伺服沖床應用于鎂合金溫熱成形沖壓技術(shù)

文/蔡志仁，郭光輝，白國勛·金豐機器工業(yè)股份有限公司研發(fā)部

伺服沖床應用于鎂合金溫熱成形沖壓技術(shù)

文/蔡志仁，郭光輝，白國勛·金豐機器工業(yè)股份有限公司研發(fā)部

伺服沖床的特色與金屬手機外殼發(fā)展

伺服沖床，一般泛指利用伺服馬達作為驅(qū)動源的沖壓機械。從伺服沖床開始銷售與應用，因其沖頭速度具有得以控制的特性，很多沖壓加工過程都在利用伺服沖床控制滑塊運動來發(fā)展新的板材成形，如應用在超深拉深制程、減少噪音之沖剪下料制程、減少沖剪毛邊之制程以及控制彈回的彎曲成形制程等，這些研究目前都有了突破性的發(fā)展。相比較而言，使用伺服控制沖床進行鍛造成形才在時，對于加工過程需要的速度要求，通過調(diào)整整體滑塊運動曲線的每分鐘行程數(shù)來達到。需要降低加工成形速度時，相對降低沖床每分鐘沖壓行程數(shù)，生產(chǎn)效率就能隨之降低。以單機柔性化的生產(chǎn)需求而言，這樣的生產(chǎn)模式確實存在缺點。制造商希望可以維持高生產(chǎn)率，又可以使滑塊做緩速加工的運動曲線。所以，在連桿式?jīng)_床之外，大家開始漸漸考慮并使用伺服沖床。

圖1所示為iLS1-系列伺服沖床，圖2所示為起步階段，各沖鍛廠家與學術(shù)界目前在積極地嘗試實驗以試圖建立伺服沖床應用于鍛壓行業(yè)的標準加工程序。

伺服沖床的機能與效果

圖1 iLS1-系列伺服沖床

圖2 iLS1主要成形曲線模式與應用示意

以沖壓加工領(lǐng)域而言，滑塊運動曲線是塑性加工作業(yè)的一個重要參數(shù)，滑塊運動速度曲線的控制，亦是沖壓機械廠的一個關(guān)鍵技術(shù)。沖壓廠選擇機械式?jīng)_床的做法是，以客戶需要的成形速度提供一條合適的固定沖壓曲線。當客戶變換沖壓工件iLS1系列伺服沖床所具有的主要成形曲線模式與應用示意圖。圖2a為深拉深加工，主要提供沖壓成形過程中具有等速度的滑塊運動速度，能使拉深加工過程固定一致的運動曲線，有利于拉深過程動作安定平穩(wěn)，達到穩(wěn)定的加工結(jié)果。圖2b為沖鍛復合加工曲線，主要目的是提供成形過程緩速的運動以減少沖孔下料過程的振動，并輔以滑塊下死點的停留停止時間，有利于成形并減少材料回彈。圖2c可以提供滑塊于下死點時非常長的停留時間，使成形的效果更好。圖2d則提供加工區(qū)域較大區(qū)域的緩慢速度，適合于下料加工，可減少沖壓時的振動與過沖現(xiàn)象，圖2e曲線即為模內(nèi)加熱用沖壓曲線，主要在滑塊下死點上方一定模高的位置停留一段時間，作為模具加熱用。待加熱至一定程度后，滑塊再繼續(xù)向下沖壓完成全部的加工行程。

高階智能手機外殼的發(fā)展

目前低階的手機外殼制造主要為塑料射出成形為主，高階的手機或者是平板計算機的機殼隨著智能型手機尺寸越來越大，更多要考慮產(chǎn)品的質(zhì)感與價值，目前大多以鋁合金金屬外殼為主(圖3)。隨著消費者越來越追求輕薄的趨勢，除了鋁合金之外，鎂合金與各種新材料也開始出現(xiàn)在智能型手機外殼上。鎂鋁合金材質(zhì)應用于智能型手機產(chǎn)品的最大優(yōu)勢在于其在導熱性能和機械強度等方面的優(yōu)勢，其硬度是傳統(tǒng)塑料機殼的幾倍，過去僅僅用于中高階超薄型或尺寸較小的智能型手機產(chǎn)品上。鎂鋁合金外殼還可通過表面處理工藝上色為粉藍色和粉紅色，使手機產(chǎn)品美觀的同時兼具價值感。此外，易上色的特性是工程塑料以及碳纖維材料所無法比擬的。由于鋁鎂合金的散熱性遠優(yōu)于塑料材料，可將智能型手機內(nèi)處理芯片在高負荷運作時產(chǎn)生的大量熱量及時傳導至外界。作為金屬材質(zhì)，性能上的另一個特色就是對外界的電磁干擾有良好的屏蔽作用，不過這個性能有利有弊，在屏蔽外界電磁干擾的同時，手機內(nèi)收發(fā)無線訊號的各式天線性能也會大大降低，這就是在Apple iPhone第一代或HTC金屬外殼機種上下方搭配使用塑料材料（安置天線處）的原因。

