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动力电池结构件、冲压加工与模具制造、工业机器人集成应用

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深圳市新天宇科技有限公司

动力电池精密结构件复合冲压加工新技术探讨
来源:冲压加工、精冲加工、连续冷挤压复合冲压加工新技术探讨作者:深圳市新天宇科技有限公司网址:凹凸视频浏览数:5283
文章附图

凹凸视频 www.yzjzdqzlsb.com   科学技术的迅猛发展,尤其是在现有资源及环境不可过分乐观的形势下,对五金冲压加工乃至整个塑性加工业等都提出了严重的挑战。减轻重量,节省材料,降低能耗,开拓创新己成为塑性加工业等面临的一个极其重要的课题。

      不可否认在五金冲压加工中,冲压是成形效率和材料利用率最高的加工方式之一,其具有自己独特的优势与特点。面对严重挑战,深圳市新天宇科技有限公司,正以新的姿态,向挤压、精冲和机械加工等领域开拓,如齿轮冲压、冲压发动机壳体、冲压摇臂、冲压摇臂座、冲压排气管、冲压焊接成形的离心泵、冲压托架、冲压焊接成形的汽车后轿壳、冲压离合器壳体、冲压变速箱壳体、冲压皮带轮等等,所有这些不仅一改过去工件由铸造、焊接生产而呈现的粗笨外表,许多冲压件的精度也毫不逊色于机械加工的产品,其结构合理性甚至要超过某些机械加工产品,尤其是其生产率又远非机械加工所能比拟。而复合冲压、微细冲压、智能化冲压、绿色冲压等高新技术又向我们展示了冲压加工极具魅力的新领域,可以说冲压加工不论从深度,还是从广度上,都大有作为,前景美好。

      本文结合深圳市新天宇科技有限公司的生产经验,归纳出最新的冲压加工工艺。


1.复合冲压加工

      本文所涉及的复合冲压,并不是指落料、拉伸、冲孔等冲压工序的复合,而是指冲压工艺同其他加工工艺的复合,譬如说冲压与电磁成形的复合,冲压与冷锻的结合,冲压与机械加工复合等。

1.1冲压与电磁成形的复合工艺

      材料是人类社会进步的里程碑。从石器时代到青铜器时代,再到铁器时代,以至于到现在的新材料设计与制备加工工艺时代,可以说人类社会每一次飞跃性的进步都与材料和材料技术的发展密切相关。新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业化水平。以大规模集成电路为代表的微电子技术、以光纤通讯为代表的通信技术、以核磁共振成像系统与磁悬浮技术等应用为典型代表的超导技术、以载人飞船或航天飞机为代表的航天航空技术等,几乎所有的高新技术的发展与进步,都以新材料和新材料的发展和突破为前提。新材料技术在冲压加工中应用也是冲压加工发展的一个极其重要的方面,冲压专家历来十分重视。

      现有的研究与实践都表明冲压成形实际上受到材料变形两个方面的限制:一是颈缩与破裂问题,二是受压失稳起皱问题,其实质都是板材塑性成形不能稳定进行的表现。金属材料的屈服点、细颈点和破坏点对冲压加工来说,是具有重要的实际工作意义的,屈服点既是结构设计的结束点,更是塑性变形的开始点,而细颈点则是材料成形的极限。故冲压成形范围在材料拉伸应力应变曲线上仅为屈服点到细颈点这一不大的应力区间,而难成形材料的这一应力区间就更加狭小,故冲压成形范围的有限性往往又阻碍了许多难成形材料零件的应用,而这些难成形材料的一些性能往往又是制作某些重要零件所必需的。譬如在汽车覆盖件成形中,若用铝合金代替钢可以减轻重量30%,因而采用铝合金汽车覆盖件对减轻汽车自重非常有意义。尤其在这个充满汽车的世界上,其对资源与坏境的影响更是不可轻估的。然而铝合金作为难成形材料其成形范围是极其有限的,因冲压失稳使之不能正常得到应用而让人们感到很无奈。现在用冲压与电磁成形复合工艺,可以很好地解决铝合金覆盖件成形难的问题。尽管其机理现在尚不太清楚,但有一点是可以肯 的,那就是电磁成形是高速成形,而高速成形不但可使铝合金成形范围得到扩展,并且还可以使其成形性能得到提高。

