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高速精密冲压技术现状及模具发展趋势

作者:佚名  信息来源:无忧机械电子  2013-6-13

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高速精密冲压技术涉及到机械、电子、材料、光学、计算机、精密检测、信息网络和管理技术等诸多领域,是多学科的系统工程。 高速精密冲压技术的特点及应用领域 高速精密冲压技术是现代冲压生产的先进制造技术,它综合了科高速精密压力机技术、高精变冲压模技术、高品质制品材料技术、智能控制技术和绿色为一体化的高新技术。...
高速精密冲压技术涉及到机械电子材料、光学、计算机、精密检测、信息网络和管理技术等诸多领域,是多学科的系统工程。

高速精密冲压技术的特点及应用领域

高速精密冲压技术是现代冲压生产的先进制造技术,它综合了科高速精密压力机技术、高精变冲压模技术、高品质制品材料技术、智能控制技术和绿色为一体化的高新技术。应用高速精密冲压技术批量生产制品,具有高生产效率、高质量、高一致性及节能降耗、节省人力、降低成本和确保安全生产等特点,因此已越来越被国民经济各工业生产部门所重视。当前,现代先进制造技术是世界各国研究和发展的主题,特别是在市场经济高度发展的今天,它更占有十分重要的地位。

高速精密冲压模具技术主要基于使用板料加工制品,由高速压力机设备、精密冲压模具、优质卷料三个基本要素构成,并在自动化周边设备的开卷装置、校平装置、送料装置、材料润滑装置、出件装置、理件装置、收料装置等协调连接,按冲压工艺流程组合的一种冲压自动化生产线。

冲压自动化不仅可以大幅度地提高劳动生产率、改善劳动条件、降低成本,而且能够有效地保证冲压生产中的人身安全,从根本上改变冲压生产面貌,因此被广泛应用于电子、通讯、汽车、机械、军工、轻工、电机电器仪器仪表、医疗器械、自动化装备和家电产品制造领域。在轨道交通、航空航天、新能源等产品制造领域的应用也越来越广泛。

高速压力机技术的应用

随着电子通讯、电机电器、汽车和家电等产品技术的迅速发展,对精密冲压件的需求量越来越大,技术要求也越来越高,且应用面也越来越广泛,因此在大量生产和超大量生产中,普通压力机已不能满足生产和技术要求。采用高速精密压力机进行高速度、自动化及连续冲压是提高冲压生产率的有效途径。由于高速精密压力机的滑块行程每分钟次数比吨位相似的普通压力机高5倍以上,因此高速精密压力机不但冲压件精度高、表面质量好,而且模具使用寿命长

近几年,冲压技术不断向高速化、精密化和智能化的方向发展,推进了高速压力机的发展势头,也因此涌现出许多的高速精密压力机和超高速精密压力机,如德国拉斯特公司、美国明斯特公司、瑞士布鲁德尔公司、德国舒勒公司、日本能率和电产公司等研制的小吨位高速精密压力机,其滑块行程次数分别可达2,000次/分钟,3,000次/分钟,4,000次/分钟。在负荷状态下,还可达其标准中的特级精度要求。这标志着高速精密压力机技术已发展到超高速超精密的技术阶段。

国外有些公司对小吨位高速精密压力机按滑块行程次数分为四个速度等级:常速≦250次/分钟,次高速﹥250~400次/分钟,高速﹥400~1,000次/分钟,超高速≧1,000次/分钟。大吨位高速精密压力机滑块行程次数相对较低,如300吨的大型高速精密压力机,滑块行程数范围仅为160~400次/分钟左右,100吨的翅片专用高速精密压力机,滑块行程数范围一般为150~250次/分钟左右。

由于冲压速度随着压力机吨位、滑块行程长度与次数、制品工艺结构和材料工艺性能、自动送料速度及精度等诸多要素的不同而改变,很难用简单的数字作为划分各个等级的界限,因此,目前国际上对高速精密压力机速变范围仍尚未作出明确的定义,通常将冲压速度比普通压力机速度高5~10倍的统称为高速精密冲压。而从中国多数企业的高速精密压力机的应用情况来看,冲次速度按滑块最低和最高行程数的平均值或大于均值10~20%的冲速则是较为合理和有参考意义的标准。因为高速精密压力机滑块最高行程数一般是指无负荷冲程数。当行程次数高达一定数值时,压力机在运行中的不平衡现象就明显增加,滑块下死点动态性变化程度也较大,这样就必须解决卷料质量、送料速度、模具性能与寿命、设备强度、刚度和精度、故障的自动监控与稳定性、振动与噪声以及润滑和冷却系统等一系列技术问题。所以,高速精密压力机应用中的冲次速度相当关键。

