我国冷冲模发展现状及发展建议

2010-04-03中国模协技术委员会林建平执笔

电加工与模具 2010年1期

中国模协技术委员会林建平(执笔)

1 冷冲压模具发展现状及发展建议

1.1 发展现状

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、复杂精密多功能冲压模具等,其中精密多工位级进模占居主流产品地位,占有绝大多数比例的模具市场。而先进的精密多工位级进模主要包括电机铁芯片级进模、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、家电零件级进模等模具类别。其制件覆盖了电子、通讯、汽车、机械、电机电器、仪器仪表和家电等领域产品。

随着国内市场产品档次的提升,近些年,先进多工位与多功能冲压模具的总体技术水平提升,特别是产量最大的精密多工位级进模的技术水平、制造精度、使用寿命和制造周期等性能指标方面均有了明显进步,相当一部分高档优质模具的总体水平已达到或接近国际同类模具水平。不仅替代进口,一部分模具还出口到工业发达国家和地区。另外,多工位冲压传递模具基本达到国外同类水平。

如电机铁芯自动片级进冲模制造精度达1μm、步距精度达 3μm、拼块精度 1μm 、回转精度 1′,表面粗糙度Ra0.1～0.4μm。模具在高速冲床上使用,具有自动冲压、片、扭槽、分组、回转等功能,自动叠片铁芯组合的厚度可达到100mm以上,铁芯组合的外径可达200mm左右,模具使用寿命2亿冲次以上。

空调器翅片级进冲模制造精度达2μm,模具的冲裁间隙 10μm,多步进距,高速冲压,含引伸、冲孔、翻边、冲百叶窗、异形切、边切、纵切、横切等工位。刃口备件可互换,模具使用寿命3亿冲次(国外5亿冲次)。

作为半导体和集成电路的载体引线框架,引线的脚数多(100条以上)、尺寸小、精度高、形状复杂,冲出的制品在镀镍处要求无毛刺。其级进冲模制造精度达2μm,引线的脚数接近 100条,最小间距尺寸为0.13mm,易损备件可互换,高速冲压,寿命5千万冲次以上(国外1亿冲次),制造周期3个月,价格为同类进口模具的1/3～1/2。

彩管电子枪零件,冲制材料0.245mm厚的无磁不锈钢片带料,经自动冲压形成G5底零件,精度达到0.01mm内,变薄拉深的孔径形位公差0.02mm内,制品外形品质要求零缺陷。其级进模含有冲切、拉深、压筋、切边、翻孔、变薄拉深、整形、精冲小孔等工位,制造精度达2μm,高速冲压,备件可互换,模具使用寿命3千万冲次以上。国外同类模具寿命5千万冲次以上,并有二种不同材料一副模具冲压的复合功能先进模具结构。

接插件形状及其复杂,精度高,成形的一致性要求达0.02mm,其级进模工位数多达几十步,高速冲压,模具制造精度达 2μm,步距精度达3μ m,模具使用寿命2亿冲次,制造周期1.5个月,价格为国外同类模具的1/2。

汽车零件级进模是近几年出现的特大型级进冲模,重量20 t左右,包含切口、拉深、弯曲、成形、整形、冲孔等多种工序,制品形状复杂,曲面深度起伏大,精度要求高,材料厚,强度高。国内该类模具进步很快,成形精度迅速提高,模具结构新颖,部分模具寿命100万冲次以上。

对比国外先进多工位与多功能冲压模具,国内模具行业整体水平不高,还存在诸多问题,主要有:设计制造的专业化和精细化不够,企业缺少代表核心竞争力的模具核心技术的积淀,对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还未掌握其关键技术,对多功能复合模具还涉及不多,模具材料、标准件、热处理工艺、表面处理工艺以及试模技术还不能跟上发展要求,以及模具使用的可靠性和部分技术指标稳定性不够等。另外,目前模具设计制造中的软件、关键设备主要依赖进口。这些问题的解决将是“十二五”发展的主要方向。

