鋰離子動力電池精密結(jié)構(gòu)件復(fù)合沖壓加工新技術(shù)探討

　　科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是在現(xiàn)有資源及環(huán)境不可過分樂觀的形勢下，對五金沖壓加工乃至整個塑性加工業(yè)等都提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。減輕重量，節(jié)省材料，降低能耗，開拓創(chuàng)新己成為塑性加工業(yè)等面臨的一個極其重要的課題。

       不可否認(rèn)在五金沖壓加工中，沖壓是成形效率和材料利用率最高的加工方式之一，其具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢與特點(diǎn)。面對嚴(yán)重挑戰(zhàn)，深圳市新天宇科技有限公司，正以新的姿態(tài)，向擠壓、精沖和機(jī)械加工等領(lǐng)域開拓，如齒輪沖壓、沖壓發(fā)動機(jī)殼體、沖壓搖臂、沖壓搖臂座、沖壓排氣管、沖壓焊接成形的離心泵、沖壓托架、沖壓焊接成形的汽車后轎殼、沖壓離合器殼體、沖壓變速箱殼體、沖壓皮帶輪等等，所有這些不僅一改過去工件由鑄造、焊接生產(chǎn)而呈現(xiàn)的粗笨外表，許多沖壓件的精度也毫不遜色于機(jī)械加工的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)合理性甚至要超過某些機(jī)械加工產(chǎn)品，尤其是其生產(chǎn)率又遠(yuǎn)非機(jī)械加工所能比擬。而復(fù)合沖壓、微細(xì)沖壓、智能化沖壓、綠色沖壓等高新技術(shù)又向我們展示了沖壓加工極具魅力的新領(lǐng)域，可以說沖壓加工不論從深度，還是從廣度上，都大有作為，前景美好。

       本文結(jié)合深圳市新天宇科技有限公司的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，歸納出最新的沖壓加工工藝。

1.復(fù)合沖壓加工

       本文所涉及的復(fù)合沖壓，并不是指落料、拉伸、沖孔等沖壓工序的復(fù)合，而是指沖壓工藝同其他加工工藝的復(fù)合，譬如說沖壓與電磁成形的復(fù)合，沖壓與冷鍛的結(jié)合，沖壓與機(jī)械加工復(fù)合等。

1.1沖壓與電磁成形的復(fù)合工藝

       材料是人類社會進(jìn)步的里程碑。從石器時代到青銅器時代，再到鐵器時代，以至于到現(xiàn)在的新材料設(shè)計(jì)與制備加工工藝時代，可以說人類社會每一次飛躍性的進(jìn)步都與材料和材料技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個國家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)化水平。以大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)、以光纖通訊為代表的通信技術(shù)、以核磁共振成像系統(tǒng)與磁懸浮技術(shù)等應(yīng)用為典型代表的超導(dǎo)技術(shù)、以載人飛船或航天飛機(jī)為代表的航天航空技術(shù)等，幾乎所有的高新技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，都以新材料和新材料的發(fā)展和突破為前提。新材料技術(shù)在沖壓加工中應(yīng)用也是沖壓加工發(fā)展的一個極其重要的方面，沖壓專家歷來十分重視。

