汽車(chē)制造中沖壓工藝新發(fā)展

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    汽車(chē)制造中有60%-70%的金屬零部件需經(jīng)塑性加工成形，沖壓加工是完成金屬塑性成形的一種重要手段，它是最基本、最傳統(tǒng)、最重要的金屬加工方法之一。如車(chē)身上的各種覆蓋件、車(chē)內(nèi)支撐件、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件，還有大量的汽車(chē)零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣彎管及消聲器、空心凸輪軸、油底殼、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、框架結(jié)構(gòu)件、橫縱梁等等，都是經(jīng)沖壓成形技術(shù)正向精密、多功能、高效節(jié)能、安全清潔的生產(chǎn)方向發(fā)展，沖壓工件的制造工藝水平及質(zhì)量，在較大程度上對(duì)汽車(chē)制造質(zhì)量和成本有直接的影響。 所謂沖壓工藝性是指沖壓件對(duì)工藝品的適應(yīng)性，即所設(shè)計(jì)的沖壓件在尺寸大小、尺寸精度與基準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)形狀等是否符合沖壓加工的工藝要求。汽車(chē)沖壓件都應(yīng)具有良好的工藝品性和經(jīng)濟(jì)性，衡量其水平的重要標(biāo)志有沖壓件的工序數(shù)、車(chē)身總成的分塊數(shù)量和尺寸大小、沖壓件的結(jié)構(gòu)等因素。減少?zèng)_壓過(guò)程的工序數(shù)，意味著減少?zèng)_壓件數(shù)、節(jié)省工裝數(shù)量、簡(jiǎn)化沖壓過(guò)程的傳送裝置，縮減操作人員和沖壓占地面積，是節(jié)約投資額和能耗的極好措施，所以沖壓制造商都能把沖壓工序數(shù)設(shè)計(jì)作為降低汽車(chē)制造成本的重要途徑，甚至不惜改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)來(lái)滿足制造工藝方面的要求。同時(shí)，還應(yīng)采用盡量大尺寸的合理的車(chē)身總成分塊，如整塊式車(chē)身左右側(cè)板及車(chē)頂蓋板，既可使汽車(chē)外形美觀�？諝庾枇�減少，又可減少?zèng)_壓件數(shù)量及焊點(diǎn)，能有效地降低成本（圖一）。而且現(xiàn)代汽車(chē)制造大量使用卷料、薄殼式整體車(chē)身結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度鋼板與鍍鋅鋼板，都要求應(yīng)用沖壓新工藝。
    現(xiàn)代沖壓成形發(fā)展和研究的重大課題包括有：（1）模塊式?jīng)_壓及其控制；（2）新材料及復(fù)合材料沖壓加工新工藝；（3）特種沖壓成形技術(shù)；（4）計(jì)算機(jī)模擬沖壓成形及虛擬試模技術(shù)；（5）模具制造技術(shù)；（6）沖壓成形過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控及失穩(wěn)機(jī)理分析等項(xiàng)。
模塊式?jīng)_壓
    模塊式?jīng)_壓的突出優(yōu)點(diǎn)在于能把沖壓加工系統(tǒng)的柔性與高效生產(chǎn)有機(jī)的結(jié)合在一起。柔性的含義較廣，如沖壓件的幾何形狀的多種要求，只要通過(guò)自由編程就可獲得，體現(xiàn)了加工形狀的柔性。又如既適用大批量單品種沖壓件的生產(chǎn)，更對(duì)小批量多品種加工發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，也表現(xiàn)出柔性。概括而言，模塊式?jīng)_壓的持點(diǎn)是：（1）在沖壓成形過(guò)程中可快速更換組合模具以提高生產(chǎn)效率；（2）由于具有帶材的供帶和矯帶裝置，可省卻另設(shè)上料下料工序；（3）實(shí)現(xiàn)了大工件的不停機(jī)加工；（4）既能獨(dú)立又能成系列的控制組合沖模動(dòng)作，能連續(xù)進(jìn)行沖壓加工；（5）沖模具有可編和的柔性特點(diǎn)。
