精沖技術在節(jié)能減排中的應用

文/趙彥啟·北京機電研究所

精沖技術在節(jié)能減排中的應用

文/趙彥啟·北京機電研究所

精沖技術簡介

精沖是一種塑性加工少無切削新工藝，是在普通沖裁的基礎上為了克服剪切面粗糙、精度低而發(fā)展起來的。精密沖裁和其他沖壓工序一樣具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、能量消耗小、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品重量輕、強度和剛度好、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因而被廣泛采用。用普通沖裁方法所獲得沖裁件尺寸精度一般都比較低，剪切面質量不好，只有1/3為光亮帶，其余則是粗糙的撕裂面，并且微有斜度，適合于加工一些尺寸精度及質量要求不高零件。當零件的尺寸精度、剪切面質量和幾何質量（垂直度）都要求很高時，僅采用普通沖裁方法則不能滿足，只有把工件再進行后續(xù)加工才能達到要求，加工工藝繁瑣復雜，零件成本高、周期長。而采用精沖工藝，在一次行程中就能生產(chǎn)出沿整個料厚都光潔的剪切面工件，光潔度可達到磨削水平，對于復雜形狀的齒形零件尤為明顯，從而大大節(jié)省了加工工時和電能消耗，降低了成本。而且零件的互換性更好，提高了工件的質量。

精沖技術已廣泛應用于汽車、摩托車、拖拉機、儀器儀表、家電、建筑門窗、運輸機械、起重機械、輕工機械、飛機和航天器等制造部門，替代了許多鑄鍛件、機械加工件和普通沖壓件，大大降低了能耗和制造成本，提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性。目前，生產(chǎn)出的精沖件質量可達到的技術指標，包括剪切面粗糙度Ra為0.4～0.8μm，尺寸精度IT7，精沖模具一次刃磨壽命達到4萬次，總壽命達到50萬次。

精沖技術的特點

圖1精沖模具

精沖是材料在三向壓應力作用下抑制了沖裁過程中產(chǎn)生的裂紋，通過塑性流動使材料發(fā)生分離。精沖工藝要求具有三種力（沖裁力、壓邊力和反壓力）同時作用于模具不同的部位上。精沖時被沖材料是在壓邊圈和反壓板的夾持下，結合凸模和凹模之間的小間隙（一般只有材料厚度的0.5％～1％），使材料在沖裁過程中始終保持與沖裁方向垂直，將材料緊緊地壓在模具之間，防止翹曲形成拉應力而導致脆性斷裂，從而構成了塑性剪切的條件。

精密沖裁必須使用專用的精沖壓力機與特殊精沖模具。圖1為精沖模具的外觀照片。

國外精沖技術發(fā)展情況

目前，精沖技術最發(fā)達的國家是瑞士、德國和日本，共計有10多個制造精沖壓力機的廠家，世界上精沖壓力機累計有3000多臺，精沖件產(chǎn)品約有8000多種。瑞士的Feintool公司、Schmid公司、德國的SMG公司和日本的森鐵工等是精沖壓力機的主要生產(chǎn)廠家。其中，F(xiàn)eintool公司又是最大的跨國公司，在許多國家擁有精沖件生產(chǎn)開發(fā)基地。日本的山本制作所是專業(yè)生產(chǎn)精沖件的公司，擁有近20臺精沖壓力機，在日本的精沖件市場上占據(jù)相當大的份額，精沖技術在國外應用已經(jīng)相當成熟。

在國內(nèi)精沖起步較晚，應用還不是很廣泛，主要是由于精沖的技術含量相當高，人們對精沖工藝和模具設計技術的掌握不夠，精沖模具的制造精度不高，缺乏專用壓力機以及原材料不合適等諸多因素，阻礙了精沖技術的推廣。但隨著汽車、摩托車等工業(yè)的發(fā)展，對精沖件的需求越來越大。

表1汽車齒輪加工工藝比較

精沖技術節(jié)能減排效果分析

對于復雜齒形類零件，傳統(tǒng)的做法是采用普通沖壓結合機械加工的方法，如插齒、剃齒、滾齒等，加工效率低，而且零件的互換性較差，很難保證零件的尺寸精度和表面粗糙度，影響零件的質量和產(chǎn)品的性能。現(xiàn)在，采用精沖新工藝、新技術，可以大大提高零件的尺寸精度，產(chǎn)品的一致性好，產(chǎn)品設計要求的剪切工作面的表面粗糙度可以達到磨床磨削的水平，生產(chǎn)效率也顯著提高。