       現(xiàn)有的研究與實(shí)踐都表明沖壓成形實(shí)際上受到材料變形兩個方面的限制：一是頸縮與破裂問題，二是受壓失穩(wěn)起皺問題，其實(shí)質(zhì)都是板材塑性成形不能穩(wěn)定進(jìn)行的表現(xiàn)。金屬材料的屈服點(diǎn)、細(xì)頸點(diǎn)和破壞點(diǎn)對沖壓加工來說，是具有重要的實(shí)際工作意義的，屈服點(diǎn)既是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)束點(diǎn)，更是塑性變形的開始點(diǎn)，而細(xì)頸點(diǎn)則是材料成形的極限。故沖壓成形范圍在材料拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線上僅為屈服點(diǎn)到細(xì)頸點(diǎn)這一不大的應(yīng)力區(qū)間，而難成形材料的這一應(yīng)力區(qū)間就更加狹小，故沖壓成形范圍的有限性往往又阻礙了許多難成形材料零件的應(yīng)用，而這些難成形材料的一些性能往往又是制作某些重要零件所必需的。譬如在汽車覆蓋件成形中，若用鋁合金代替鋼可以減輕重量30%，因而采用鋁合金汽車覆蓋件對減輕汽車自重非常有意義。尤其在這個充滿汽車的世界上，其對資源與壞境的影響更是不可輕估的。然而鋁合金作為難成形材料其成形范圍是極其有限的，因沖壓失穩(wěn)使之不能正常得到應(yīng)用而讓人們感到很無奈。現(xiàn)在用沖壓與電磁成形復(fù)合工藝，可以很好地解決鋁合金覆蓋件成形難的問題。盡管其機(jī)理現(xiàn)在尚不太清楚，但有一點(diǎn)是可以肯 的，那就是電磁成形是高速成形，而高速成形不但可使鋁合金成形范圍得到擴(kuò)展，并且還可以使其成形性能得到提高。

       用復(fù)合沖壓的方法成形鋁合金覆蓋件的具體方法是：用一套凸凹模在鋁合金覆蓋件尖角處和難成形的輪廓處裝上電磁線圈，用電磁方法予以成形，再用一對模具在壓力機(jī)上成形覆蓋件易成形的部分，然后將預(yù)成形件再用電磁線圈進(jìn)行高速變形來完成最終成形。事實(shí)證明，用這樣復(fù)合成形方法可以獲得用單一沖壓方法難以得到的鋁合金覆蓋件。

       最新研究表明鎂合金是一種比強(qiáng)度高、剛度好、電磁界面防護(hù)性能強(qiáng)的金屬，其在電子、汽車等行業(yè)中應(yīng)用前景十分看好，大有取代傳統(tǒng)的鐵合金、鋁合金、甚至塑膠材料的趨勢。目前汽車上采用的鎂合金制件有儀表底板、座椅架、發(fā)動機(jī)蓋等，鎂合金管類件還廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈和宇宙飛船等尖端工業(yè)領(lǐng)域。但鎂合金的密排六方晶格結(jié)構(gòu)決定了其在常溫下無法沖壓成形。現(xiàn)在人們研制了一種集加熱與成形一起的模具來沖壓成形鎂合金產(chǎn)品。該產(chǎn)品成形過程為：在沖床滑塊下降過程中，上模與下模夾緊對材料進(jìn)行加熱，然后再以適當(dāng)運(yùn)動模式進(jìn)行成形。 此種方法也適用于在沖床內(nèi)進(jìn)行成形品的聯(lián)結(jié)及各種產(chǎn)品的復(fù)合成形。許多難成形的材料，例如鎂合金、鈦合金等產(chǎn)品，都可用該種方法沖壓成形。由于這種沖壓要求沖床滑塊在下降過程中具有停頓的功能，以便對材料加熱提供時間，故人們研制一種全新概念的沖床“數(shù)控曲軸式伺服馬達(dá)沖床”，利用該沖床還可在沖壓模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)包括攻螺紋、鉚接等工序的復(fù)合加工，從而有力地拓展了沖壓加工范圍，為鎂合金在塑性加工業(yè)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2沖壓與冷鍛結(jié)合（連續(xù)冷擠壓技術(shù)，即CFP技術(shù)）

       一般板料沖壓僅能成形等壁厚的零件，用變薄拉伸的方法最多能獲得厚底薄壁零件，沖壓成形局限性限制了其應(yīng)用范圍。而在汽車零件生產(chǎn)中常遇到一些薄壁但卻不等厚的零件（圖一），用單一的沖壓與冷鍛相結(jié)合的復(fù)合塑性成形方法加以成形，顯得很容易，因此，用沖壓與冷鍛相結(jié)合的方法就能擴(kuò)展板料加工范圍。其方法是先用沖壓方法預(yù)成形，再用冷鍛方法終成形。

       用沖壓冷鍛復(fù)合塑性成形，其優(yōu)點(diǎn)為：一是原材料容易廉價(jià)采購，可以降低生產(chǎn)成本；二是降低單一冷鍛所需的大成形力，有利于提高模具壽命。