一種模塊式?jīng)_壓加工系統(tǒng)由一臺(tái)帶有控制功能模塊式冷沖壓的壓力機(jī)、卷材帶材送進(jìn)裝軒、帶材矯正機(jī)及可編程進(jìn)給裝置等構(gòu)成。這種沖壓系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可進(jìn)行沖模橫向位移、帶材進(jìn)給定位、沖模重復(fù)運(yùn)行及自動(dòng)調(diào)整下工步的沖模調(diào)整等多項(xiàng)功能。由于在沖壓過(guò)程中進(jìn)行可編程沖壓，使這種模塊式?jīng)_壓系統(tǒng)能柔性地適應(yīng)生產(chǎn)需求，能在相同帶材上進(jìn)行曲不同工件及批次的混合生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的串接式加工，還同時(shí)在工件兩面沖壓加工，極大地提高了工作效率，有資料表明，模塊式?jīng)_壓成形使加工費(fèi)用能下降至40%-50%。
    當(dāng)前模塊式?jīng)_壓裝置的集成度是很高的，在寬度為300MM尺寸范圍內(nèi)可安排達(dá)35個(gè)模具，通過(guò)沖模上端的頂板可對(duì)沖模進(jìn)行獨(dú)立式系列控制，即形成沖模的集成控制。整個(gè)系統(tǒng)的可編程在WINDOWS用戶界面和菜單下實(shí)現(xiàn)，編程涉及模具沿著橫向定位軸的伺服驅(qū)動(dòng)定位，帶材的檢驗(yàn)矯正及縱向進(jìn)給定位，沖壓件的質(zhì)量跟蹤檢驗(yàn)，沖模的調(diào)整及壓力機(jī)；狀況監(jiān)控等多功能。
    當(dāng)沖模重新配置或更換時(shí)，這些變化則會(huì)被參數(shù)并被控制系統(tǒng)所貯存，以務(wù)下次查詢和調(diào)用。沖模數(shù)據(jù)包括有沖頭及其組合標(biāo)記，沖頭組合在模具中的X、Y坐標(biāo)位置及模具軸編號(hào)等信息。圖三表明可編程的沖模系統(tǒng)，圖中A為標(biāo)準(zhǔn)模具的橫向支承軸，可進(jìn)行伺服動(dòng)至沖壓區(qū)，B為備有沖模的支承軸，C為備用軸，D為橙色卷式帶料正在進(jìn)給。
亞毫米沖壓項(xiàng)目
    亞毫米沖壓"是指汽車(chē)車(chē)身沖壓件的精度控制在0-1.0MM的范圍內(nèi)，與過(guò)去制造業(yè)通行的誤差2MM相比，是個(gè)非常大的提高。這是一個(gè)以提高沖壓質(zhì)量和制造技術(shù)為目標(biāo)的綜合項(xiàng)目。該項(xiàng)目與"2MM工程"都是90年代后期美國(guó)汽車(chē)界開(kāi)展的大型研究項(xiàng)目。所謂"2MM工程就是把車(chē)知、身裝配尺寸變動(dòng)量控制在2MM之內(nèi)，大大嚴(yán)于原先的8MM誤差范圍。
    沖壓加工成形技術(shù)是影響汽車(chē)車(chē)身制造水平的關(guān)鍵因素之一，美國(guó)專(zhuān)家曾在一條汽車(chē)裝配線上對(duì)50多個(gè)個(gè)案進(jìn)行實(shí)地分析表明，造成車(chē)身尺寸誤差變動(dòng)的諸多原因中，沖壓件本身尺寸造成的積累誤差占23%，其主要原因是傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)和原有工藝基礎(chǔ)上低水平上的模具設(shè)計(jì)與制造。
    亞毫米沖壓的中心是沖壓件的精度與敏捷度兩個(gè)目標(biāo)，精度就是使沖壓件尺寸準(zhǔn)確度控制在0毫米或亞毫米的水平，其關(guān)鍵是控制車(chē)身支架、立柱等結(jié)構(gòu)件的尺變動(dòng)，并使車(chē)身覆蓋件分塊度大，如采用整體左右側(cè)板和頂蓋板等。敏捷度含義則是指減少?zèng)_壓件的生主準(zhǔn)備時(shí)間達(dá)30%，包括模具設(shè)計(jì)、試樣制造和工裝準(zhǔn)備時(shí)間，以達(dá)到極大縮短新車(chē)型制造周期的目的，該項(xiàng)目飲食有沖壓和裝配的集成設(shè)計(jì)、沖壓系統(tǒng)敏捷設(shè)計(jì)和制造、沖壓過(guò)程的智能檢測(cè)和監(jiān)控、全系統(tǒng)集成4個(gè)子項(xiàng)目。