圖3 HTC Legend 金屬機殼

圖4 Apple iPhone第一代與iPad金屬機殼

由于金屬外殼的智能手機或平板電腦具有消費者所認同的穩(wěn)重與價值感，市場需求比例穩(wěn)定并且會持續(xù)成長。但從手機外殼的生產(chǎn)角度考慮，鋁金屬外殼成形要比工程塑料困難得多，需要用沖壓或者壓鑄工藝。以Apple iPad（圖4）的零件供貨商需要擁有數(shù)千臺CNC機臺與油壓沖床專門作為加工生產(chǎn)使用，每個iPad鋁鎂合金組件需要從2kg的鋁錠中，進行復雜的挖槽、沖壓、切割過程才能完工。這個加工的過程中，會產(chǎn)生許多的材料浪費。但金屬機殼比工程塑料機殼的強度更高、散熱性能更好，又比鈦合金、碳纖維等其他材料便宜，對于部分規(guī)格觸控屏幕型的智能型手機或平板產(chǎn)品來說，以鋁鎂合金材料做為外殼材料仍是很好的選擇。如表1所示，為電子信息產(chǎn)品應用鎂合金的部位，足見鎂金屬在3C產(chǎn)品的應用范圍極為廣泛。故有許多廠商或研究機構(gòu)，仍積極地研究以輕合金鍛壓的技術(shù)，希望通過沖壓加工的方式，將金屬原材料沖壓到盡可能接近的尺寸，以減少加工道次的浪費。此外，由于3C產(chǎn)品的更新?lián)Q代開發(fā)速度越來越快，高階智能手機的單價亦有很大的下降趨勢，這種情況下會刺激大量消費者的購買欲望。運用連續(xù)沖壓成形制造技術(shù)，除生產(chǎn)速度可較傳統(tǒng)的方式提升3～4倍，使得生產(chǎn)設(shè)備投資整體搭配下的成本降低了。部分輕合金（如鎂合金）等應用之后，外殼厚度更可小于0.5mm，這種特色可以大幅增加3C產(chǎn)品外殼的商業(yè)價值。

鎂合金件熱沖壓成形

沖壓設(shè)備與條件

本加工設(shè)備采用金豐公司ILS1-200連桿式伺服沖床，圖5為生產(chǎn)現(xiàn)場，圖5a為整機設(shè)備，圖5b為加熱器溫度控制設(shè)備，圖5c為模具。根據(jù)加工過程，鎂合金板材沖壓加工需要注意的問題是：

圖5 實驗設(shè)備

⑴成形溫度不易掌控，會導致成形性不足造成工件缺料或斷裂。

⑵成品厚度越薄越容易產(chǎn)生材料變形缺陷。

■表1 鎂合金制品在常見的電子信息產(chǎn)品應用

⑶成品厚度薄時，成形后沖壓件易產(chǎn)生冷卻收縮變形的問題。

⑷沖完后頂出，成品的厚度薄，易造成頂出力過大致使沖壓件彎曲變形。

本文主要是以市場上的3C產(chǎn)品HTC智能手機背蓋為例，逆向解析背蓋尺寸并將材質(zhì)更換為鎂板，針對鎂板研究基本壓印、拉深成形時的相關(guān)參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)，研究并未針對擠凸加工時的變化加以探討。成形模具如圖6所示。HTC智能手機背蓋尺寸與參考手機實際外形，見圖7。AZ31B鎂合金材料性能相關(guān)參數(shù)，其中彈性模量為45000MPa，泊松比為0.35，線熱膨脹系數(shù)為0.000026，熱傳導系數(shù)為96W/(m·K)，熱容量為1.89×103J/(mol·K)，放射率為0.25，鎂板厚度選擇0.7mm、1mm、1.2mm等幾種尺寸。在操作過程中，設(shè)定熱成形加工停留時間為20s或10s兩種，溫度區(qū)間設(shè)定為200～300℃,加工速度設(shè)定為15次/min作為基準設(shè)定值進行反復測試，來確定成形速度是否合理，然后進行調(diào)整。