高速精密冲压件的类型与技术特点

高速精密冲压件按行业、用途和工艺特点可分为电子零件类、IC集成电路引线框架类、电机铁芯类、电器铁芯类、换热器翅片类、汽车零件类、家电零件类、以及其他类型等。零件主要包含连接器件、接插件、电刷件、电器端子、弹性零件等。

IC集成电路引线框架主要包含分立器件引线框架和集成电路引线框架。电机铁芯主要包含单相串励电机铁芯、单相家用电机铁芯、单相罩极电机铁芯、永磁直流电机铁芯、工业电机铁芯、塑封定子铁芯等。电器铁芯主要包含E字形变压器铁芯、EI形变压器铁芯、工字形变压器铁芯、以及其他变压器铁芯片等。换热器翅片主要包含工业换热器翅片、家用换热器翅片、汽车用换热器翅片等。汽车零件主要包含汽车结构件、汽车功能件。家电零件主要包含大家电零件,如彩管电子枪零件,以及小家电零件,各类结构件和功能件等。其他类零件主要包含仪器仪表零件、IT类零件、声学类和摄像类零件、现代办公用类零件、以及五金件等。

高速精密冲压件的技术具有品种多、材料多样性、薄板卷料、自动化生产批量极大、精度高、形状复杂、技术含量和附加值高等特点。

高速精密冲压生产技术的典型概况

电机铁芯生产技术概况

铁芯是电机产品的重要部件,一般由0.35mm,0.5mm厚的硅钢片制成。在电机生产的全部环节中,铁芯冲片生产是关键。目前中国的高速精密冲压铁芯片和铁芯自动叠铆、铁芯三列带扭槽叠铆、铁芯带扭槽及回转叠铆、铁芯双回转叠铆、铁芯双列大回转叠铆、大型外转子铁芯带扭槽叠铆、定子铁芯半圆组合叠铆、定子铁芯多块组合叠铆、长直条定子铁芯卷圆组合叠铆等高速精密冲压生产技术与国际先进技术相比毫不逊色。

其中较为典型的铁芯三列带扭槽叠铆制品的高速精密冲压生产技术概况是,铁芯材料为50W470硅钢片、带料厚度0.5mm,料宽307.5mm。带料经开卷装置、S型校平装置、送料装置、材料润滑装置、高速精密压力机、大型精密级进模等一体化的高速运行,以及自动冲压导正钉孔、转子片叠铆工艺孔、转子片记号孔、转子片计量孔、转子片槽形、转子片台阶孔、转子片叠铆点、转子片内孔、转子片落料叠铆和扭槽、定子片缺口、定子片记号孔、定子片计量孔、定子片槽形、定子片叠铆点、定子片内孔、定子片落料叠铆等多工位与多工序的交叉连续冲压,一次完成三套定转子铁芯制品,铁芯自动叠铆厚度105mm,定子铁芯外径110.52�0.02mm,外径55.1�0.01/0.02 mm。制品在300吨的大型高速精密压力机上生产,冲次速变280~320次/分钟,并在冲压过程中铁芯制品自动输出。

换热器翅片生产技术概况

翅片是空调产品的主要部件,一般由0.105mm厚的铝箔制成。近年来,中国在高速冲压换热器翅片生产技术方面有了明显提高,如家用空调换热器翅片、汽车空调换热器翅片、工业空调换热器、整体导管式空调换热器翅片、新型异形孔空调换热器翅片、以及大型冷库散热器翅片等高速精密冲压生产技术已接近国际先进水平。中国研发的一次出12列、24列、36列、42列、48列、60列、72列、76列翅片等高速精密冲压生产技术已达到国际上同类产品的水平。其中典型的Φ5.2�72列�2步进翅片的高速精密冲压生产技术概况是:翅片材料铝箔1,000-8H22,厚度0.105 mm的带料,由展料架、过油装置、送料装置、高速精密压力机、大型精密级进模、吸料与集料装置等组成的翅片高速精密冲压自动生产线,带料经压料装置、引申工程、冲孔工程、翻边工程、百叶窗工程、中部异型切工程、端部异型切工程、边切工程、异正工程、纵切工程、送料工程、横切工程等12个成形工程的连续冲压,一次出72列翅片,翅片形状复杂,精度较高,表面要求光洁、平整、无刮伤,无毛刺、翻边无开裂等技术要求。Φ5系列、72数和2步进的翅片在100吨高速精密专用压力机上生产,冲刺速度260次/分钟,并能够在冲压过程中实现翅片制品一边集料一边取料。