      用复合冲压的方法成形铝合金覆盖件的具体方法是:用一套凸凹模在铝合金覆盖件尖角处和难成形的轮廓处装上电磁线圈,用电磁方法予以成形,再用一对模具在压力机上成形覆盖件易成形的部分,然后将预成形件再用电磁线圈进行高速变形来完成最终成形。事实证明,用这样复合成形方法可以获得用单一冲压方法难以得到的铝合金覆盖件。

      最新研究表明镁合金是一种比强度高、刚度好、电磁界面防护性能强的金属,其在电子、汽车等行业中应用前景十分看好,大有取代传统的铁合金、铝合金、甚至塑胶材料的趋势。目前汽车上采用的镁合金制件有仪表底板、座椅架、发动机盖等,镁合金管类件还广泛应用于飞机、导弹和宇宙飞船等尖端工业领域。但镁合金的密排六方晶格结构决定了其在常温下无法冲压成形。现在人们研制了一种集加热与成形一起的模具来冲压成形镁合金产品。该产品成形过程为:在冲床滑块下降过程中,上模与下模夹紧对材料进行加热,然后再以适当运动模式进行成形。 此种方法也适用于在冲床内进行成形品的联结及各种产品的复合成形。许多难成形的材料,例如镁合金、钛合金等产品,都可用该种方法冲压成形。由于这种冲压要求冲床滑块在下降过程中具有停顿的功能,以便对材料加热提供时间,故人们研制一种全新概念的冲床“数控曲轴式伺服马达冲床”,利用该冲床还可在冲压模具内实现包括攻螺纹、铆接等工序的复合加工,从而有力地拓展了冲压加工范围,为镁合金在塑性加工业广泛应用奠定了坚实的基础。

1.2冲压与冷锻结合(连续冷挤压技术,即CFP技术)

      一般板料冲压仅能成形等壁厚的零件,用变薄拉伸的方法最多能获得厚底薄壁零件,冲压成形局限性限制了其应用范围。而在汽车零件生产中常遇到一些薄壁但却不等厚的零件(图一),用单一的冲压与冷锻相结合的复合塑性成形方法加以成形,显得很容易,因此,用冲压与冷锻相结合的方法就能扩展板料加工范围。其方法是先用冲压方法预成形,再用冷锻方法终成形。

      用冲压冷锻复合塑性成形,其优点为:一是原材料容易廉价采购,可以降低生产成本;二是降低单一冷锻所需的大成形力,有利于提高模具寿命。


2.微细冲压加工

      现在所谈论的微细加工指的是微零件加工技术。微零件的界定通常指的是至少有某一方向的尺寸小于100μm,它比常规的制造技术有着无可比拟的应用前景。用该技术制作的微型机器人、微型飞机、微型卫星、卫星陀螺、微型栗、微型仪器仪表、微型传感器、集成电路等等,在现代科学技术许多领域都有着出色的应用,他能给许多领域带来新的拓展和突破,无疑将对我国未来的科技和国防事业有着深远的影响,对世界科技发展的推动作用也是难以估量的。譬如微型机器人可完成光导纤维的引线、粘接、对接等复杂操作和细小管道、电路的检测,还可以进行集成芯片生产、装配等等,仅此就不难窥见微细加工诱人的魅力。

      发达工业国家对微细加工的研究开发十分重视,投入了大量的人力、物力和财力,一些有远见的著名大学和公司也加入了这一行列。我国在这方面也做了大量的研究工作,有理由认为在21世纪,微细加工一定会像微电子技术一样,给整个世界带来巨大的变化和深刻的影响。对于模具工业,由于冲压零件的微型化及精度要求的不断提高,给模具技术提出了更高的要求。原因是微零件比传统的零件成形要困难得多,其理由是:

零件越小,表面积与体积比迅速增大;

工件与工具间的粘着力,表面张力等显著增大;

晶粒尺度的影响显著,不再是各向同性的均匀连续体;