1.2 与国际先进水平的主要差距

近年来,我国先进多工位与多功能冲压模具水平发展较快,模具制造的高精度CNC加工设备已普及,模具制造装备水平已达到国际先进水平,模具设计制造水平有了很大的提高,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。但是与国外先进冲压模具水平相比,仍存在一定的差距,主要在以下几个方面。

(1)模具设计制造技术方面

通过多年的引进消化吸收以及模仿创新,我国的多工位与多功能冲压模具设计水平进步显著,制造水平提升明显。但与国际水平相比,差距还是明显的。主要体现在:国际先进模具企业已经把每一副模具设计精巧,每一个零件制造精良,质量稳定可靠。国内模具设计制造还是把模具作为普通工业产品设计制造,加上以模仿为主,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水平。达到甚至超越国际先进水平还缺乏相关设计和制造的基础技术的支撑。

(2)模具寿命方面

由于模具材料、热处理技术以及制造装配技术等影响,我国冷冲模模具寿命水平普遍较国际先进水平低,差距在30%～50%。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以及提高了模具维护成本,进而影响国内模具的市场竞争力。

(3)模具的试模技术与模具的可靠性和稳定性方面

试模是模具设计制造完成后对模具的一个综合试验、评估和调整,是模具设计制造问题的集中暴露过程,它也是冲压模模具设计、制造以及专业人员水平的综合反映。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。由于国内缺乏对多工位与多功能冲模的设计、制造工艺中的隐性知识和技术积累的深入挖掘,与国际先进模具企业相比,国内多工位与多功能冲模的试模、模具使用中的调整和维修时间多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,国内在模具的试模技术与模具的可靠性和稳定性的差距是显而易见的。

(4)模具的基础技术与支持方面

模具设计制造是一项实践性很强的专门技术,长期以来,国内对模具设计和制造的实践性非常重视,而对冲压模模具基础理论和技术研究重视则不够,使模具设计和制造的基础理论和技术发展缓慢。加上国内冲压模具企业的专业分工还不够细化,小而全、大而全的模具企业还占主导地位,企业的核心技术竞争力难以形成,企业自有技术以及创新能力远远落后于国外先进模具企业。另外,模具材料、标准件等模具基础零部件技术水平的差异,直接影响了国内多工位与多功能冲模的整体技术水平。因此,在多工位与多功能冲模模具的基础技术与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

国外冲压模具已从常规的单副级进冲模向多功能模具、生产线配套模具工装、特大型级进模以及微细零件冲压成形模具方向发展,而国内企业大多数重点放在常规的单副级进冲模系列化和产业化方面,对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还未掌握其关键技术,对多功能复合模具还涉及不多,必需支持国内新型模具及其拓展技术研究,为赶超国际先进水平打下基础。

(6)模具制造关键设备方面

多工位与多功能冲压模具的制造关键设备目前几乎全部依赖进口,近几年,虽然国内的模具制造装备如电火花线切割机床、电火花成形机床的水平已提升很快,但还不能满足国内的模具制造需要,关键制造设备如光学曲面磨床、成形工具磨床、低速走丝电火花切割机床等还依赖进口,影响了多工位与多功能冲压模具的整体制造水平。

(7)基础零部件和配套件技术方面

多工位与多功能模具的基础零部件和配套件是模具整体快速发展的基础条件,而国内由于热处理、材料、标准件等模具基础零部件和配套件技术质量水平的不足,高档模具的基础零部件和配套件主要还是依赖进口。甚至起吊螺丝也需要进口,国内急需提升基础零部件和配套件的技术和质量水平。

1.3 发展目标和主要任务

综合我国目前冲压模具发展与问题,可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,虽然模具设备硬件水平已达到国际先进水平,而在模具设计技术、制造工艺技术以及冲压基础理论等方面还有相当的差距,还需要做深入细致的研究工作。因此,多工位与多功能冲压模具“十二五”的发展目标和主要任务是:推进模具企业的专业化分工,大力开展模具设计技术、制造工艺技术及其基础理论等研究和开发工作,自主创新,努力提高达到国际先进水平多工位与多功能冲模的比例(主要类型的级进模技术水平基本达到国际先进水平)和种类,为在下一个五年计划中我国多工位与多功能冲模的整体技术水平追上世界先进水平打好基础。