2.微細(xì)沖壓加工

       現(xiàn)在所談?wù)摰奈⒓?xì)加工指的是微零件加工技術(shù)。微零件的界定通常指的是至少有某一方向的尺寸小于100μm，它比常規(guī)的制造技術(shù)有著無可比擬的應(yīng)用前景。用該技術(shù)制作的微型機(jī)器人、微型飛機(jī)、微型衛(wèi)星、衛(wèi)星陀螺、微型栗、微型儀器儀表、微型傳感器、集成電路等等，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)許多領(lǐng)域都有著出色的應(yīng)用，他能給許多領(lǐng)域帶來新的拓展和突破，無疑將對我國未來的科技和國防事業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響，對世界科技發(fā)展的推動作用也是難以估量的。譬如微型機(jī)器人可完成光導(dǎo)纖維的引線、粘接、對接等復(fù)雜操作和細(xì)小管道、電路的檢測，還可以進(jìn)行集成芯片生產(chǎn)、裝配等等，僅此就不難窺見微細(xì)加工誘人的魅力。

       發(fā)達(dá)工業(yè)國家對微細(xì)加工的研究開發(fā)十分重視，投入了大量的人力、物力和財(cái)力，一些有遠(yuǎn)見的著名大學(xué)和公司也加入了這一行列。我國在這方面也做了大量的研究工作，有理由認(rèn)為在21世紀(jì)，微細(xì)加工一定會像微電子技術(shù)一樣，給整個世界帶來巨大的變化和深刻的影響。對于模具工業(yè)，由于沖壓零件的微型化及精度要求的不斷提高，給模具技術(shù)提出了更高的要求。原因是微零件比傳統(tǒng)的零件成形要困難得多，其理由是：

①零件越小，表面積與體積比迅速增大；

②工件與工具間的粘著力，表面張力等顯著增大；

③晶粒尺度的影響顯著，不再是各向同性的均勻連續(xù)體；

④工件表面存儲潤滑劑相對困難。

      微細(xì)沖壓的一個重要方面是沖小孔，譬如微型機(jī)械、微型儀器儀表中就有很多需要沖壓的小孔。故研究小孔沖壓應(yīng)是微細(xì)沖壓的一個極其重要的問題。沖小孔的研究著重于：一是如何減小沖床尺寸；二是如何增大微小凸模的強(qiáng)度和剛度〔這方面除了涉及到制作的材料及加工的技術(shù)外，最常用的便是增加微小凸模的導(dǎo)向及保護(hù)等）。盡管在沖小孔上需要研究的問題還很多，但也取得了不少可喜的成績。有資料表明國外己經(jīng)開發(fā)的微沖壓機(jī)床長111mm，寬62mm，高170mm，裝有一個交流伺服電機(jī)，可產(chǎn)生3KN的壓力。該壓力機(jī)床裝有連續(xù)沖壓模，能實(shí)現(xiàn)沖裁和彎曲等。日本東京大學(xué)利用一種胃WFDG技術(shù)制作了微沖壓加工的沖頭與沖模，利用該模具進(jìn)行微細(xì)沖壓，可在50μm的聚酰胺塑料板上沖出寬為40μm的非圓截面微孔。

       在超薄壁金屬筒形件拉深方面，清華大學(xué)有了良好的開端。超薄壁拉深技術(shù)的關(guān)鍵是要有高精度的成形機(jī)。他們在壁厚為0.001mm~0.1mm的超薄壁金屬圓筒成形中，研制出一臺有微機(jī)控制功能的精密成形試驗(yàn)機(jī)，使沖頭與凹模在加工過程中對中精度達(dá)到1μm，從而有效地解決了超薄壁拉深中易出現(xiàn)起皺與斷裂而不能正常操作的難題。利用該機(jī)對初始壁厚為03mm的黃銅和純鋁進(jìn)行一系列變薄拉深加工，加工出內(nèi)徑為16mm，壁厚為0.015mm~0.08mm,長度為30mm的一系列超薄壁金屬圓筒。經(jīng)檢測，成形后的超薄壁筒壁厚差小于2μm，表面粗糙度尺30.057μm，從而大大地提升了應(yīng)用該超薄壁圓筒儀器儀表的精度，相應(yīng)地也提升了安裝該儀器儀表整機(jī)的性能。

