕的成品。選擇厚度為0.7mm的鎂板，以標準曲軸四連桿曲線與伺服的模內加熱曲線下的沖壓件產品進行比較，曲軸式沖床與伺服沖床之模內加熱曲線，分別設定沖床行程數為20次/min、10次/min、與5次/min進行沖壓，發現對于曲軸式沖床，加工速度越快，雖然材料已經加熱，但破裂的情況越來越嚴重，將速度下調至5次/min時仍有局部的破裂。顯然以單純曲軸式曲線加工，必須以極端慢的速度搭配加熱條件沖壓，才能得到合格的產品，加工效率低下。同樣的條件下，以伺服沖床的模內加熱曲線進行加工，材料并不會破裂，但會或多或少存在缺陷。適當的調整模內加熱曲線，除了可以達到需要的成品質量，同時還可以兼顧效率。

鎂合金應用的發展趨勢

本文以伺服沖床為加工主設備，進行鎂板手機殼沖壓基礎研究，目的是要深層次了解鎂板應用于伺服沖床生產時材料特性與成形件精度之間的的關系，進而擴展至其他相關的產業應用上。金豐公司于2006年就開始銷售雙點式伺服沖床，從事高張力鋼板的模內加工，作為專業沖壓生產廠金豐公司于模具與材料的搭配應用研究方面，一直持續為客戶提供整體的技術方案，并最終給客戶提供各式沖壓交鑰匙的工程，以達到以技術回饋客戶的最初目標。

圖11 鎂合金換文件播片與顯示屏外殼

鎂合金早已經在汽車行業應用多年，尤其以歐洲國家的汽車業使用鎂合金最早，包括VW、Daimler-Benz等主要大廠都大量使用鎂合金零部件，希望達到汽車輕量化的目的。一些積極采用鎂合金的廠商如VW/Audi等，預測2015～2020年后每輛車的鎂合金使用量將達178kg左右。就整體而言，歐美的汽車業者對鎂合金都寄予厚望，且主要廠商都有大量采用鎂合金零組件的計劃，鎂合金市場在未來將有極大的增幅。日本的日產（Nissan）公司于2005年新車型的儀表板零件開始采用鎂合金零部件，如圖11所示。大件車用鎂制品，如鎂制座椅則由Benz SLRoadster首先采用。中國的長安汽車于2012年，開發出鎂合金座椅骨架、油底殼、變速箱殼體、缸蓋罩等大型復雜汽車鎂合金產品，見圖12，實現單車最大用鎂量21kg。綜合以上應用情況，輕量化是降低整車油耗、推動節能環保汽車發展的重要技術，而鎂合金在產品輕量化的角色上，占有舉足輕重的地位。

汽車零部件，如座椅骨架、油底殼、變速箱殼體、缸蓋罩，由于形狀復雜或尺寸上的問題，仍以壓鑄的方式生產，還不能以沖床方式生產。然而伺服沖床具有的可控制性，在提升產品外形與強度方面的優勢，未來有可能部分輕合金成品加工由伺服沖床取代壓鑄機。所以，歐美、日本等先進國家都已全面展開利用伺服沖床在各種特殊材料、特殊加工方式（模內加工）的應用與討論。伺服沖床在于產業應用技術的動向，主要有以下幾個方向:

⑴滑塊運動曲線的有效利用。

⑵利用伺服沖床加工不易加工的材料，如不銹鋼鋼板、高強鋼板等。

圖12 鎂合金座椅架、骨架

⑶滑塊運動曲線對應潤滑效果與材料特性的關系。

⑷利用伺服沖床提升生產性與改善作業環境，如減少振動、環境噪音、節約能源等。

⑸利用伺服沖床作為新的加工工法，開發復合加工方式。

⑹利用伺服沖床應用于鍛壓加工。

圖13 金豐公司直驅型伺服沖床

近幾年，汽車產業利用伺服沖床進行高強鋼的加工，發展很快。金豐公司與日本伺服馬達廠合作開發出直驅型伺服沖床SDS系列，見圖13。未來如何應用伺服沖床進行輕合金或高強鋼板的沖壓加工，將是沖壓產業發展的最大方向。