1.4 发展重点和重大课题

今后多工位与多功能冲模发展重点主要是在保持电机铁芯自动片级进冲模、半导体和集成电路的载体引线框架级进模、接插件级进模等高水平模具发展的同时,积极发展其它类型的多工位级进冲模与多功能冲模,注重发展大型汽车零部件级进冲模以及多功能一体复合冲压模具、微小零件冲压模、特殊板材的冲压模等微特冲压模具及其技术,整体提升多工位与多功能冲模的水平。

(1)先进级进模设计理论、成形机理与技术的系统研究

目前,冷冲模的模具设计理论、成形机理和技术发展落后于我国冷冲压模具设计需求,特别是先进级进冲模设计理论与技术存在理论陈旧、体系不全、技术凌乱等问题,已直接影响了级进模技术水平的进一步提升,实现主要类型级进模技术水平基本达到国际先进水平必需建立完善的、先进的级进模设计理论与技术体系,以适应级进模技术水平的发展需要,从而带动冷冲模设计理论与技术的发展。

(2)级进模先进制造工艺及其关键技术研究

制造工艺与技术是模具制造的基本保障,造成我国与国际先进水平级进模水平差距的主要原因之一就是我国模具企业制造工艺与技术“KNOW HOW”的缺乏,必需研究模具制造中的先进制造工艺、新技术,构建我国级进冲模制造工艺和技术体系,为主流级进模技术水平基本达到国际先进水平提供保障。

(3)冲压模模具信息化的新技术研究

冲压模具的信息化一直是发展的方向,除了继续发展数据库、专家智能库等设计和制造过程信息化技术外,要特别关注冷冲模产品本身的信息化,使其向集电子、控制、机械、模具一体化的专用工艺装备方向发展。

(4)高精特级进冲模及其关键技术研究

汽车零件的特大型级进冲模、微(纳)型零件的特小型模具、冲压速度达到1000次/min以上的高速冲压型模具及其关键技术是国内模具发展的新动向,也是冷冲模的国际发展前沿,发展高精特级进冲模及其关键技术对提升我国冷冲模技术水平、保持在这些领域与国际先进技术水平同步发展有重要的意义。

(5)特种有色金属冲压模具及其关键技术研究

随着我国制造业产业结构的转型,航空航天技术、轿车轻量化以及新材料的广泛应用,特种有色金属冲压模具的需求越来越多,而由于特种有色金属材料冲压成形特性的差异,这给传统的冷冲压模具和技术带来挑战,需要尽快发展特种有色金属冲压模具及其关键技术,为我国制造业新兴产业的发展提供支撑。

(6)多功能一体复合冲压模具设计制造关键技术研究

国际先进的多功能一体复合冲压模具已经从单一金属复合功能发展到多种材料和多种工艺的复合,是国际先进成形技术、净形制造技术的前沿发展技术,而我国还处于技术发展的初期,要大力发展多功能一体复合冲压模具设计制造关键技术,追赶国际先进水平。

(7)面向生产线的系统模具与工装及其关键技术研究

随着大规模生产的普及,对与生产线配套的模具和工装有了更高的要求,更加强调对生产线柔性的适应性,模具和工艺装备的界限更模糊,机械与模具的复合、机械控制与模具的配合要求更高,是一个新兴的模具前沿拓展技术,也是今后模具发展的重要方向之一。

(8)缩短试模周期的冲压模设计制造关键技术

缩短试模周期和无试模的冲压模是近年国际上模具发展的前沿方向之一,也是模具行业长期追求的目标。研究缩短试模周期的冲压模设计制造关键技术就是为了探索缩短试模周期的冲压模的方法和途径,研究无试模冲压模设计制造的关键技术,为今后10年的无试模冲压模设计制造提供技术支持。

