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板金成形與冷擠壓復合技術的應用
閱讀：822 發布時間：2014-3-8隨著環保呼聲的日漸高漲，制造業也越來越重視環境問題，因此，作為無切削成形加工的鍛造技術越來越追求高精度、高強度，高附加值。本文講述了汽車零部件塑性加工的發展動向以及板金成形與冷擠壓復合技術(FCF工藝)在汽車零部件制造中的應用。
塑性加工的發展動向
汽車零部件的生產主要是從鋼坯開始進行成形的，鍛造技術正是在汽車零部件的生產中逐漸發展起來的。zui近，出現了一種將鍛造技術與板金成形技術融合在一起的新技術——FCF工藝，備受人們關注。這種融合技術正是跨越固有技術而產生新技術和新產品的說服力的例子，其他如復動成形、逐次成形、液壓成形、微細精密成形等是第二代鍛造技術的基礎，更進一步將這些技術融合在一起，產生新的技術。表1中列出了近年來塑性加工的發展動向。
zui近，由于使用了伺服技術，使沖壓機械的機能得到很大提高，使用了成形性高的滑塊運動方式和綜合智能控制機能，實現了機械的高精度化，添加復動機能，使沖壓機械可稱為具有更廣意義的成形機。
第二代鍛造技術的一種——微細精密成形，產品有高達μm級的精度要求的同時，對成形機也有要求，塑性加工已擴展到IT機器或微小機械的微細產品的領域。
FCF工藝
FCF工藝(見圖1)指在普通的板金成形的沖裁、拉深、折彎、內翻邊等工程上加入鐓壓、變薄、擠壓等工藝的復合成形方法。鍛造的特點是利用材料的塑性流動來成形出壁厚不一、形狀復雜的高精度零件。利用其特點有望與切削、燒結、鑄造、射出成形等加工工藝結合起來，這樣，沖床的加工就可實現更高的附加值，同時又可拓寬其加工領域。
圖2所示為各種工藝的成形應力圖。FCF工藝在適當的加工方法和加工精度的情況下，其加工應力通常是處于冷擠壓與板金加工之間，約為板金加工的2倍，當然，模具構造及所使用的沖床也不一樣。FCF工藝的變形很大，加工中會發熱，所以在模具設計中必須考慮集中應力、模具的彈性變形、熱膨脹引起的尺寸變化及咬合等問題。因此，模具設計應以鍛造模具的標準來設計，特別是采用多重鑲件的方式在大變形量的成形是zui有效的。
因為采用無切削成形，沖壓產品不斷地向高精度化、形狀復雜化方向發展，同時也促進沖床向高機能化發展。因此，就誕生了一種與傳統沖床概念*不同的沖床——伺服馬達驅動的數控沖床，利用控制伺服馬達的運動既可為各種工藝設定zui合適的滑塊運動模式，同時又可在成形負荷作用下控制下死點。這種沖床不僅保持了作為工作母機的高剛性和高精度，而且在肘桿式運動模式中對滑塊不產生側向作用力，同時其抗偏心負荷也相當高。從設備的角度來說，這種沖床也拓寬了沖壓加工的領域。
按FCF工藝加工的有代表性的產品形狀來分，可分為邊緣成形、壁厚差及臺階和局部成形三大類。這些形狀與切削、燒結、鑄造、射出成形、鍛造等工藝的產品類似。在精度、強度、工程數、生產效率和后加工的削減等方面，FCF工藝具有其他加工工藝所*的優勢。
各工藝與FCF工藝
板金成形的加工界限大多取決于被加工材料的抗拉強度(抗剪強度)，其成形的特點為低應力、多工程，而鍛造幾乎都是利用壓縮應力進行成形、加工界限多由模具強度決定的，其特點為高應力、少工程。FCF工藝則是將二者的優點組合起來的復合成形，進行高精度的復雜形狀的成形或用于可以縮短工程的產品的加工。
1、精密沖裁與FCF工藝
沖裁是通過切斷而成形，通過加工條件有設定可產生與鍛造一樣的塑性流動，必須有耐高應力的模具。例如，高硬度的小孔、小縫的沖裁，厚板的沖裁等。那么，如何應用高壓力的靜水壓力進行精密沖裁呢?