圖6 成形模具

熱沖壓成形CAE分析

由Deform 3D模擬板料的成形過程，可清楚了解材料流動的趨勢，進而對充填不足或破裂處加以修正，使最終的加工結(jié)果達到要求，圖8所示為鎂合金熱沖壓 Deform分析模型。

鎂合金的塑性極差，這是由于鎂合金為最密六方結(jié)晶結(jié)構(gòu)，常溫下只有基面三個滑移系可啟動。然而隨著溫度的升高，塑性會明顯改善，除基面之外其他的滑移面也能啟動，可明顯提升塑性。一般的研究認為，鎂必須在低于400℃的溫度條件下加工，這是因為溫度高于400℃時鎂合金容易氧化影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，特別是加熱到500℃以上時晶相組織產(chǎn)生變化，晶粒異常粗大，成形條件會變差。所以，鎂金屬體積塑性成形加工的適宜溫度應控制在250～400℃。

圖9所示為伺服沖床所設(shè)定的曲線模式與鎂板熱沖壓成形示意圖。在加工過程中，主要利用模內(nèi)加熱模式曲線作為沖壓的主要曲線，加工方式：利用加熱棒將模具加熱20min至200℃左右，將鎂板置入已經(jīng)加熱的模具內(nèi)，滑塊下降至將鎂板壓住但不進行沖壓動作；保持約3～5s，使鎂板達到成形需要的溫度；滑塊繼續(xù)往下沖壓出需要的形狀；沖壓加工完畢，滑塊向上離開工件，至此為一個完整的沖壓行程。加熱棒的用途除了將模具預熱至需要的加工溫度外，另一個主要用途是自動加熱以保持模具的溫度，最終測試出合理的加熱溫度與條件以便后期量產(chǎn)。

圖7 背蓋尺寸

圖8 鎂合金熱沖壓 Deform分析模型

圖9 鎂板熱沖壓成形

圖10 鎂板料片擺放不同位置的沖壓結(jié)果

沖壓結(jié)果

在鎂合金手機外殼的熱沖壓成形過程中，主要的失效形式是拉深成形時危險端面處的破裂。雖然存在著拉深力、壓邊力、模具圓角、拉深間隙、拉深速度、模具溫度、坯料溫度等許多影響因素，并且各個因素之間相互作用，但從實際的拉深成形過程看，溫度是最關(guān)鍵的影響因素。在慢拉深時，只有保證坯料和拉深模具都處于合適的溫度，才能通過0.7mm厚的AZ31B板料拉深成形出完好的手機外殼。目前，本公司通過反復實驗已初步掌握了拉深速度、坯料溫度、模具溫度等主要因素對鎂合金拉深成形的影響規(guī)律。

圖10為改變鎂板料片擺放于模具不同位置的沖壓結(jié)果。測試條件為模具加熱至250℃，鎂板厚度為1mm，操作的曲線模式為模內(nèi)加熱5s后沖壓并在下死點停留3s。見圖10，熱沖壓成形結(jié)果顯示在角隅處仍舊存在些許裂痕，試著將料片擺放位置由置中逐漸向下移動，這樣做的原因是薄的料邊夾持面積(力量)較小，工件引伸時可拉到較多料，較不容易有裂痕。實際沖壓的結(jié)果是當料邊縮到最小仍存在裂痕，但料邊加大裂痕會變多。接著在上述條件下，改變潤滑方式，將潤滑劑由膏狀(石墨+牛油)變更為液體狀(石墨+機油)，測試結(jié)果沒有太大的改變。

在繼續(xù)實驗的過程中，維持鎂板厚度為1mm，將測試條件改為加熱至280℃，模內(nèi)加熱分別為5s、10s、15s三種不同條件，并于下死點停留3s，結(jié)果顯示模內(nèi)加熱時間延長裂痕會較少，但仍無法完全排除角隅處微小的裂痕。將鎂板換成0.7mm厚度，其他加工條件不變，最終得到了無褶痕裂痕的成品。選擇厚度為0.7mm的鎂板，以標準曲軸四連桿曲線與伺服的模內(nèi)加熱曲線下的沖壓件產(chǎn)品進行比較，曲軸式?jīng)_床與伺服沖床之模內(nèi)加熱曲線，分別設(shè)定沖床行程數(shù)為20次/min、10次/min、與5次/min進行沖壓，發(fā)現(xiàn)對于曲軸式?jīng)_床，加工速度越快，雖然材料已經(jīng)加熱，但破裂的情況越來越嚴重，將速度下調(diào)至5次/min時仍有局部的破裂。顯然以單純曲軸式曲線加工，必須以極端慢的速度搭配加熱條件沖壓，才能得到合格的產(chǎn)品，加工效率低下。同樣的條件下，以伺服沖床的模內(nèi)加熱曲線進行加工，材料并不會破裂，但會或多或少存在缺陷。適當?shù)恼{(diào)整模內(nèi)加熱曲線，除了可以達到需要的成品質(zhì)量，同時還可以兼顧效率。