    通過(guò)亞毫米沖壓項(xiàng)目的研究，使沖壓成形技術(shù)有了飛躍性的進(jìn)展，其中包含有：（1）沖壓過(guò)程和部件裝配工藝的設(shè)計(jì)由基于經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)工藝向科學(xué)和數(shù)據(jù)過(guò)程的轉(zhuǎn)化；(2)沖壓設(shè)計(jì)向CAD和模擬試模轉(zhuǎn)化，摒棄了傳統(tǒng)的嘗試法；（3）實(shí)施模具設(shè)計(jì)制造由過(guò)去串行方式向并行方式轉(zhuǎn)化；（4）實(shí)現(xiàn)了過(guò)程監(jiān)測(cè)和設(shè)備維護(hù)由被動(dòng)響應(yīng)向科學(xué)預(yù)測(cè)式轉(zhuǎn)變。"2MM工程"和"亞毫米沖壓"兩項(xiàng)目現(xiàn)已先后完成 ，正在美國(guó)三大汽車(chē)制造公司推廣應(yīng)用，取得了許多有益的成果，沖壓成本大幅下降，獲得日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)效益的社會(huì)效益，并逐步向其他國(guó)家推廣應(yīng)用。
特種沖壓成形技術(shù)
    現(xiàn)代汽車(chē)沖壓件的技術(shù)要求朝著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分塊尺寸增大、相關(guān)邊的零部件較多、承載能力變大和內(nèi)應(yīng)力限制嚴(yán)格等方向發(fā)展。這要求并促進(jìn)特種沖壓成形技術(shù)如液壓成形、精密成形、爆炸成形、旋壓成形、無(wú)模成形、激光成形和電磁成形技術(shù)的發(fā)展。限于本文篇幅，這里主要介紹內(nèi)壓成形和電磁成形兩項(xiàng)技術(shù)。
    現(xiàn)代汽車(chē)沖壓件的技術(shù)要求朝著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分塊尺寸增大、相關(guān)邊的零部件較多、承載能力變大和內(nèi)應(yīng)力限制嚴(yán)格等方向發(fā)展。這要求并促進(jìn)特種沖壓成形技術(shù)如液壓成形、精密成形、爆炸成形、旋壓成形、無(wú)模成形、激光成形和電磁成形技術(shù)的發(fā)展。限于本文篇幅，這里主要介紹內(nèi)壓成形和電磁成形兩項(xiàng)技術(shù)。
    液壓式或注入彈性體式的成形技術(shù)，其高壓形成過(guò)程一般包括：（1）有效介質(zhì)如冰的膨脹或彈性體壓入使內(nèi)部壓罰極慢增長(zhǎng)的過(guò)程；（2）流體靜罰的骨高壓形成過(guò)程；（3）極端壓力如爆炸的動(dòng)態(tài)過(guò)程等。介質(zhì)可以是無(wú)定形的固體、液體或氣體，在系統(tǒng)中介質(zhì)可依據(jù)要加工的形狀作任意變化，履行凸模功能，所以介質(zhì)可等同于一個(gè)萬(wàn)能模具。圖四是板材超朔成形的例子，從圖中可見(jiàn)此時(shí)有效介質(zhì)變成凸模。
    液壓式內(nèi)高壓成形技術(shù)與其他沖壓成形技術(shù)相比，有幾項(xiàng)明顯優(yōu)點(diǎn)：（1）在成形過(guò)程中可一次加工出如車(chē)橋、頂蓋板、門(mén)框等大型復(fù)雜的三維幾何形狀的工件；（2）因?yàn)橐后w在成形過(guò)程中冷卻作用，使工件被"冷作強(qiáng)化"，獲得比一般沖壓加工更高的工件強(qiáng)度，這使得允許采用更薄的板材，使工件更輕量化；（3）工件外表板面只與壓力液體接觸，加壓過(guò)程較平緩，零部件成形變化均勻，可獲得勻稱的壓力分布，并能獲得者好得多的平滑外表面；（4）液壓內(nèi)盛開(kāi)有的沖模和工具費(fèi)用可下降40%，特別降低了凸型零件加工的節(jié)拍時(shí)間較短，約為0.1-0.5MIN，這在特種成形工藝中是較短的，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