(1)拘束沖裁
外形與內孔邊緣間距離小于板厚的沖孔、內徑大于1/2外徑、高度是內徑1.5倍以上的沖孔，用拘束沖裁效果較好。由于外形與內孔邊緣間距離較近，沖裁沖針的的力會影響到外形，使外形的尺寸也產生變化。為了防止外形尺寸產生變化，必須使這部分外形處于拘束狀態，由于拘束力的作用，沖裁部處于壓應力狀態，在這種壓應力的狀態下，取適當的間隙就能得到全是光亮帶的沖裁效果。
圖3為采用拘束沖裁得到的高度為內徑3～5倍的活塞桿，廢料的高度不超過內徑的1.5倍，而產品的高度卻超過原材料的厚度。這是由于在成形初期擠出變形力小于切斷力，材料向后方流動，當沖針到其直徑的1.5倍位置時，擠出變形力大于切斷力，此時成形由擠壓變成沖裁。板厚較厚的小孔沖裁會如銑切一樣沒有塌角。
(2)鐓斷
這是一種利用壓縮應力場進行精密切斷的加工方法。凸模的直徑比凹模的直徑大、在廢料部加壓進行鐓斷加工。這種方法和用于六角螺栓頭的成形方法類似，汽車的手動離合器的帶倒角齒輪的齒形成形屬于這個范圍。
圖4為利用精密鐓切進行成形的厚度為10mm、寬度很小的凸輪的成形。利用鐓斷、削邊、變薄成形三個工序來完成，其成形負荷比沖裁大得多，但利用壓縮應力可以使塌角很小。
(3)精密沖裁
精密沖裁是在0.002～0.02mm的極小間隙下，利用脫料板上的V形壓線將材料壓緊，在有反向浮頂力的情況下進行沖裁。其加工原理是利用三動作的模具，使沖裁部分的材料處于壓應力狀態，材料的延展性得到改善，從而能得到全是光亮帶的沖裁效果。對于多數厚板沖裁及有附加壓力而產生集中負荷的沖裁，其模具設計思想應和鍛造一樣。原來為一工序的復合模沖裁加入了折彎和鐓粗的連續模加工而變成與FCF工藝同一范疇;另外，通過對材料流動的控制，即使很小模數的齒形也能成形。以上除精密沖裁外，其他利用壓縮應力進行沖裁必須在兩工序以上，使用的凸模的外徑比凹模內徑大而擠壓切斷，汽車的手動離合器齒輪的齒形成形就是采用鐓壓切斷的方法。
(4)難加工材料的沖裁
對于抗拉強度很高而延展性很差的難加工材料的沖裁，關鍵是如何設定純粹的切斷條件，也就是要具備極小的沖裁間隙、鋒利的刃口及很高的沖壓速度。由于沖擊力的作用，在模具的強度計算時多數要考慮穩定性和耐壓能力，因此，模具的材質和表面粗糙度就顯得很重要。
2、拉深與FCF工藝
杯狀產品使用范圍很廣，既可用鍛造的方法擠出成形，也可用板金的方法拉伸成形。這兩種工藝特點如表2。FCF工藝是結合各種工藝的優點，主要是利用拉伸成形精度高的杯狀物，利用鍛造方法成形齒形、邊緣等形狀。
(1)拉深與變薄成形
圖5的齒形皮帶輪是拉伸杯狀物采用變薄拉伸成形的例子，齒形要求塌角很小、精度很高以及通過控制齒頂和齒側面的材料的流動而成形。
(2)拉深與擠壓成形
圖6所示的管座是通過多工序的自動送料加工中拉伸和沖裁后，再通過凸模與凹模的閉塞的復動模來成形邊緣部分的段差。采用具有前方擠出工藝及熱鑲式凹模結構的鍛造模具的FCF工藝來成形內部的邊緣非常有效。
圖7為多任務位拉深成形為杯狀后，控制上、下心軸進行復動正擠壓成形的內部是圓形而外部是齒形的零件，利用復動正擠壓工藝可成形高精度、高剛性的齒形。
(3)拉深與鐓壓成形
圖8是將用冷擠壓成形的凸起厚壁零件和拉深成形的杯狀零件合二為一，以板材為素材利用拉深和壓縮的復合成形方法而成形的零件，其成形特點是底部凸起的成形及壁厚增加。
(4)壓縮拉深
圖9所示的雙杯狀產品是由拉深和壓縮拉深組成的復動成形加工而成，其工序數由6降低到1。通常的拉深界限是由材料的抗拉強度所決定的，難以縮短工序數。因為壓縮拉深是拘束材料的側面而拉深底部材料而成形，材料處于壓縮應力場的靜水壓力效果中具有很大的變形度。但與普通拉深相比，其成形應力要高很多，因此模具設計必須按照鍛造模具的標準來設計。只要改變用以改善材料流動性的心軸的安裝方向，就可以成形出上凸起或下凸起。
3、局部成形鐓壓成形
有兩種概念：一是全體鐓壓，即對全體產品的斷面都有作用應力;二是局部鐓壓，即只在必要的部分有作用應力。全體成形由于加工面積大，成形荷重高，需要大噸位的沖壓機;對于局部成形，可用較低的荷重得到必要的板厚變化，在孔、槽的成形中應用十分廣泛。
(1)臺階孔及其應用
以圖10的臺階孔為例來說明成形的要點和應用。工程設計時，*步，沖底孔，以便材料在成形臺階孔時能平滑地流動;第二步，半密閉鐓壓而成形臺階;第三步，沖出所需的小孔。
(2)微細局部成形
出于IT化和環境因素的考慮，零件的要求越來越小型化、輕量化和微細高精度化，具有代表性的是汽車燃料噴射裝置的霧化板的斜孔的成形。
結束語
進入21世紀，制造業的觀念已從重視效率轉向環境*，利用塑性加工的無切削成形越來越重要。加工產品已經擴展到信息設備、燃料電池、微小機械等新領域，而且更要求達到高精度化、形狀復雜化、微細化、難加工材料成形等。