鎂合金應用的發(fā)展趨勢

本文以伺服沖床為加工主設(shè)備，進行鎂板手機殼沖壓基礎(chǔ)研究，目的是要深層次了解鎂板應用于伺服沖床生產(chǎn)時材料特性與成形件精度之間的的關(guān)系，進而擴展至其他相關(guān)的產(chǎn)業(yè)應用上。金豐公司于2006年就開始銷售雙點式伺服沖床，從事高張力鋼板的模內(nèi)加工，作為專業(yè)沖壓生產(chǎn)廠金豐公司于模具與材料的搭配應用研究方面，一直持續(xù)為客戶提供整體的技術(shù)方案，并最終給客戶提供各式?jīng)_壓交鑰匙的工程，以達到以技術(shù)回饋客戶的最初目標。

圖11 鎂合金換文件播片與顯示屏外殼

鎂合金早已經(jīng)在汽車行業(yè)應用多年，尤其以歐洲國家的汽車業(yè)使用鎂合金最早，包括VW、Daimler-Benz等主要大廠都大量使用鎂合金零部件，希望達到汽車輕量化的目的。一些積極采用鎂合金的廠商如VW/Audi等，預測2015～2020年后每輛車的鎂合金使用量將達178kg左右。就整體而言，歐美的汽車業(yè)者對鎂合金都寄予厚望，且主要廠商都有大量采用鎂合金零組件的計劃，鎂合金市場在未來將有極大的增幅。日本的日產(chǎn)（Nissan）公司于2005年新車型的儀表板零件開始采用鎂合金零部件，如圖11所示。大件車用鎂制品，如鎂制座椅則由Benz SLRoadster首先采用。中國的長安汽車于2012年，開發(fā)出鎂合金座椅骨架、油底殼、變速箱殼體、缸蓋罩等大型復雜汽車鎂合金產(chǎn)品，見圖12，實現(xiàn)單車最大用鎂量21kg。綜合以上應用情況，輕量化是降低整車油耗、推動節(jié)能環(huán)保汽車發(fā)展的重要技術(shù)，而鎂合金在產(chǎn)品輕量化的角色上，占有舉足輕重的地位。

汽車零部件，如座椅骨架、油底殼、變速箱殼體、缸蓋罩，由于形狀復雜或尺寸上的問題，仍以壓鑄的方式生產(chǎn)，還不能以沖床方式生產(chǎn)。然而伺服沖床具有的可控制性，在提升產(chǎn)品外形與強度方面的優(yōu)勢，未來有可能部分輕合金成品加工由伺服沖床取代壓鑄機。所以，歐美、日本等先進國家都已全面展開利用伺服沖床在各種特殊材料、特殊加工方式（模內(nèi)加工）的應用與討論。伺服沖床在于產(chǎn)業(yè)應用技術(shù)的動向，主要有以下幾個方向:

⑴滑塊運動曲線的有效利用。

⑵利用伺服沖床加工不易加工的材料，如不銹鋼鋼板、高強鋼板等。

圖12 鎂合金座椅架、骨架

⑶滑塊運動曲線對應潤滑效果與材料特性的關(guān)系。

⑷利用伺服沖床提升生產(chǎn)性與改善作業(yè)環(huán)境，如減少振動、環(huán)境噪音、節(jié)約能源等。

⑸利用伺服沖床作為新的加工工法，開發(fā)復合加工方式。

⑹利用伺服沖床應用于鍛壓加工。

圖13 金豐公司直驅(qū)型伺服沖床

近幾年，汽車產(chǎn)業(yè)利用伺服沖床進行高強鋼的加工，發(fā)展很快。金豐公司與日本伺服馬達廠合作開發(fā)出直驅(qū)型伺服沖床SDS系列，見圖13。未來如何應用伺服沖床進行輕合金或高強鋼板的沖壓加工，將是沖壓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大方向。