工件表面存储润滑剂相对困难。


     微细冲压的一个重要方面是冲小孔,譬如微型机械、微型仪器仪表中就有很多需要冲压的小孔。故研究小孔冲压应是微细冲压的一个极其重要的问题。冲小孔的研究着重于:一是如何减小冲床尺寸;二是如何增大微小凸模的强度和刚度〔这方面除了涉及到制作的材料及加工的技术外,最常用的便是增加微小凸模的导向及?;さ龋?。尽管在冲小孔上需要研究的问题还很多,但也取得了不少可喜的成绩。有资料表明国外己经开发的微冲压机床长111mm,宽62mm,高170mm,装有一个交流伺服电机,可产生3KN的压力。该压力机床装有连续冲压模,能实现冲裁和弯曲等。日本东京大学利用一种胃WFDG技术制作了微冲压加工的冲头与冲模,利用该模具进行微细冲压,可在50μm的聚酰胺塑料板上冲出宽为40μm的非圆截面微孔。

      在超薄壁金属筒形件拉深方面,清华大学有了良好的开端。超薄壁拉深技术的关键是要有高精度的成形机。他们在壁厚为0.001mm~0.1mm的超薄壁金属圆筒成形中,研制出一台有微机控制功能的精密成形试验机,使冲头与凹模在加工过程中对中精度达到1μm,从而有效地解决了超薄壁拉深中易出现起皱与断裂而不能正常操作的难题。利用该机对初始壁厚为03mm的黄铜和纯铝进行一系列变薄拉深加工,加工出内径为16mm,壁厚为0.015mm~0.08mm,长度为30mm的一系列超薄壁金属圆筒。经检测,成形后的超薄壁筒壁厚差小于2μm,表面粗糙度尺30.057μm,从而大大地提升了应用该超薄壁圆筒仪器仪表的精度,相应地也提升了安装该仪器仪表整机的性能。


3.智能化冲压

      板料冲压从手工操作到半机械化、机械化、自动化操作,均是冲压发展到每个阶段的标志,而今板料冲压又进入到了智能化阶段,因此,可以说智能化冲压是板料冲压技术发展的必然趋势。板料成形智能化研究起源于20世纪80年代初的美国,继后,曰本塑性加工界也开始板料智能化研究。该项技术研究之初的十余年间,全部力量集中于弯曲回弹的成形控制,直至1990年后该项技术的研究才扩展到筒形零件的拉深变形,进而再扩展至汽车覆盖件成形、级进模智能成形等。

      所谓智能化冲压,乃是控制论、信息论、数理逻辑、优化理论、计算机科学与板料成形理论有机相结合而产生的综合性技术。板料智能化是冲压成形过程自动化及柔性化加工系统等新技术的更高阶段。其令人赞叹之处是能根据被加工对象的特性,利用易于监控的物理量,在线识别材料的性能参数和预测最优的工艺参数,并自动以最优的工艺参数完成板料的冲压。这就是典型的板料成形智能化控制的四要素:实时监控、在线识别、在线预测、实时控制加工。智能冲压从某种意义上说,其实是人们对冲压本质认识的一次革命。它避开了过去那种对冲压原理的无止境探求,转而模拟人脑来处理那些在冲压中实实在在发生的事情。它不是从基本原理出发,而是以事实和数据作为依据,来实现对过程的优化控制。

      智能化控制的当然是最优的工艺参数,故最优的工艺参数确定是智能化控制的关键所在。所谓最优工艺参数,就是在满足各种临界条件的前提下所能够采用的最为合理的工艺参数。要实现最优的工艺参数的在线预测,就必须对成形过程的各种临界条件有明确的认识,并能够给出定量的准确描述,在此基础上才能够确定智能化的控制。而定量描述的精度又决定着智能化系统的识别精度和预测精度。这就表明系统的识别精度、预测精度和控制精度均依赖于定量描述精度的提高,故要不断予以修改、提高。且检测精度、识别精度、预测精度和监控精度系统本身也要不断完善提高。这样,智能化冲压才能达到应有的水平。

      有关研究表明在拉深过程的智能化控制中,最优工艺参数的预测最终归结为压边力变化规律的确定,而压边力的控制又基于压边力的预测研究。预测拉深成形压边力的传统方法主要有两种:实验法和理论计算法。近年来又把人工神经网络和模糊理论等人工智能理论引入压边力最佳控制曲线的预测研究中,目前变压边力控制技术己成为学术界和工业界的一个研究热点。而压边力变化规律的理论根据就是确定起皱或破裂的临界条件,可见拉深中法兰起皱和破裂的临界条件的正确确定不可不重视。进一步研究还表明,对锥形件拉深而言,法兰起皱区几乎被侧壁起皱区所包围,故克服了侧壁起皱同时也就克服了法兰起皱,所以对锥形件拉深来说,其主要矛盾集中于工件破裂和侧壁起皱。故其压边力大小范围要控制在侧壁不起皱〔最小极限)和侧壁不破裂(最大极限)之间。