3.智能化沖壓

       板料沖壓從手工操作到半機(jī)械化、機(jī)械化、自動化操作，均是沖壓發(fā)展到每個階段的標(biāo)志，而今板料沖壓又進(jìn)入到了智能化階段，因此，可以說智能化沖壓是板料沖壓技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。板料成形智能化研究起源于20世紀(jì)80年代初的美國，繼后，曰本塑性加工界也開始板料智能化研究。該項(xiàng)技術(shù)研究之初的十余年間，全部力量集中于彎曲回彈的成形控制，直至1990年后該項(xiàng)技術(shù)的研究才擴(kuò)展到筒形零件的拉深變形，進(jìn)而再擴(kuò)展至汽車覆蓋件成形、級進(jìn)模智能成形等。

       所謂智能化沖壓，乃是控制論、信息論、數(shù)理邏輯、優(yōu)化理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)與板料成形理論有機(jī)相結(jié)合而產(chǎn)生的綜合性技術(shù)。板料智能化是沖壓成形過程自動化及柔性化加工系統(tǒng)等新技術(shù)的更高階段。其令人贊嘆之處是能根據(jù)被加工對象的特性，利用易于監(jiān)控的物理量，在線識別材料的性能參數(shù)和預(yù)測最優(yōu)的工藝參數(shù)，并自動以最優(yōu)的工藝參數(shù)完成板料的沖壓。這就是典型的板料成形智能化控制的四要素：實(shí)時監(jiān)控、在線識別、在線預(yù)測、實(shí)時控制加工。智能沖壓從某種意義上說，其實(shí)是人們對沖壓本質(zhì)認(rèn)識的一次革命。它避開了過去那種對沖壓原理的無止境探求，轉(zhuǎn)而模擬人腦來處理那些在沖壓中實(shí)實(shí)在在發(fā)生的事情。它不是從基本原理出發(fā)，而是以事實(shí)和數(shù)據(jù)作為依據(jù)，來實(shí)現(xiàn)對過程的優(yōu)化控制。

       智能化控制的當(dāng)然是最優(yōu)的工藝參數(shù)，故最優(yōu)的工藝參數(shù)確定是智能化控制的關(guān)鍵所在。所謂最優(yōu)工藝參數(shù)，就是在滿足各種臨界條件的前提下所能夠采用的最為合理的工藝參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工藝參數(shù)的在線預(yù)測，就必須對成形過程的各種臨界條件有明確的認(rèn)識，并能夠給出定量的準(zhǔn)確描述，在此基礎(chǔ)上才能夠確定智能化的控制。而定量描述的精度又決定著智能化系統(tǒng)的識別精度和預(yù)測精度。這就表明系統(tǒng)的識別精度、預(yù)測精度和控制精度均依賴于定量描述精度的提高，故要不斷予以修改、提高。且檢測精度、識別精度、預(yù)測精度和監(jiān)控精度系統(tǒng)本身也要不斷完善提高。這樣，智能化沖壓才能達(dá)到應(yīng)有的水平。

       有關(guān)研究表明在拉深過程的智能化控制中，最優(yōu)工藝參數(shù)的預(yù)測最終歸結(jié)為壓邊力變化規(guī)律的確定，而壓邊力的控制又基于壓邊力的預(yù)測研究。預(yù)測拉深成形壓邊力的傳統(tǒng)方法主要有兩種：實(shí)驗(yàn)法和理論計(jì)算法。近年來又把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等人工智能理論引入壓邊力最佳控制曲線的預(yù)測研究中，目前變壓邊力控制技術(shù)己成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個研究熱點(diǎn)。而壓邊力變化規(guī)律的理論根據(jù)就是確定起皺或破裂的臨界條件，可見拉深中法蘭起皺和破裂的臨界條件的正確確定不可不重視。進(jìn)一步研究還表明，對錐形件拉深而言，法蘭起皺區(qū)幾乎被側(cè)壁起皺區(qū)所包圍，故克服了側(cè)壁起皺同時也就克服了法蘭起皺，所以對錐形件拉深來說，其主要矛盾集中于工件破裂和側(cè)壁起皺。故其壓邊力大小范圍要控制在側(cè)壁不起皺〔最小極限）和側(cè)壁不破裂（最大極限）之間。

