國內先進沖床制造技術的發(fā)展趨勢

文/秦劍，鹿新建，柯尊芒·江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司

國內先進沖床制造技術的發(fā)展趨勢

文/秦劍，鹿新建，柯尊芒·江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司

近幾年由于沖床下游產業(yè)技術進步的拉動，加之沖床行業(yè)內部激烈的市場競爭推動，沖床的制造技術呈現出大型化、專機化、智能化、模塊化和集成化等五個方向的發(fā)展趨勢。

沖床的大型化發(fā)展趨勢

模具是汽車工業(yè)的基礎工藝裝備，在汽車生產中90%以上的零部件都需要依靠模具成形。制造一輛普通轎車約需1500套模具，其中沖壓模具約占1000余套。模具行業(yè)的技術進步，帶動了沖床的大型化發(fā)展趨勢。

寬工作臺面趨勢

隨著汽車沖壓件生產高效化和自動化的發(fā)展及人力成本的上升，汽車零件的生產由單工序模向級進模方向發(fā)展的趨勢愈發(fā)明顯（圖1），對沖床的工作臺面和沖壓噸位的需求越來越大，因此加大工作臺面已成為機械壓力機的發(fā)展方向之一。

大裝模高度趨勢

隨著二次元、三次元機械手和機器人在沖壓線上的應用越來越多（圖2），對沖床的裝模高度和喉深尺寸提出了更高的要求，以保證機械手可靈活進入模具區(qū)域。大裝模高度的沖床原先僅為客戶特殊需求而做，現在慢慢成了標準配置規(guī)格。

圖1 大型汽車沖壓件級進模

圖2 沖壓機器人生產線

沖床的專機化發(fā)展趨勢

近兩年受益于汽車行業(yè)的大幅拉動，鍛壓機床行業(yè)發(fā)展平穩(wěn)，但市場競爭激烈。由于國內廠家沖床產品多為同質化競爭，價格接近透明，利潤空間受到極大壓縮，企業(yè)要生存，一是選擇規(guī)模經濟模式，走擴張之路，二是選擇藍海戰(zhàn)略，走差異化經營之路，即做專機生產線。隨著國家經濟增速放緩，目前選擇做專機生產線的廠家越來越多，沖床機型由通用化向專機化發(fā)展的趨勢也愈發(fā)明顯。

傳統(tǒng)專機生產線的豐富和發(fā)展

⑴換熱器零件生產線的擴展。

國內一家沖床制造商專業(yè)從事成套換熱器裝備生產線的研發(fā)，主營業(yè)務為空調翅片高速沖、芯體組裝機、翅片芯裝一體機、扁管校直切斷生產線、真空箱式氦檢漏裝置、脹管機、全自動長U彎管機、小U彎管機、數控三維彎管機、數控換熱器折彎機、盤管校直切割機等整套換熱器生產設備。近期，又根據市場需求開發(fā)了板鏈式脹管機和數控臥式脹管機等，真正實現了為用戶提供交鑰匙工程。

⑵工業(yè)電機定轉子沖壓線的延伸。

隨著國內微電機定轉子高速沖市場趨于飽和，部分企業(yè)轉向開發(fā)大尺寸工業(yè)電機定轉子（沖片直徑260～800mm）快速沖壓設備（圖3）。與傳統(tǒng)的單工序沖壓相比，快速沖可將原先的4～5個沖壓工序集中在一套模具上，極大地提高了生產效率。

⑶多機連線機械手的廣泛應用。

圖3 工業(yè)電機定轉子生產用快速沖床

近兩年，多機連線機械手在沖壓行業(yè)得到了廣泛的應用，借助于該平臺，許多生產線應運而生，像電視機背板生產線、電飯鍋生產線、腳輪生產線等等。

⑷新型沖壓生產線的開發(fā)。

為提高生產效率，不少新型沖壓生產線應客戶需求而開發(fā)出來，如微電機定轉子“S”形開料生產線、汽車剎車片鋼背生產線（圖4）、濾清器生產線、家電殼體生產線（圖5）和電池殼體沖壓線等，不勝枚舉。

圖4 汽車剎車片鋼背生產線

圖5 家電殼體生產線

新興制造領域沖床專機生產線的研制和應用

汽車輕量化，是現代汽車工業(yè)技術發(fā)展的方向，而采用高強鋼板，是實現汽車輕量化的主要途徑之一。高強鋼板的屈服強度、抗拉強度比低碳鋼板高得多，而硬化指數值和各向異性指數值卻比較低，因此高強鋼的成形性能比低碳鋼板差，成形極限比低碳鋼板小，要保證高強鋼板的沖壓質量，不僅要避免破裂和起皺問題，更重要的是想辦法解決回彈問題，以保證零件的形狀和尺寸精度。表1為高強鋼板和低碳鋼板性能比較。

高強鋼成形根據沖壓件變形復雜程度，分為冷成形和熱成形，冷熱成形工藝的選擇主要依據沖壓件的成形極限；相應地，伺服壓力機根據冷熱成形工藝的不同，也分為冷、熱沖兩大類。熱成形直接成形工藝，是指板料加熱到奧氏體化溫度保溫一段時間后，直接放到具有冷卻系統(tǒng)的模具里進行成形及淬火。熱成形直接成形工藝的優(yōu)點如下：1）板料在一套模具中進行成形及淬火，節(jié)省了預成形模具費用并加快了生產節(jié)奏；2）板料加熱前為平板料，這樣不僅節(jié)省了加熱區(qū)面積節(jié)省能源，而且可以選取多種加熱方式，例如采取感應加熱爐加熱。熱成形直接成形工藝的缺點包括：復雜形狀的車內零部件成形困難，且模具冷卻系統(tǒng)的設計更為復雜，以及需要增加切型激光切割設備等。汽車用熱成形高強度鋼板，目前應用較廣的為含硼合金鋼，此硼鋼經熱成形后屈服強度要達到900MPa以上，抗拉強度要達到1500MPa，伸長率要超過6%，硬度達到45HRC以上。

