板金成形与冷挤压复合技术的应用

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  随着环保呼声的日渐高涨,制造业也越来越重视环境问题,因此,作为无切削成形加工的锻造技术越来越追求高精度、高强度,高附加值。本文讲述了汽车零部件塑性加工的发展动向以及板金成形与冷挤压复合技术(FCF工艺)在汽车零部件制造中的应用。

  塑性加工的发展动向

  汽车零部件的生产主要是从钢坯开始进行成形的,锻造技术正是在汽车零部件的生产中逐渐发展起来的。*近,出现了一种将锻造技术与板金成形技术融合在一起的新技术——FCF工艺,备受人们关注。这种融合技术正是跨越固有技术而产生新技术和新产品的*具说服力的例子,其他如复动成形、逐次成形、液压成形、微细精密成形等是**代锻造技术的基础,更进一步将这些技术融合在一起,产生新的技术。表1中列出了近年来塑性加工的发展动向。

  *近,由于使用了伺服技术,使冲压机械的机能得到很大提高,使用了成形性高的滑块运动方式和综合智能控制机能,实现了机械的高精度化,添加复动机能,使冲压机械可称为具有更广意义的成形机。

  **代锻造技术的一种——微细精密成形,产品有高达μm级的精度要求的同时,对成形机也有要求,塑性加工已扩展到IT机器或微小机械的微细产品的领域。

  FCF工艺

  FCF工艺(见图1)指在普通的板金成形的冲裁、拉深、折弯、内翻边等工程上加入镦压、变薄、挤压等工艺的复合成形方法。锻造的特点是利用材料的塑性流动来成形出壁厚不一、形状复杂的高精度零件。利用其特点有望与切削、烧结、铸造、射出成形等加工工艺结合起来,这样,冲床的加工就可实现更高的附加值,同时又可拓宽其加工领域。

  图2所示为各种工艺的成形应力图。FCF工艺在适当的加工方法和加工精度的情况下,其加工应力通常是处于冷挤压与板金加��之间,约为板金加工的2倍,当然,模具构造及所使用的冲床也不一样。FCF工艺的变形很大,加工中会发热,所以在模具设计中必须考虑集中应力、模具的弹性变形、热膨胀引起的尺寸变化及咬合等问题。因此,模具设计应以锻造模具的标准来设计,特别是采用多重镶件的方式在大变形量的成形是*有效的。

  因为采用无切削成形,冲压产品不断地向高精度化、形状复杂化方向发展,同时也促进冲床向高机能化发展。因此,就诞生了一种与传统冲床概念完全不同的冲床——伺服马达驱动的数控冲床,利用控制伺服马达的运动既可为各种工艺设定*合适的滑块运动模式,同时又可在成形负荷作用下控制下死点。这种冲床不仅保持了作为工作母机的高刚性和高精度,而且在肘杆式运动模式中对滑块不产生侧向作用力,同时其抗偏心负荷也相当高。从设备的角度来说,这种冲床也拓宽了冲压加工的领域。

  按FCF工艺加工的有代表性的产品形状来分,可分为边缘成形、壁厚差及台阶和局部成形三大类。这些形状与切削、烧结、铸造、射出成形、锻造等工艺的产品类似。在精度、强度、工程数、生产效率和后加工的削减等方面,FCF工艺具有其他加工工艺所无法比拟的优势。

  各工艺与FCF工艺

  板金成形的加工界限大多取决于被加工材料的抗拉强度(抗剪强度),其成形的特点为低应力、多工程,而锻造几乎都是利用压缩应力进行成形、加工界限多由模具强度决定的,其特点为高应力、少工程。FCF工艺则是将二者的优点组合起来的复合成形,进行高精度的复杂形状的成形或用于可以缩短工程的产品的加工。

  1、精密冲裁与FCF工艺

  冲裁是通过切断而成形,通过加工条件有设定可产生与锻造一样的塑性流动,必须有耐高应力的模具。例如,高硬度的小孔、小缝的冲裁,厚板的冲裁等。那么,如何应用高压力的静水压力进行精密冲裁呢?

  (1)拘束冲裁

  外形与内孔边缘间距离小于板厚的冲孔、内径大于1/2外径、高度是内径1.5倍以上的冲孔,用拘束冲裁效果较好。由于外形与内孔边缘间距离较近,冲裁冲针的的力会影响到外形,使外形的尺寸也产生变化。为了防止外形尺寸产生变化,必须使这部分外形处于拘束状态,由于拘束力的作用,冲裁部处于压应力状态,在这种压应力的状态下,取适当的间隙就能得到全是光亮带的冲裁效果。

  图3为采用拘束冲裁得到的高度为内径3~5倍的活塞杆,废料的高度不超过内径的1.5倍,而产品的高度却超过原材料的厚度。这是由于在成形初期挤出变形力小于切断力,材料向后方流动,当冲针到其直径的1.5倍位置时,挤出变形力大于切断力,此时成形由挤压变成冲裁。板厚较厚的小孔冲裁会如铣切一样没有塌角。