    利用通電線圈產(chǎn)生的電磁力的電磁成形工藝，是目前頗有前途的另一種新型加工手段。該工藝源于六十年代核裂變研究的成果，但可惜一直沒(méi)被人們注重。電磁成形工藝原理圖，當(dāng)線圈通入交流電時(shí)。數(shù)微秒內(nèi)建立起磁場(chǎng)，使金屬工件尤其是導(dǎo)電率強(qiáng)的銅鋁材質(zhì)感生出電流 ，感生出電流，感生電流又將受到磁場(chǎng)力作用，使工件產(chǎn)生張力與凹模吻合而迅速成形。當(dāng)線圈在工件內(nèi)時(shí)，電磁力將使工件外張成形，屬當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的一種工藝；當(dāng)線圈平面平行于板件放置時(shí)，電磁力將使工件拉伸成形。
電磁成形技術(shù)系一種非接觸成形工藝，其突出優(yōu)點(diǎn)一是加工成形迅速工效高，二是常用于金屬與非金屬的連接，可取代粘接或焊接；其三是不耗脯助材料如潤(rùn)滑油脂等，有利環(huán)境保護(hù)。
沖壓過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控
    現(xiàn)代沖壓技術(shù)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控以保護(hù)沖壓件的質(zhì)量。在亞毫米沖壓項(xiàng)目的自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)控中，其研究成果就包括有：1.沖壓過(guò)程的特征分析在線傳診斷和檢測(cè)系統(tǒng)；2.高速和非接觸的沖壓件測(cè)量系統(tǒng)；3.沖模維護(hù)的科學(xué)預(yù)測(cè)系統(tǒng)；4.沖壓成形關(guān)鍵參數(shù)的在線調(diào)節(jié)和補(bǔ)償系統(tǒng)等。
    沖壓過(guò)程引起工件質(zhì)量發(fā)生變化的原因主要有凹凸沖模的磨損、裂紋及沖模錯(cuò)位等，這些微小變化可由高分辯率的位移轉(zhuǎn)感器和沖壓力轉(zhuǎn)感器進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。其中位移測(cè)量是極重要的一種測(cè)量，該裝置通常由安裝在模具上方的關(guān)源和位于下方的接收單元構(gòu)成，可監(jiān)視偏差、跟蹤加工全過(guò)程、及時(shí)輸出監(jiān)測(cè)信息和進(jìn)行報(bào)警停機(jī)。
    一種在線沖壓的圖形處理系統(tǒng)，是保證沖壓工件質(zhì)量的有效測(cè)試方法，它能進(jìn)行二維幾何圖形的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，其項(xiàng)目有長(zhǎng)度、直徑、平行度、角位、沖壓板材結(jié)構(gòu)及識(shí)別廢品等。圖形處理系統(tǒng)是由象儀、光學(xué)儀和照明裝置等組成，標(biāo)準(zhǔn)的CCD象儀的珊格分辯率為750X580條珊格，水平方向每珊格為0.026mm，垂直方向精度為0.009mm/珊格。
    監(jiān)視系統(tǒng)使用的位移及角度傳感器有光學(xué)式及電學(xué)式二種，前者有激光測(cè)試技術(shù)和模似光珊技術(shù)支持；后者有電感流式及介質(zhì)電容式，它們的測(cè)試精度分辯率都可達(dá)到1-10um級(jí)的水平。最適用沖壓技術(shù)的轉(zhuǎn)感器安裝方案是把多種轉(zhuǎn)感器集中裝于一塊傳感器板上，再把它精確地固定在模具接口處，即沖頭夾緊板上，利用傳感數(shù)據(jù)監(jiān)控沖壓全過(guò)程，并通過(guò)控制器得到及時(shí)處理，保證沖壓件的質(zhì)量。