IC集成电路引线框架生产技术概况

引线框架是分立器件和集成电路的载体。作为半导体器件的芯片载体引线框架,其主要特点是种类多、批量大、精度高、形状细小、材料较薄、表面需要局部电镀以及外观要求严格。近几年,随着科技的发展,中国的高速精密冲压引线框架生产技术较以前有了很大提升,如分立器件TO-220、SOT、SOD系列引线框架生产技术已达到国外同类产品的水平。其中典型的SSOP-024集成电路引线框架高速精密冲压生产技术概况是:引线框架材料C194铜合金,厚度0.152 mm的卷料,由卷料架、送料机构、导料机构、高速精密压力机、精密级进模、卷式收料装置等组成的引线框架高速精密冲压自动化生产线,冲压工序包含打字、冲压麻状点、冲定位孔与嵌定孔、冲内引线A、冲内引线B、冲内引线C、裁片分离、静压内引线、校横弯、校外引线、校步距、内引线校平、精整等32工位的连续冲压,一次冲出4排,每排在11mm � 9mm的尺寸面上冲出24条内外引线脚,内引线的最小间距0.17mm,产品的共面性要求控制在0.01mm 之内等其他技术要求。该引线框架在80吨高速精密压力机上生产,冲次速度为450~500次/分钟。SSOP-24集成电路引线框架集微成型、微薄化、多脚化、高密度、小间距、多样化等总体水平已接近国际同类产品的先进水平。

高速精密冲压模具现状与发展趋势

近年来,中国模具产销持续攀升,民营企业不断涌现出来,国外著名企业和资本的进入更是促进了模具行业的快速发展,中国已成为名副其实的模具生产大国。然而,从模具产需情况看,虽然中低档模具已完全实现自给,但是以大型、精密、高效、高性能模具为主要代表的高技术含量模具自给率仍然较低,只有60%左右,有很大一部分仍然依靠进口。因此,提升中国模具企业的整体技术水平,提升企业的核心竞争力,促进模具产业结构优化仍然是中国模具行业的当务之急。

冲压模具主要包括多工位与多功能冲压模具、汽车覆盖件模具和精冲模具等,这里仅对精密多工位与多功能冲压模具阐述其现状与发展。

多工位与多功能冲压模具现状

先进多工位与多功能冲压模具的代表主要有精密多工位级进模、精密多工位冲压传递模、精密多功能冲压模具等。其中,精密多工位级进模占据主流产品地位。先进精密多工位级进模主要包括电机铁芯硅钢片级进模、空调器翅片级进模、集成电路引线框架级进模、电子连接器级进模、彩管电子枪零件级进模、汽车零件级进模、家电零件级进模等。

受中国市场产品档次提升的推动,中国的先进多工位与多功能冲压模具的总体水平得以提升,特别是产量最大的高速精密多工位级进模在技术水平、制作精度、使用寿命和制作周期等方面均有明显进步,无论技术还是产能都已具备向先进国家模具挑战的能力。其中相当一部分高档优质模具的总体性能接近或达到国际同类模具的先进水平,不仅可替代进口,还能出口一部分到发达国家和地区。

与国际先进水平相比的主要差距

近年来,中国先进多工位与多功能冲压模具水平提高较快,模具制作装备技术已经达到国际先进水平,模具设计制造水平有了很大提高,一部分精密复杂级进模进入了规模化生产阶段,模具的进口替代成效明显,出口逐年递增。但是与国际先进冲压模具相比,仍然存在以下几个方面的差距。

(1)模具设计制造技术方面

模具设计制造技术创新不够,很多先进模具中的关键设计内涵和技术以及制造工艺中的“KNOW HOW”等基础技术、理论以及核心技术掌握不够,导致模具整体水平提升困难,始终处于技术跟进与追踪阶段,达到甚至超越国际先进水平还缺乏相关设计和制造基础技术的支撑。

(2)模具的寿命方面

由于受模具材料、热处理技术以及制造装配技术等相关因素的影响,中国冲压模具寿命普遍低于国际先进水平,差距在30%以上。特别是一次刃磨寿命低导致模具维护次数增加,降低了冲压生产效率,增加了模具维护的成本,进而影响中国模具的市场竞争力。

(3)模具的试模技术与模具的可靠性方面

试模是模具设计制造完成后对模具的一个综合实验、评估和调整过程,是模具设计制造问题的集中暴露过程,也是冲压模具设计、制造技术以及专业人员的综合反映。而模具的可靠性和稳定性则是模具设计制造质量好坏的评价基准和模具正常使用的保障。由于中国缺乏对多工位与多功能冲压模具的设计、制造工艺中的隐形知识和技术积累的深入挖掘,因此与国际先进模具企业相比,中国多工位与多功能冲压模具的试模、模具使用中的调整和维修时间增加30%以上。对比国外目前正在研究无试模程序的模具前沿技术,中国在模具的试模技术与模具的可靠性和稳定性方面的差距是显而易见的。

