冲压件的快速样品制造技术.docx
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冲压件的快速样品制造技术
2冲压件的快速样品制造技术
随着科技的不断发展，人们对物质生活的要求越来越高，对产品的要求相应也越来越高，使产品更新换代速度日益加快，制造业的生产方式也朝着多品种、小批量生产的方向发展。
样品制造以其批量小、速度快的特点在近年来得到快速发展，成为制造业重要的生产方式之一。
科技电子产品的发展是二十一世纪世界性产品的命脉，作为信息时代的产物，“快速、高质、创新”成为新时期电子技术产品赖以生存的三大要素。
样品制造业即是由此而产生的一个新兴的产业，其发展非常快速。
目前，样品生产已经能够做到非常快速的交货。
但是，为了达到快速，产品的质量在某些方面有所降低，而且成本很高，这在一定程度上影响了样品制造业的发展。
在未来，样品制造业将朝着更加快速、更高质量发展。
产品朝着多品种、小批量的方向发展，为样品制造提供了广阔的发展空间，样品制造的应用领域越来越广泛。
除了冲压产品外的其它产品也开始应用先进技术进行样品制造。
采用世界先进制造设备和技术，以样品快速弹性制造能力及产能来争取客户，以大量生产前样品试作及小批量生产，来衔接后续批量生产订单获得。
2.1冲压件快速样品制造及其关键技术
2.1.1冲压件快速样品制造技术简介
（1）样品制造的特点
在产品的设计和开发阶段，制造商需要少量成品来检验设计的效果，以便进一步改进，或是需要小批量成品快速投放市场以获得市场信息。
某些3C资讯产品种类丰富，为了满足用户追求个性化的要求，需求量很小，无法投入量产，这时就需要制造样品，所以样品制造有以下一些特点：
1）速度快为了快速抢占市场，时间是制胜的法宝。
从产品设计结束到制造出样品可能只要几天的时间，而传统的制造方法仅仅设计制造出模具就需要好几个月的时间，因此即时上市（即Timetomarket）成为样品制造的重要特点之一。
2）变种变量制造样品时，种类丰富多样，数量变化大，有的制造商可能只需要几件来检验设计的效果，而有的制造商则在几年内每月都需要几百件来投放市场。
3）成本高由于样品制造的数量少，速度快，其制造方法不同于传统制造方法，需要使用更为先进的设备，设备成本昂贵，投资大。
为了达到质量要求，采用最好的材料，所以其成本高。
但是这只是相对于量产时的成本，而有的产品可能只生产几件或几百件就被遗弃，达不到量产的阶段，如果采用传统的方法来制造是绝对行不通的。
（2）样品制造的类型
目前，样品制造业主要有少量样品制造与量产样品制造两类。
1）少量样品制造一般是在产品的设计阶段，制造商需要少量的成品来检验设计的效果，其制造的数量少，一般在10到100件，要求24到72小时交货。
由于需要快速交货，所以在制造方法上始终追求快为目标，而设计制造模具要求时间太长，成本太高，无法用于少量样品制造。
所以，少量样品制造采用先进的设备来替代传统的模具加工，并且使用简易模来完成传统设备无法加工的成形，即所谓软模加工（指钣金加工领域非模具化生产，而是运用多种数控设备，如：
激光切割机、数控冲床、折弯机以及铆钉机、冲床等等，结合刀具、共用模架、简单模具等辅助设备，完成小批量快速生产的一种加工模式）。
少量样品生产采用世界先进制造设备和技术，以样品快速弹性制造能力及产能争取客户，以使用硬模来大量生产前样品试作及小批量生产来衔接后续批量生产订单获得。
2）量产样品制造一般在产品投放市场阶段，适用于一些每月需求量小，但需要长期供货的产品，如一些大型的网络服务器机箱等。
其每月生产100到5000件，寿命期为1到3年。
这种产品的制造既不同于少量样品制造又不同于大批量生产，所以其方法也不同。
一般来说，量产样品制造从质量和成本的角度考虑，一部分结构采用先进的设备替代模具加工，而另外一部分则需要采用模具加工。
2.1.2冲压件样品制造的流程
（1）少量样品制造流程
少量样品制造流程如图2－1所示，主要包括下列过程：
1）业务接单了解客户的特殊要求，交货期限等；
2）生产技术中心进行产品图图面的确认及成本分析确定客户图面之所需材料是否充足，特殊要求是否能够满足，附件物品是否能够及时采购以及交货期限是否可以保证；同时，生产技术中心还须建立产品数据库，给后续生产部门提供资源信息；
3）制定生产规划由各部门集体进行产品生产规划的制定，安排工序，确定简易模具制作方案，解决各部门生产中存在的问题，预排加工时间；
4）生产协调由生产部门制定生产工单，向上级提出材料申请，排配工作流程，确定外配合作部分和外配加工单位，同时开始设计简易模具；
5）工艺方案确定由工程部安排加工具体方案，决定各种結构所使用的加工工具、加工次序等；
6）由程序组进行程序展开这部分的主要工作是将展开图转换成NCT和激光程序，包括毛坯的展开，公差尺寸的确定，进行工艺处理等。
7）生产实施激光组进行下料作业，NCT组进行冲孔或下料作业，然后由折床组完成折弯工序，钳工加工完成内孔翻边、压筋（压包）、拉深、压印等工序，最后由组装组完成产品组装；
8）检验、出货质量管理部门进行零件检测，出货。
（2）量产样品制造流程