4.绿色冲压

      环境与资源是当今世界发展必须要解决好的两个重大课题。为确保人类社会文明与经济发展的可持续性,人们提出绿色制造。所谓绿色制造系指在满足产品功能、质量和成本要求的前提下系统考虑从产品设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期,力求在每个环节中以对环境的负面影响最小,资源利用率最高。绿色制造是一个综合考虑环境影响与资源效率的现代制造模式,而绿色冲压亦是如此,实质上就是人类可持续发展战略在现代冲压中的具体体现。它应包括在模具设计,制造、维修及生产应用等各个方面。


5.绿色设计

      所谓绿色设计即在模具设计阶段就将环境?;ず图跣∽试聪牡却胧┠扇氩飞杓浦?,将可拆卸性、可回收性、可制造性等作为设计目标并行考虑并保证产品功能、质量寿命和经济性。例如在小批量多品种生产中可采用通用模架、组合模具结构,从而达到一模多用,甚至还可以采用一形两面凸?!餐?〕、 一模多形〔图3〕等方法,以减少模具数量,节省材料。图2a为45度切角凸模、图2b为拉深凸模、图2c为弯曲凸模、其特点都是一面磨损了,换另一面可继续使用。

      图3为冲压扣接模具、三个凸模共用一个凹模,其凹模制成一模多形状,这样就大大减少了材料与能量的消耗,对环境有利。

      随着模具工业的发展,对金属板料成形质量和模具设计效率要求越来越高,传统的基于经验的设计方法己无法适应现代工业的发展。近年来,用有限元法对板料成形过程进行计算机数值模拟,是模具设计领域的一场革命。用计算机数值模拟能获得成形过程中工件的位移、应力和应变分布。通过观察位移后工件变形形状能预测可能发生的起皱;根椐离散点上的主应变值在板料成形极限曲线上的位置或利用损伤力学模型进行分析,可以预测成形过程中可能发生的破裂;将工件所受外力或被切除部分的约束力解除,可对回弹过程进行仿真,得到工件回弹后的形状和残余应力的分布。这一切,就为优化冲压工艺和模具设计提供了科学依据,是真正意义上的绿色模具设计。


6.绿色制造

      在模具制造中,应采用绿色制造。现在有一种激光再制造技术,它是以适当的合金粉末为材料,在具有零件原形CAD/CAM软件支持下,采用计算机控制激光头修复模具。具体过程是当送粉机和加工机床按指定空间轨迹运动,光束辐射与粉末输送同步: 使修复部位逐步熔敷,最后生成与原形零件近似的三维体,且其性能可以达到甚至超过原基材水平,这种方法在冲模修复尤其是在覆盖件冲模修复中用途最广。由于该项技术不以消耗大量自然资源为目标,故称为绿色制造。

      此外,在冲压生产中应尽量减少冲压工艺废料及结构废料,最大限度地利用材料和最低限度地产生废弃物。减少工艺废料,就是通过优化排样来解决,例如采用对排、交叉排样等方法,还可以采用少无废料排样方法,以大幅度提高材料利用率。所谓优化排样就是要解决两个问题:一是如何将它表示成数学模型;二是如何根据数学模型尽快求出最优解,其关键就是算法问题。现代优化技术己发展到智能优化算法,主要包括人工神经网络、遗传算法、模拟退火、禁忌搜索等??梢韵嘈庞呕叛嵊幸桓鐾黄菩越?,对结构废料多的工件可采用套裁方法,从而能达到废物利用,变废为宝。此外,还可以通过改变产品结构的方法来加以解决也不是完全不可能的。对于套裁,人人皆知的有大垫片套裁中垫片,中垫片再套裁小垫片等。

      世界科技飞速发展,将我国模具工业推进到一个崭新阶段,我们有理由相信冲压加工前景无限美好。塑性加工业一定会在向大自然伟大进军的征程中,在给人类提供日益提高的物质产品同时不断丰富和拓展本身,取得更加喜人的成果。