(4)模具的基础理论与关键技术方面

模具设计制造师一项实践性很强的专门技术,长期以来,中国对模具设计和制造的实践性非常重视,但由于对冲压模具基础理论和技术研究重视不够,导致模具设计和制造的基础理论和技术发展缓慢。加上冲压模具企业的专业化分工还不够细化,小而全、大而全的模具企业还占主导地位,企业的核心竞争力难以形成,企业自有技术以及创新能力落后于国外先进模具企业。另外,模具材料、标准件等模具基础技术落后,直接影响了中国多工位与多功能冲压模具的整体技术水平。因此,在多工位与多功能冲压模具的基础技术支持方面还存在很多薄弱环节。

(5)新型模具技术及其拓展方面

随着新工艺新产品的不断涌现,国外冲压模具已经从常规的单副级进模向多功能组合模具、生产线配套组合模具工装、特大型级进模以及微细零件冲压成型模具等方向发展,而中国企业大多数仍将重点放在常规的单副级进模系列化和产业化方面,还未掌握特种高精尖模具如特大型高精、超高速冲压、超薄、超强和微细型零件成形冲压模具的关键技术,对多功能复合模具还设计不多。因此,中国还需要不断开展新型模具的关键技术研究,拓展其应用领域,为赶超国际先进水平打好基础。

(6)基础零部件和配套件方面

多工位与多功能冲压模具的基础零部件和配套件是模具整体快速发展的基本条件,而中国由于热处理、材料、标准件等模具基础零部件和配套技术及质量水平较低,高档模具的基础零部件和配套件主要依赖进口。因此,中国急需提升模具基础零部件和配套件的技术及质量水平。

多工位与多功能冲压模具的发展趋势

在经济的全球化和中国从“制造业大国”向“制造业强国”的挺进中, “服务科学”和“服务制造”等现代理念的出现,对中国模具行业的发展必将产生重大影响。模具行业的服务制造业的特征将大大增强,模具也应该是最先融入“服务制造” 的生产装备。

纵观模具技术的发展路线和模具行业的发展前沿,模具技术的总体发展趋势是“由模具自身的品质提升向冲压件产品的控形控性以及一体化解决方案方向发展”。即用户要求从主要考虑模具的本身品质向控制模具生产的最终产品品质的方向发展,从对模具品质的单一要求向为用户产品提供一体化解决方案方向发展。

用户的要求突破了模具产品本身的界限,必须从产业链上寻求系统的解决方法,迫使模具技术和企业向制造业的相关产业链延伸。因此,一大批多领域交叉技术的应用以及以模具为核心的系统解决方案将是今后模具发展的主要特征。

综合中国目前冲压模具的发展及其存在的问题,可以看出多工位与多功能冲压模具是最有希望赶上国际先进水平的模具之一。但是,还需要模具企业在专业化细分、自主创新以及设计和制造工艺基础理论与技术方面做深入细致的研究工作,为中国多工位与多功能冲压模具的整体技术赶上国际先进水平打下好基础,并在保持电机铁芯自动叠片级进模、空调换热器翅片级进模、集成电路框架级进模、电子连接器级进模等高水平模具发展的同时,注重发展大型汽车零件级进模、多功能复合冲压模具、微小零件冲压模具、特殊板料等微特冲压模具及其技术,整体提升多工位与多功能冲压模具的水平。

另外,“控形和控性”是模具发展的大方向,首先需要解决的是“控形”技术问题,冲压模具的“控形”技术必然是近期需要突破的重要关键技术。研究冲压成形的深层次理论和技术问题,借以掌握“控形和控性”技术,从而实现模具的信息化和智能化制造。

智能化是全球的发展趋势,也是“服务时代”的主要特征。对模具行业来说,模具的信息化和智能化是实现“控形和控性”的重要手段,是赶超国际模具先进水平的一个重要方面,它可以带动一些列模具先进技术的发展,具有重要的战略意义。目前中国模具的信息化和智能化刚开始起步,要实现模具的信息化和智能化还有很长的路要走,同时也需要相关政策的推动。

在21世纪,随着电子信息等高新技术的不断发展,市场需求向个性化与多样化方向发展,未来高速精密冲压技术和以高档模具为核心的发展总趋势是向精密化、高速化、柔性化、网络化、集成化、信息化和智能化、低碳环保及全球化的方向发展。
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