金屬板材成形新技術(shù)
——精沖

文/汪義高·重慶江東機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心

金屬板材成形新技術(shù)
——精沖

文/汪義高·重慶江東機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心

本文重點(diǎn)對強(qiáng)力壓板精沖原理、精沖材料、精沖模具以及我公司對精沖機(jī)技術(shù)的研發(fā)情況等進(jìn)行介紹。在大力提倡綠色生產(chǎn)、節(jié)約型生產(chǎn)的當(dāng)今社會，精沖作為一種新興的金屬板材成形技術(shù)，由于其具有無切削、塑性加工精度高的特點(diǎn)，在越來越多的行業(yè)得到應(yīng)用。

金屬板材的成形和加工在航空、航天、汽車、船舶及民用工業(yè)中占有相當(dāng)大的比例。針對傳統(tǒng)沖壓加工的不足，一些新型的加工方法如精沖、液力成形、電磁成形、超塑成形、多點(diǎn)成形、漸進(jìn)成形、激光成形等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這些新型的加工方法的特點(diǎn)是精密、柔性、快速、復(fù)合、信息化。這些方法已不同程度地進(jìn)入我國制造業(yè)中。

精沖技術(shù)是一種先進(jìn)的精密成形技術(shù)，它以金屬板材為原料，采用少、無切削的塑性加工方法，一次成形即可得到尺寸精度高、剪切面粗糙度低的零件。精沖作為一種先進(jìn)的金屬板材成形技術(shù)，起源于德國，雖然我國自1965年開始進(jìn)行精沖工藝的研究，但是精沖技術(shù)在我國的發(fā)展速度較為緩慢。

原理：先將壓板上的V形齒圈壓入凹模刃口附近的金屬板材上，然后在反壓力加壓的情況下，沖裁力作用于板材上，此時刃口附近的材料始終處于三向壓應(yīng)力（即沖裁力、壓邊力、反壓力）狀態(tài)，從而提高了材料的塑性，防止沖裁剪切面出現(xiàn)裂紋或裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致剪切面的拉斷，最終，材料就沿著凹模刃口形狀，呈純剪切的形式?jīng)_裁零件。具體如圖1所示。

精沖材料

影響精沖零件的剪切面質(zhì)量的因素除了精沖液

圖1 精沖原理

精沖技術(shù)理論

精沖原理

精沖目前分為普通精沖、強(qiáng)力壓板精沖、對向凸凹模精沖、往復(fù)沖裁、同步剪擠精沖、閉擠式精沖等。而強(qiáng)力壓板精沖使用范圍最廣，F(xiàn)eintool 、MORI等公司均采用強(qiáng)力壓板精沖技術(shù)。所謂強(qiáng)力壓板精沖，就是在精沖（三向力）壓力機(jī)上，借助特殊結(jié)構(gòu)模具，在強(qiáng)力作用下，使材料產(chǎn)生塑性—剪切變形，整個剪切過程為純塑性剪切，從而得到優(yōu)質(zhì)精沖件。壓機(jī)精度、精沖模具、精沖零件的幾何形狀、潤滑外，精沖材料的性能也是一個重要因素。精沖是在常溫下進(jìn)行的一個擠壓—剪切過程，材料應(yīng)在精沖時，使沖裁區(qū)內(nèi)的流動持續(xù)到?jīng)_裁結(jié)束而無撕裂，從而得到優(yōu)質(zhì)的精沖件，所以要求精沖材料具有較好的精沖工藝性。

■ 表1 精沖材料的一般性能要求

目前，鋼材的供應(yīng)分為三類，熱軋帶鋼、冷軋帶鋼、扁鋼。前兩者供應(yīng)卷料和條料，后者只供應(yīng)條料。精沖件約80%為鋼材，其余則是銅和銅合金以及鋁和鋁合金等材料。鋼材不僅包含低碳鋼，還包含高碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼和高強(qiáng)度微合金細(xì)晶粒鋼等。精沖鋼材應(yīng)該具有良好的力學(xué)性能以及較大的變形能力。

精沖鋼材的力學(xué)性能指抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、硬度。精沖材料應(yīng)具有的一般性能見表1。其中，一般含碳量不大于0．35%，抗拉強(qiáng)度不大于650N/mm2，屈強(qiáng)比大約為60%最為適合。《精密沖裁件通用技術(shù)條件》中規(guī)定，對于中、高碳鋼和合金鋼，精沖材料碳化物球化率應(yīng)該在90%以上，且分布均勻。若不符合，則精沖前一般要進(jìn)行球化退火處理。

特別要提出的是，一般來說，硬度越低，塑性越好。然而，即使材料硬度偏高，若球化物球化率（滲碳體）在90%以上，也能得到良好的沖裁面；反之，即使材料硬度偏低，但球化不充分，也會使沖裁面出現(xiàn)撕裂帶，無法得到百分之百的光亮帶。