其前期流程与少量样品制造流程相同，由企划接工程单，工程部估算成本，确定交货期限；接下来由专门的负责小组整理相关资料，确定工艺，模具具体类型，生产进度等。
完成上述工作以后，进入模具设计阶段。
模具设计分以下步骤进行：
1）毛坏尺寸展开计算其间做一定的工艺处理；
前
期
流
程
执
行
流
程
结案流程
图2－1少量样品制造作业流程
2）进行工序安排确定每一工序内容，绘制工序图；
3）建立档案系统，移交作业；
4）进行模具结构设计根据工程图确定模具的具体结构。
这一阶段工作量大，也非常重要，关系着后续加工的速度、产质量量、产品成本，因而在这一阶段投入的人力、物力相当大。
5）模具加工专门进行模具加工的部门接到模具设计部门传来的图纸，经过程序展开、加工方案确定、工艺处理，在最短的时间内加工出模具零部件，并移交设计部门。
这一阶段也是至关重要的，能否快速、准确的加工出模具，是胜败的关键。
加工设备主要有高速研磨机、高速铣加工机、线切割机和电火花加工机等。
6）试模模具设计部门接到模具加工部门所加工出来的模具零部件，进行组装作业，并试模、调模。
7）批量生产模具组装、调试完成以后，转给制造部进行批量生产，其间模具如出现问题，再移交模具设计部门或加工部门进行修模。
8）检验、交货质量管理部对成品进行检验，最终交货。
2.1.3关键技术问题及难点分析
2.2快速样品制造常用设备
样品制造中主要采用的先进设备有激光切割机、NCT冲床、数控折弯机等。
样品加工中采用激光切割机和数控冲床来下料，打孔。
通过合理的工序安排，根据激光切割机与数控冲床各自的优点，达到最佳的效果和经济性。
利用数控折弯机完成相关折弯成形。
2.2.1激光加工机床
（1）激光加工的特点
激光加工是一种利用能量束的加工方法，它利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。
激光加工具有以下特点：
几乎对所有金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、高熔点材料、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金和复合材料等都可加工；加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自动化和柔性加工；加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热影响和不产生热变形；非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件；由于激光束易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工；不存在工具磨损和更换问题；在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单，不像电子束加工需要真空室；可以通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内工件进行加工；加工时不产生振动和机械噪声。
激光加工主要应用于打孔和切割，此外还有激光划线、图形刻划、修边、动平衡校正、热处理、激光焊接和打标志等多种用途。
（2）激光加工机床的组成
激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。
1）激光器产生激光束的器件称为激光器，它的种类很多，按其工作物质的不同可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和化学激光器等5种。
激光束的输出方式有脉冲、连续和巨脉冲等3种。
激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成，应用于加工的激光器主要有：
①固体激光器具有稳定性好的特点，能量效率一般<3％，由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。
激光光源以红宝石、钕玻璃或YAG（掺钕钇铝石榴石）等作为工作物质。
YAG是气体激光中能发出最大功率的离子激光，YAG的激光波长相当于二氧化碳气体激光波长的1／10，可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好，适于精密加工，特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。
且由于聚光性好，可通过光导纤维传输能量，适用于内腔加工等特定场合。
目前输出功率大多在600W以下，最大已达4kW。
另一种红宝石激光源的波长更短，稳定性好，但能量效率0．1％～0．3％，主要用于打孔和点焊。
光泵是使工作物质发生粒子反转产生受激辐射的激励光源，因此光泵的发射光谱应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的光泵有脉冲氙灯和氪灯，脉冲氙灯的发光强度和频率较高，适用于脉冲工作的固体激光器，而氪灯的发光光谱能与YAG的吸收光谱很好匹配，是YAG连续激光器的理想光泵。