2 精密冲裁模具发展现状及发展建议

2.1 发展现状

精冲技术自20世纪20年代在欧洲发明以来,已经历了80多年的历程,是厚板制造领域最重要的精密塑性成形方式之一,是经济生产大批量、高质量、多功能黑色金属和有色金属零件的技术含量高、经济效益佳的方法。精冲压力机完成一次冲压过程,通过在专用精冲模具的加工,就会制造出一件或多件精度高,可直接用于装配的成形零件。已广泛应用于电子、计算机、电力、家电、汽车、航空等领域。据不完全统计,目前全世界已有40个国家采用精冲技术,共有精冲机4300～4500台,生产零件约10000种。如一辆汽车(轿车)上就有约包括变速箱拨叉、座椅及安全带调角器、行星齿轮、刹车蹄片、钢背等近100种精冲零件。我国精冲模具技术在“十一五”期间取得了长足的进步,并在精冲工艺、材料、精冲压力机、模架、模具、润滑等方面取得了一系列的科研成果。截至2008年末,我国有近20个省市拥有专业精冲生产设备,共有精冲压力机80多台(不含液压模架),精冲从业人员超过5000人,生产1500～2000种精冲件,并已形成了若干个自主精冲模具开发示范基地。金属材料从有色金属冲裁扩展到黑色金属的冲裁。低碳钢、低合金钢和不锈钢的冲裁厚度达到12mm;有色金属如铝合金和铜合金的冲裁厚度达到18mm;随着模具材料、处理方法的进步以及被冲板材球化处理工艺的完善与普及,一些较硬的高碳钢和高合金钢以及其他低韧性的材料诸如镍基或钴基合金材料等也开始用于生产精冲零件。另外,自主开发的级进复合精冲模、传递模、模块化模具在国内精冲模具中的比例显著提高,特别是面向汽车传动系统的复杂零件的级进复合精冲模基本实现国产化。针对精冲成形过程的有限元数值仿真技术、精冲模具结构优化技术、精冲模具智能设计与知识库技术等的研究、开发与应用,提升和充实了我国精冲模具的技术内涵。但是,目前精冲模生产普遍存在企业规模小、资源分散、生产效率低、人才短缺、配套不全等问题。虽然在精冲模具方面具备了一定的开发能力,但在复杂精冲模具特别是精冲复合成形模具的开发方面仍缺乏经验,进口模具依然占有较大比重。

总的来说,与先进国家(如瑞士)相比,我国精冲技术在制造业中还普及不够,模具的系统设计制造技术和理论、精冲相关的配套设备、精冲油、工艺与测量装备等与国外相差很大,是我国需大力发展的模具技术。

2.2 与国际先进水平的主要差距

(1)精冲模具寿命方面

目前国内精密冲裁模具的主要差距是寿命低。先进国家精冲模具的一次刃磨寿命一般钢板材料都在4万次以上,模具总寿命几十万次以上。国内则只有国外的50%。影响模具寿命的突出问题是模具材料和热处理质量,目前的精冲模由于进口模具钢的价格太贵,在产量不很大的情况下,多数仍采用国产模具钢。而国产模具钢的材质不好,加上锻造和热处理等工艺控制和质量不稳定导致整体模具寿命的差异很大。

(2)精冲材料方面

精冲材料是精冲技术的核心要素之一,精冲材料要求材质均匀、硬度适中,为达到这一目的,精冲前都要进行球化退火,球化率要达到95%以上;而国内的大部分材料很难达到要求,进行球化退火的球化率也只能达到50%～90%。对于模具材料,目前在冲切方面基本可达到精冲要求,但对挤压成形,模具材料的高强度、高韧性不能同时满足要求。国产精冲金属板材料的性能(化学成分、力学性能)和公差等都差于进口材料,另外,由于生产批量要求的材料采购量达不到钢厂要求的“最小批量”因而不得不以高价和长期从国外进口原材料。导致精冲件成本上升,迫使许多企业用普通金属板或简易精冲来替代精冲产品,影响了精冲产品的市场发展。此外,国外先进国家精冲材料的研究已经从普通材料向高强度精冲材料发展,抗拉强度达到900 N/mm2高硬度材料的精冲已经成为可能。