精沖模具

精沖模具是實現(xiàn)精沖的重要手段，它直接影響精沖件的質(zhì)量。模具系統(tǒng)分為活動凸模式系統(tǒng)、固定凸模式系統(tǒng)。據(jù)資料顯示，實際生產(chǎn)中固定凸模式模具（80%）是活動凸模式模具（20%）的4倍左右。按模具種類來劃分，可分為以下幾種：簡易精沖模、復(fù)式精沖模、連續(xù)精沖模、連續(xù)復(fù)合精沖模、傳送精沖模 。

實際中，廣泛使用連續(xù)復(fù)合模（約72%），實現(xiàn)工件多工位復(fù)合成形加工，以減少沖次和提高效率，采用第4力、第5力或更多附加力以便成形更加復(fù)雜的精沖零件的模具也越來越多。同時，國內(nèi)精沖模具的制造能力及規(guī)模與歐美國家及日本相比差距較大。到目前為止，國內(nèi)只有少數(shù)幾家公司具備生產(chǎn)精沖模具的經(jīng)驗，還沒有一家專業(yè)的精沖模具公司，也就造成了我國高端精沖模具依賴進(jìn)口的局面。

精沖模具后續(xù)發(fā)展的趨勢是：

⑴智能化模具：能夠分析零件中具有風(fēng)險的幾何單元，使之成為在壓力機(jī)上不卸下模具時，能快速更換的元件和組件。

⑵建立模具設(shè)計數(shù)據(jù)庫、模具零件標(biāo)準(zhǔn)庫和標(biāo)準(zhǔn)模架庫。

⑶從模具設(shè)計CAD系統(tǒng)向CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的集成發(fā)展。

精沖機(jī)技術(shù)在我公司的研究

我公司在精沖液壓機(jī)的開發(fā)上，已經(jīng)取得了一定的成績。通過企業(yè)的實際調(diào)研，公司目前精沖液壓機(jī)的開發(fā)分為兩個系列，分別為經(jīng)濟(jì)型精沖機(jī)系列和精密型精沖機(jī)系列。

經(jīng)濟(jì)型精沖機(jī)代號為YJ（K）26，當(dāng)精沖件要求不是很高時，采用此種精沖機(jī)，精沖出的零件完全可以滿足要求，而且對設(shè)備的投資也不大；精密型精沖機(jī)代號為YJF26，當(dāng)精沖件要求很高時，采用此種精沖機(jī)，另外還要配備精度很高的精沖模具，才能達(dá)到精沖件要求。經(jīng)濟(jì)型精沖機(jī)的制造、精度檢測采用《JIS B 6403-1994液壓機(jī)精度檢查》，精密性精沖機(jī)的制造、精度檢測采用《JB/T 7177-1993精密沖裁液壓機(jī) 精度》。

圖2 304不銹鋼精沖件

圖3 Q345D精沖件

圖4 45＃鋼精沖件

圖5 304不銹鋼精沖件沖裁面放大圖

圖6 精沖件排樣及廢料

圖2、圖3、圖4為我公司為國內(nèi)某公司所設(shè)計的經(jīng)濟(jì)型630T精沖機(jī)（型號：YJK26-630）生產(chǎn)出的精沖件。圖2精沖材料為304不銹鋼，厚度10．5mm；圖3精沖材料為Q345D，厚度10．5mm；圖4精沖材料為45＃鋼，厚度10．5mm；原材料均未經(jīng)球化處理。從圖片可以看出，三個精沖件比較而言，304不銹鋼精沖件沖裁面質(zhì)量最好，光潔面接近100%，毛刺高度、塌角寬度均較小，Q345D精沖件沖裁面質(zhì)量次之，45＃鋼精沖件沖裁面質(zhì)量最差。Q345D精沖件、45＃鋼精沖件沖裁面中間出現(xiàn)些許魚鱗狀撕裂，原因是45＃鋼是高碳鋼，硬度較高，且未經(jīng)球化處理。Q345D含碳量比45＃鋼低，因此在實際沖裁時，沖裁面效果相對好一些。同時這也驗證了“當(dāng)精沖材料不合適的時候，在光潔面內(nèi)會產(chǎn)生撕裂”這一基本理論。圖5為304不銹鋼精沖件沖裁面放大圖，圖6為精沖件排樣及廢料。

結(jié)束語

我公司的經(jīng)濟(jì)型精沖機(jī)（YJ26、YJK26）已經(jīng)系列化，公稱噸位從160～1250t，主要零部件全部采用數(shù)控加工，加上嚴(yán)格的裝配工序以及檢驗程序，最終很好地保證了整機(jī)精度的實現(xiàn)。在對精沖理論、精沖模具、精沖材料進(jìn)行不斷的深入研究的同時，基于公司的技術(shù)積累，聯(lián)立國內(nèi)部分知名大學(xué)，與精沖件OEM企業(yè)建立合作關(guān)系，采取“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的方式，不斷提高精沖機(jī)設(shè)計研發(fā)水平，為我國精沖事業(yè)的發(fā)展做出一份貢獻(xiàn)。

汪義高，工程師，技術(shù)中心副主任，主要研究方向為精沖技術(shù)、機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計。