为改善照射的均匀性，光泵可用双灯、三灯或四灯。
聚光器罩在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效地、均匀地集中到工作物质上。
聚光器中常用的是圆柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的聚光器。
其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内壁反射率高，表面粗糙度
0．04
以下，通常聚光效率达80％。
谐振腔是一种光学反馈元件，它的作用是使光放大介质产生光振荡。
其类型对激光输出能量和发散角有很大影响，常用的平行平面谐振腔由反射镜组成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，反射镜平行度<10′′。
②气体激光器常用的工作物质有分子激光的二氧化碳和离子激光的氩气，后者输出功率为25W，它的10ns级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和有机物的高精度微细加工。
而CO2激光器的功率在连续方式工作时可达45kW，脉冲式可达5kW，故在加工中应用最广。
1—反射凹镜；2、5—电极；3—放电管；
4—CO2气体；6—反射平镜（红外材料）
图2—2C02激光器工作原理示意图
（直流电源电压几万V、电流几十mA）
光源是在氦的体积分数约80％，氮的体积分数约15％和CO2的体积分数约5％的混合气体中进行放电形成粒子数反转的分子激光。
它的能量效率通常为5％～10％，高效装置甚至可达10％～15％。
CO2气体激光器的波长为10．6
，处于红外线领域，因而其激光束为不可见光。
CO2激光器的工作原理图如图2—2所示。
气体激光的激励虽也可用光泵的方法，但大多用直流放电（图13—3）或高频放电的方式。
谐振腔由放电管两端的镜面构成，一端是镀金凹镜，另一端是锗或砷化镓平镜，它们也兼作密封之用。
CO2激光器的输出功率与放电管的长度成正比，低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约50～70W／m，但其输出功率稳定，易得到单模，一般用于百瓦级激光器。
对于千瓦级的CO2激光器则采用气体循环速度达100m／s的高速轴流式的激光器或气流及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电与激光光轴三者互相垂直的三轴直交型可达到使激光器小型化。
1—C02激光器；2—激光束；
3—镀金全反射镜；4—砷化
镓（GaAs）透镜；5—喷嘴；
6—工件；7—工作台
图2—3透射式聚焦系统
2）聚焦系统其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上，故具有调节焦点位置和观察显示的功能。
CO2激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外材料制造的光学透镜才能通过。
为减少表面反射需镀增透膜。
图2—3为应用于CO2激光切割机的透射式聚焦系统。
图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。
工作台用抽真空方法使薄板工件能紧贴在台面上。
3）电气系统电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或CO2激光器的高压直流电源）和对输出方式（如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。
此外，工件或激光束的移动大多采用CNC控制。
为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为
0．05～0．005mm。
图2－4为激光切割机外形，激光切割机由充满二氧化碳排泄容器，激发气体产生光束的高电压系统和聚焦反射和光学系统组成，在光束接触工件的点上，光学系统缩减光束半径接近0.2mm，几百瓦的能量集中在很小的面积上，足够熔化和蒸发大部分金属，切割运动是通过导入惰性保护气体来吹走己蒸发的金属，或者导入氧化气来促进金属的燃烧。
激光切割成本甚高，但在提供加工模型和试制样品方面快而经济的能力，其它机械无法与之比拟。
它提供一个快速，准确的路径，从试制到生产，几
图2－4激光切割机外形
乎完全是由软件进行控制的。
激光切割机在X和Y方向进行数控，其优点有：
速度快，切割速度达到12000mm／min；无噪音，无振动；切割断面质量好。
公差极小，加工完成后没有毛边，不需要准备毛坯，一个小部件可以从一块大薄板上成形，剩下的薄板可以储存起来以备后用；适用范围广，可加工任何材料。
在样品生产中多用于加工外轮廓和比较大以及不规则的内孔，不受工件外形复杂的限制，尤其是特殊产品的二次切割，包括已折弯成形产品的二次加工，因工艺更改产品的补救加工，极大的提高了样品加工的灵活性。