(3)精冲模具设计方面

为了提高生产效率,国际上连续精冲模已占主导地位,达70%以上,生产效率已高达100件/min,精冲件的质量达到百万零缺陷。国内目前已具备了一定的精冲模具设计开发能力。但是,目前国内精冲行业在复杂精冲模具,特别是精冲复合成形模具的设计开发方面仍缺乏经验,有些企业对某些特定产品具备了一定的技术积累,但总体上与国外先进水平仍有较大的差距。国内自配率不足80%,其中中低档模具供过于求,中高档模具自配率不足60%。另外,与国外相比较,国内的模具寿命普遍较低,一般为国外的1/3。原因涉及精冲模具设计、精冲材料、精冲模具材料、精冲模具制造精度、精冲机精度、润滑油、精冲制造工艺的系统性等,差距明显。

(4)精冲模具的制造方面

精冲模的制造工艺研究国际上已积累了大量的专有技术,特别是百年老厂,技术积累已达到了专家级水平。而国内在精冲模专有技术方面积累很少,还有很长的路要走。另外,精冲模模具表面质量对模具的工作性能和使用寿命至关重要,特别是高档轿车驱动及变速系统的复杂、高精度精冲零件的模具,国内在模具型腔的表面处理技术方面已经开始关注,但这方面的技术与国外先进国家还有明显的差距。

(5)模具设计冲压分析能力方面

国外针对精冲成形过程的有限元数值仿真技术、精冲模具受力分析仿真模拟校核技术的研究已达到较高水平,并已应用于精冲模具的设计校核与设计验证,优化模具结构等。国内虽然部分高校和科研院所已在这方面开展了基础研究工作,但在这些技术的应用研究方面,还存在一定的差距。

(6)基础研究队伍方面

自精冲技术问世以来,精冲始终以其独特的塑性成形方式吸引着学者的目光。目前部分高校和科研院所保持较全面、深入的精冲工艺与模具技术研究工作,但与国际先进水平相比仍有不小的距离。在国际上,瑞士FEINTOOL公司倡导的精冲研究大学联盟联合了5家科研机构,即瑞士联邦苏黎士理工学院虚拟制造技术研究所(ETH Zurich)、德国亚琛工业大学机床研究所(RWTH Aachen)、德国慕尼黑工业大学金属成形与铸造研究所(TU Munich)、美国俄亥俄州立大学(OSU)、中国上海交通大学,是目前国际上较活跃的精冲技术学术研究团队。

(7)模具标准化方面

国际上常见的精冲模具相关标准是德国工程师协会标准VDI 3345(Feinschneiden)。国外精冲龙头企业,如瑞士法因图尔(FEINTOOL)公司(VDI 3345主要制定单位)在VDI 3345基础上形成了企业标准,并部分公开。目前我国主要精冲企业主要根据VDI 3345和瑞士法因图尔公司企业标准制定了相关企业标准。为提升我国精冲模具行业的整体能级,促进行业规范发展,在综合国际通行精冲模具标准和我国精冲模具行业发展实际的情况下,制定我国精冲模具国家或行业标准显得尤为重要。

(8)精冲设备方面

国外精冲设备与精冲技术同步发展了几百年,特别是瑞士Finetool公司,一直处在精冲行业前沿,其精冲设备、技术及附属工艺配件、精冲油等水平居世界领先。近年来,日本精冲设备也已逐步兴起,占据了很大一部分精冲设备的中端市场。我国在这方面几乎还是空白。

2.3 发展目标和主要任务

我国“十二五”精冲模具的发展目标是面向国内精冲零件市场的需求,从连续精冲模设计制造入手,提升精冲模具行业规模,持续扩大制造能力,在提高复杂精冲模具自主开发能力、数字化精冲模具研究水平、精冲模具材料开发与合理应用以及精冲模具表面处理技术等方面取得明显进步,努力提高企业的精冲模技术水平,缩小与国际先进水平的差距,国内精冲零件获得较广泛的应用。