伺服壓力機因可根據沖壓工藝曲線設計需要方便調整的特點，能更好地滿足高強鋼成形工藝，因此市場前景較好。目前，歐、美、日等各大汽車生產廠商，已成功地將高強度鋼熱成形技術應用到汽車構件的生產中，經濟效益顯著，有效地提高了市場競爭力，日本高強鋼冷熱成形伺服壓力機，如圖6所示。

近兩年，高強鋼熱成形沖壓線的研制在國內逐漸展開，在制造技術方面呈現出兩種發(fā)展趨勢，一種是以油壓機作主機的高強鋼熱成形生產線，如圖7所示；另一種是與國際技術水平同步，以機械伺服壓力機作主機的高強鋼熱成形生產線，如圖8所示。

表1 高強鋼板和低碳鋼板性能比較

圖7 以油壓機作主機的高強鋼熱成形生產線

圖8 以機械伺服壓力機作主機的高強鋼熱成形生產線

圖9 快速換模系統(tǒng)

沖床的復合技術和智能制造發(fā)展趨勢

隨著社會的進步，像汽車、家電等許多商品的個性化需求已成主流。對應地，沖壓件由大批量生產模式向多品種、小批量方式轉變，也漸成趨勢。沖壓件的多品種、小批量生產模式，意味著模具更換頻次的大幅增加、沖床調整時間的增多，原本可忽略不計的換模時間，現在已變成沖壓件廠商生產成本的重要組成部分。

為壓縮換模時間、降低成本，新型快速換模裝置應時而生，如圖9所示。新型快速換模裝置，除了包括傳統(tǒng)的移模臂導軌和自動夾緊裝置外，還包含噸位檢測儀、滑塊下死點檢測儀、滑塊封閉高度伺服電機調整機構，以及具有儲存多套模具數據的PLC控制系統(tǒng)等。該系統(tǒng)的工作原理是：準備上模具時，先在PLC控制系統(tǒng)中輸入模具號，系統(tǒng)自動啟動滑塊封閉高度調整伺服電機，將裝模高度調整至設定位置；接下來，人工將模具吊放到移模臂導軌上，升起液壓滾柱后，將模具推到沖床工作臺上規(guī)定位置；最后，按下按鈕，系統(tǒng)自動調整滑塊高度，完成模具自動夾緊?；瑝K下死點檢測儀的作用，是反饋滑塊實際位置與滑塊伺服電機形成閉環(huán)控制；應變式噸位檢測儀的作用，是起保護作用，即當滑塊封閉高度調整有問題、沖壓超載時，噸位檢測儀發(fā)出反饋信號，控制機床緊急停機。應用該系統(tǒng)后，換模時間可縮短到人工換模時間的1/3以內。

沖床的模塊化、標準化制造技術發(fā)展趨勢

通用壓力機，如高性能壓力機、大型閉式壓力機等，原作為機床非主要件的平衡缸、液壓過載泵、潤滑泵站、控制柜等，多數主機生產廠都是通過外購解決。現在許多沖床的主要零部件，比如離合制動器、曲軸、調節(jié)螺桿、蝸輪箱、滑塊部件等，許多廠商也都委托專業(yè)生產廠制作，專業(yè)生產廠家為了降本，往往建議沖床廠商將個性化零件向通用化改進，結果促成了部分零部件向?；瘔K、標準化趨勢發(fā)展。據了解，目前一些齒輪專業(yè)生產廠家，也開始介入沖床行業(yè)，下一步沖床上所用的齒輪軸、大齒輪也會逐漸標準化。按此趨勢發(fā)展下去，以后主機廠僅需設計制作機身等幾個主要零部件，其余均可從市場外購獲得。

沖床的集成化制造技術發(fā)展趨勢

在沖床的模塊化、標準化制造蓬勃發(fā)展之時，沖床企業(yè)為了自身生存，開始走集成化制造技術發(fā)展之路，即由原先的向用戶提供生產線、轉變?yōu)橄蛴脩籼峁┤捉鉀Q方案。

集成制造技術，是一種跨行業(yè)、多種產品和技術的融合，是沖床生產廠商由產品競爭邁向技術競爭的轉型。集成制造技術，需要多種專業(yè)人才，實質上也是一種團隊人才的競爭。以應用于汽車行業(yè)的高強鋼熱成形生產線為例，該生產線由伺服壓力機、加熱爐、自動化連線機械手等設備組成主生產線，另外還有做毛坯準備的板坯下料線和零件熱成形后的后續(xù)工序表面處理生產線（切形和噴丸除銹）等構成。相應地，要設計制作類似的生產線，不僅需要沖床設計制造人才，而且還需要模具人才、加熱爐人才、機械手人才、表面處理設備人才，以及將系統(tǒng)進行整合控制的自動化專業(yè)人才等。除了上述主要人才外，為保證生產線的正常運行，還需要多種專業(yè)的技工進行支持。因此，沖床廠商利用集成制造技術后，容易在某一沖壓領域筑起技術壁壘、形成壟斷優(yōu)勢。

結束語

在當前市場導向下，國內沖床生產廠家只有順應沖床大型化、專機化、智能化、模塊化和集成化的發(fā)展趨勢，順勢而為，才能有所作為。