（3）激光加工的合理工作参数
1）激光打孔尺寸及其精度的控制
①孔径尺寸控制采用小的发散角的激光器（0．001～0．003rad），缩短焦距或降低输出能量可获得小的孔径。
对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径0．01～lmm的微小孔加工，最小孔径可达0．001mm。
②孔的深度控制提高激光器输出能量，采用合理的脉冲宽度（材料的导热性越好，宜取越短的脉冲宽度），应用基模模式（光强呈高斯分布的单模）可获得大的孔深。
对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（15～30mm）的物镜打孔。
③提高激光加工孔的圆度激光器模式采用基模模式加工，聚焦透镜用消球差物镜，且透镜光轴与激光束光轴重合，工件适当偏离聚焦点以及选择适当的激光能量等可提高加工圆度。
④降低打孔的锥度通常孔的锥度随其孔深孔径比增大而增加，采用适当的激光输出能量或小能量多次照射，较短的焦距，小的透镜折射率及减少入射光线与光轴间的夹角等措施可减小孔的锥度。
⑤硬脆材料激光打孔的实用参数用YAG激光加工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为0．05mm时，所用的单个脉冲的激光能量分别为0．05～1J，每秒的脉冲数约为20个；加工Si3N4、SiC和A12O3等陶瓷，当孔径为0．25～1．5mm时，所用单个脉冲激光能量在5～8J，每秒的脉冲数为5～10个，脉冲宽度0．63ms，辅助气体用空气或氮气。
2）激光切割的合理工作参数除精细切割如切割硅片可用YAG固体激光器外，激光切割一般采用CO2激光器，其工作参数主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。
①激光切割速度它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切材料厚度增加而降低。
切割6mm厚度碳素钢钢板的速度达到2．5m／min，而厚度为12mm的钢板仅为0．8m／min。
切割15．6mm厚的胶合板为4．5m／min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度则达27m／min。
②切缝宽度一般在0．5mm左右，它与被切材料性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程度大致与对打孔直径的影响相似。
切割精度可达±0．02～0．01mm。
③切割厚度它主要取决于激光输出功率。
切割碳素钢时，lkW级激光器的极限切割厚度为9mm，1．5kW级为12mm，2．5kW级为19mm；2．5kW级切割不锈钢的最大切割厚度则为15mm。
对于厚板切割则需配置3kW以上的高功率激光器。
④辅助气体提高切割效率和切口质量由于金属表面的激光反射率可高达95％，使激光能量不能有效地射入金属表面。
喷吹氧气或压缩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。
增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。
切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用压缩空气。
当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割厚度。
对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激光束。
2.2.2数控冲床
（1）数控冲床加工的特点
NCT（NumericalControlTooling）冲床又名为CNC转塔式冲孔机，其加工原理是由配套软件PUNCH生成CNC程序，通过网络传送到NCT的数控装置，从而由数控系统控制机床的主运动，进给运动方向，速度，位移量以及刀具转换的动作等，利用模具的冲孔加工原理对板材进行冲裁加工。
NCT加工特点有：
对工件改变适应性强，所有动作均由程序指令来控制，操作方便；加工精度高，产质量量稳定；生产率高；由于采用数控加工，操作人员劳动强度低。
NCT冲床综合了样品生产的高度弹性与相对廉价性这两个独特的优点，这是由于标准冲头的变化极大，使得成本及前期准备时间不须考虑特殊的冲头。
使用CNC冲床技术能大大缩短从设计完成到零件生产之间的时间，在许多情况下，当批量较大时使用CNC冲床也很经济。
采用了自动装卸设备后，有可能实现无人化生产。
（2）NCT冲床的组成和技术指标
村田－维德曼公司的Centaum3000型数控转塔式多工位冲床外形如图2－5所示。
其主要技术指标如表2－1所示。
模具规格数如表2－2所示。
相应34工位、40工位和54工位模具规格分别如图2－6a）、b）、c）所示。
图2－5Centaum3000型数控转塔式多工位冲床外形