下面以兩個齒形零件為例，介紹精沖技術的節(jié)能效果：

⑴摩托車鏈輪。摩托車鏈輪加工工藝傳統(tǒng)法加工，需要9道工序，共需要9名操作工人，平均耗電1.5kW。用精沖法加工，僅需3道工序，3名工人操作，平均耗電0.3kW。

⑵汽車齒輪。汽車齒輪（圖2）零件加工可以采用傳統(tǒng)的普通沖壓和機加工的方法，也可以采用精沖方法。表1列出了二種不同方法的工時和電能消耗，精沖齒輪與普通加工方法相比，生產(chǎn)效率提高了15倍，電力消耗僅為1/6。

圖2汽車齒輪零件

除帶有齒形類的復雜零件以外，幾乎所有精沖件加工都比傳統(tǒng)加工方法效率高，并且節(jié)約電能。

精沖零件在汽車行業(yè)中的應用

精沖零件主要用于乘用車，每輛轎車采用100個以上，十一五期間國內(nèi)需求超過三十億個。其中70％靠進口，出口量很少，幾乎可以忽略。精沖零件加工企業(yè)主要集中在北京、武漢，成規(guī)模的超過6家，2009年精沖零件產(chǎn)值約6億元人民幣。

精沖主要用于加工變速箱操縱機構、座椅調節(jié)機構、門鎖機構等典型精沖件，目前主要為中低檔轎車配套，如比亞迪、奔騰、奇瑞、吉利等自主品牌車型以及大眾、福特、雪鐵龍等合資品牌中的中低端車型。大量高端車型依然采用進口零部件。

目前國內(nèi)加工企業(yè)過于分散，企業(yè)規(guī)模小，成本相對較高、效益低。主要原因如下：

⑴精沖零件用原材料規(guī)格品種不全、厚度公差大、金相組織不佳。發(fā)達國家有專用的精沖材料，專業(yè)化的材料生產(chǎn)企業(yè)。

⑵專業(yè)技術人員數(shù)量少，技能較差。

⑶精沖模具與設備制造能力較差，高性能設備及復雜模具需要進口。

⑷投資較少。

由于精沖是一項涉及多種技術的先進制造工藝，為了降低成本，提高生產(chǎn)率，精沖生產(chǎn)需要較大規(guī)模的產(chǎn)量才能獲得較好的技術經(jīng)濟效果。因此，從長遠來看，國內(nèi)精沖生產(chǎn)企業(yè)將逐漸規(guī)?；?。

精沖技術在其他行業(yè)中的應用

目前，非汽車精沖零件比重在持續(xù)上升。盡管現(xiàn)在國內(nèi)精沖產(chǎn)品主要以汽車零件為主，但由于精沖件的優(yōu)越性能，電子、計算機、電力、家電等電器領域對精沖技術的需求也會越來越強烈。

由于國家對重大裝備、軍工、航空等領域將加大投入，這些領域將會對性能優(yōu)異的精沖件有巨大需求。因此，精沖件會向尺寸大型化發(fā)展，超過1000t的大型精沖機不久將在國內(nèi)獲得使用。

隨著精沖市場的不斷擴大及各鋼廠和鋼材供應商面臨著從做大到做強的生產(chǎn)轉型要求，將進一步加大對各種精沖材料的研發(fā)與生產(chǎn)。因此，未來國產(chǎn)材料將基本上都能滿足國內(nèi)精沖企業(yè)日益增長的需求。由于非汽車零件需求的快速增長，如銅、鋁等非鋼材料精沖件的生產(chǎn)比例也將穩(wěn)步提高。

結束語

根據(jù)目前我國精沖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，得出以下結論：

⑴精沖工藝應用范圍廣，從汽車、摩托車到軍工行業(yè)，均普遍采用。

⑵精沖件質量顯著優(yōu)于普通沖裁件，通常直接用于裝配，不需要或少許進行后續(xù)加工。

⑶與傳統(tǒng)工藝相比，可提高工效幾倍至幾十倍，電力消耗降低70％以上。

⑷汽車行業(yè)是精沖工藝應用大戶，而我國是汽車制造大國，精沖技術的需求潛力巨大。

⑸我國目前精沖技術水平相對落后，急需加大投資盡快發(fā)展。