  (2)镦断

  这是一种利用压缩应力场进行精密切断的加工方法。凸模的直径比凹模的直径大、在废料部加压进行镦断加工。这种方法和用于六角螺栓头的成形方法类似,汽车的手动离合器的带倒角齿轮的齿形成形属于这个范围。

  图4为利用精密镦切进行成形的厚度为10mm、宽度很小的凸轮的成形。利用镦断、削边、变薄成形三个工序来完成,其成形负荷比冲裁大得多,但利用压缩应力可以使塌角很小。

  (3)精密冲裁

  精密冲裁是在0.002~0.02mm的极小间隙下,利用脱料板上的V形压线将材料压紧,在有反向浮顶力的情况下进行冲裁。其加工原理是利用三动作的模具,使冲裁部分的材料处于压应力状态,材料的延展性得到改善,从而能得到全是光亮带的冲裁效果。对于多数厚板冲裁及有附加压力而产生集中负荷的冲裁,其模具设计思想应和锻造一样。原来为一工序的复合模冲裁加入了折弯和镦粗的连续模加工而变成与FCF工艺同一范畴;另外,通过对材料流动的控制,即使很小模数的齿形也能成形。以上除精密冲裁外,其他利用压缩应力进行冲裁必须在两工序以上,使用的凸模的外径比凹模内径大而挤压切断,汽车的手动离合器齿轮的齿形成形就是采用镦压切断的方法。

  (4)难加工材料的冲裁

  对于抗拉强度很高而延展性很差的难加工材料的冲裁,关键是如何设定纯粹的切断条件,也就是要具备极小的冲裁间隙、锋利的刃口及很高的冲压速度。由于冲击力的作用,在模具的强度计算时多数要考虑稳定性和耐压能力,因此,模具的材质和表面粗糙度就显得很重要。

  2、拉深与FCF工艺

  杯状产品使用范围很广,既可用锻造的方法挤出成形,也可用板金的方法拉伸成形。这两种工艺特点如表2。FCF工艺是结合各种工艺的优点,主要是利用拉伸成形精度高的杯状物,利用锻造方法成形齿形、边缘等形状。

  (1)拉深与变薄成形

  图5的齿形皮带轮是拉伸杯状物采用变薄拉伸成形的例子,齿形要求塌角很小、精度很高以及通过控制齿顶和齿侧面的材料的流动而成形。

  (2)拉深与挤压成形

  图6所示的管座是通过多工序的自动送料加工中拉伸和冲裁后,再通过凸模与凹模的闭塞的复动模来成形边缘部分的段差。采用具有前方挤出工艺及热镶式凹模结构的锻造模具的FCF工艺来成形内部的边缘非常有效。

  图7为多任务位拉深成形为杯状后,控制上、下心轴进行复动正挤压成形的内部是圆形而外部是齿形的零件,利用复动正挤压工艺可成形高精度、高刚性的齿形。

  (3)拉深与镦压成形

  图8是将用冷挤压成形的凸起厚壁零件和拉深成形的杯状零件合二为一,以板材为素材利用拉深和压缩的复合成形方法而成形的零件,其成形特点是底部凸起的成形及壁厚增加。

  (4)压缩拉深

  图9所示的双杯状产品是由拉深和压缩拉深组成的复动成形加工而成,其工序数由6降低到1。通常的拉深界限是由材料的抗拉强度所决定的,难以缩短工序数。因为压缩拉深是拘束材料的侧面而拉深底部材料而成形,材料处于压缩应力场的静水压力效果中具有很大的变形度。但与普通拉深相比,其成形应力要高很多,因此模具设计必须按照锻造模具的标准来设计。只要改变用以改善材料流动性的心轴的安装方向,就可以成形出上凸起或下凸起。

  3、局部成形镦压成形

  有两种概念:一是全体镦压,即对全体产品的断面都有作用应力;二是局部镦压,即只在必要的部分有作用应力。全体成形由于加工面积大,成形荷重高,需要大吨位的冲压机;对于局部成形,可用较低的荷重得到必要的板厚变化,在孔、槽的成形中应用十分广泛。

  (1)台阶孔及其应用

  以图10的台阶孔为例来说明成形的要点和应用。工程设计时,**步,冲底孔,以便材料在成形台阶孔时能平滑地流动;**步,半密闭镦压而成形台阶;第三步,冲出所需的小孔。

  (2)微细局部成形

  出于IT化和环境因素的考虑,零件的要求越来越小型化、轻量化和微细高精度化,具有代表性的是汽车燃料喷射装置的雾化板的斜孔的成形。

  结束语

  进入21世纪,制造业的观念已从重视效率转向环境**,利用塑性加工的无切削成形越来越重要。加工产品已经扩展到信息设备、燃料电池、微小机械等新领域,而且更要求达到高精度化、形状复杂化、微细化、难加工材料成形等。

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