a）34工位b）40工位c）54工位
图2－6Centaum3000型数控转塔式多工位冲床模具规格
表2－1Centaum3000型数控转塔式多工位冲床主要技术指标
冲压能力
300kN
最大加工板厚
6.35mm
Y轴行程
1620mm
X轴行程
2050mm
加工板材尺寸（Y×X）
夹钳不移动
1250mm×2000mm
夹钳一次移动
1250mm×4000mm
反转加工（短夹钳）
1525mm×2000mm
喉深
1345mm
最大加工件质量
150kg
冲压速度
（54工位）
连冲25mm间隔
220HPM（205HPM）
步冲3.5mm间隔（5mm间隔）
475HPM（390HPM）
工作台速度
64m/min
加工精度
±0.12mm
转塔回转速度
30rpm
气源
流量
0.1m3/min
压力
0．45MPa
电源
22KVA
表2－2Centaum3000型数控转塔式多工位冲床模具规格数
工位
尺寸（ø）/mm
工位数
34工位
40工位
54工位
A
～12.7
16
24
20
B
～25.0
18
C
～38.0
5
5
6
D
～51.0
5
5
4
E
～64.0
2
2
2
F
～76.0
G
～89.0
2
2
2
H
～105.0
J
～121.0
I/T
～51.0
4*
2*
2*
M/T
～12.7×12
M/K
40号码
*在自动旋转工位中，可自由地选择组装旋转模具、组合模具和号码模具。
Centaum3000型数控转塔式多工位冲床由设备单元、控制器和辅助部件组成。
各主要组成部分介绍如下：
1）设备单元主要的设备单元包括冲压部分和工作台部分（参考图2－7a）、b）、c））。
冲压组件部分包括冲孔和转塔单元。
工作台部分包括X轴和Y轴的定位单元。
工件的定位通过工作台部分与冲头中心的关系实现。
①基础常用机械加工的铸件作为主基础“构架”来支持或安装其它的机械单元。
有些结构可以在铸件上包含冲压和工作台基础。
其它的可以包含两个铸件，
a）主视图
b）右视图
c）左视图
1－滑板盖；2－左门板；3－前门板；4－右门板；5－机械式限位器；6－球形螺杆；7－卸料传送器；
8－工作台基础；9－Y向导轨；10－分度销群；11－右后和上门板；12－右后和下门板；13－通风孔；
14－上转塔；15－重定位垫块；16－工作台面；17－工件夹具；18－工件夹具夹钳杠杆；19－移动回线；20－小零件卸料器（可选择）；21－冲床基础；22－下转塔
图2－7Centaum3000型数控转塔式多工位冲床的组成
一个是冲压部分，另一个是工作台部分。
两个铸件的结构在安装时准确地连接在一起。
②冲床部分冲床部分由工作部件、转塔和与其相关的驱动装置等基本单元组成。
工作部件由曲轴连杆机构组成。
它将驱动滑块运动到给定转塔位置。
曲轴由皮带飞轮驱动。
飞轮与曲轴通过液压离合器和制动器连接在一起。
转塔位于压机本体的“喉”部。
它们由锥形辊子轴承来支撑。
环绕转塔的固定“有漏料孔工作台”支撑板料，并防止与转塔运动发生干涉。
“分度销”是指气动锥形销钉，把它们插入给定位置的分度孔中从而将转塔位于在给定的工位。
③工作台工作台对工件起支撑和定位作用。
工作台包括基础、Y向导轨、球形螺杆、工作台面和滑板。
两个互相平行的导轨安装在工作台凹槽内，为滑板提供了Y向导向。
用一个可调的机械式限位器来限制最大Y向距离。
④滑板滑板由十字滑动器、球形螺杆和工件夹具组成。
滑板在工作台导轨上的前进和后退运动属于Y向运动单元。
十字滑动器可向左向右运动，它在滑板面上的十字运动属于X向运动单元。
十字滑动器面和燕尾槽提供了与工件夹具贴合的表面。
操作员将气动工件夹具沿着十字滑动器凹槽固定并且用快速释放夹钳杠杆来紧固（和拧松）。
球状螺杆用于X轴和Y轴的再循环球形螺杆通过弹性耦合与各自的驱动电机连接。
2）控制器
①CNCCNC是主控制器，负责整个系统的操作。
主“运行程序”存储于只读存储器中。
它由MurataWiedemann加载，除了MurataWiedemann不能被其它人修改。
②可编程机械控制器“可编程机械控制器”位于计算机数值控制器外壳内。
可编程机械控制器与计算机数值控制器的运行程序联合工作，控制计算机数值控制器和机器之间的工作次序。
数据存储于可编程序只读存储器中。
MurataWiedemann优先于装载设计可编程机械控制器。
③机械输出驱动板这种驱动板位于机器柜的右后方上部。
它包括直流电驱动器、交流电驱动器和一些控制与联锁继电器。
3）外围设备外围设备是指那些支持机器运转的设备。
许多外围（支撑）设备用来完成系统的运作和控制。
机器柜的右后方下部是液压动力源，为液压离合器、制动器和相关冲头提供动力。
磁性限位开关实现诸如工作台超行程，工件夹具保护等功能。
电动螺线管控制诸如工件夹具和分度销的气动设备。
Centaum3000型数控转塔式多工位冲床CNC作为整个系统信息的主处理器，其它和设备控制相关的部件均受它控制。
不同的电子控制部件间的关系控制模块图如图2－8所示
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