4.綠色沖壓

       環(huán)境與資源是當(dāng)今世界發(fā)展必須要解決好的兩個重大課題。為確保人類社會文明與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性，人們提出綠色制造。所謂綠色制造系指在滿足產(chǎn)品功能、質(zhì)量和成本要求的前提下系統(tǒng)考慮從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個生命周期，力求在每個環(huán)節(jié)中以對環(huán)境的負(fù)面影響最小，資源利用率最高。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響與資源效率的現(xiàn)代制造模式，而綠色沖壓亦是如此，實(shí)質(zhì)上就是人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代沖壓中的具體體現(xiàn)。它應(yīng)包括在模具設(shè)計(jì)，制造、維修及生產(chǎn)應(yīng)用等各個方面。

5.綠色設(shè)計(jì)

       所謂綠色設(shè)計(jì)即在模具設(shè)計(jì)階段就將環(huán)境保護(hù)和減小資源消耗等措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，將可拆卸性、可回收性、可制造性等作為設(shè)計(jì)目標(biāo)并行考慮并保證產(chǎn)品功能、質(zhì)量壽命和經(jīng)濟(jì)性。例如在小批量多品種生產(chǎn)中可采用通用模架、組合模具結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到一模多用，甚至還可以采用一形兩面凸模〔圖2〕、 一模多形〔圖3〕等方法，以減少模具數(shù)量，節(jié)省材料。圖2a為45度切角凸模、圖2b為拉深凸模、圖2c為彎曲凸模、其特點(diǎn)都是一面磨損了，換另一面可繼續(xù)使用。

       圖3為沖壓扣接模具、三個凸模共用一個凹模，其凹模制成一模多形狀，這樣就大大減少了材料與能量的消耗，對環(huán)境有利。

       隨著模具工業(yè)的發(fā)展，對金屬板料成形質(zhì)量和模具設(shè)計(jì)效率要求越來越高，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法己無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。近年來，用有限元法對板料成形過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，是模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命。用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬能獲得成形過程中工件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變分布。通過觀察位移后工件變形形狀能預(yù)測可能發(fā)生的起皺；根椐離散點(diǎn)上的主應(yīng)變值在板料成形極限曲線上的位置或利用損傷力學(xué)模型進(jìn)行分析，可以預(yù)測成形過程中可能發(fā)生的破裂；將工件所受外力或被切除部分的約束力解除，可對回彈過程進(jìn)行仿真，得到工件回彈后的形狀和殘余應(yīng)力的分布。這一切，就為優(yōu)化沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，是真正意義上的綠色模具設(shè)計(jì)。

6.綠色制造

       在模具制造中，應(yīng)采用綠色制造。現(xiàn)在有一種激光再制造技術(shù)，它是以適當(dāng)?shù)暮辖鸱勰椴牧希诰哂辛慵蜟AD/CAM軟件支持下，采用計(jì)算機(jī)控制激光頭修復(fù)模具。具體過程是當(dāng)送粉機(jī)和加工機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動，光束輻射與粉末輸送同步: 使修復(fù)部位逐步熔敷，最后生成與原形零件近似的三維體，且其性能可以達(dá)到甚至超過原基材水平，這種方法在沖模修復(fù)尤其是在覆蓋件沖模修復(fù)中用途最廣。由于該項(xiàng)技術(shù)不以消耗大量自然資源為目標(biāo)，故稱為綠色制造。

       此外，在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少沖壓工藝廢料及結(jié)構(gòu)廢料，最大限度地利用材料和最低限度地產(chǎn)生廢棄物。減少工藝廢料，就是通過優(yōu)化排樣來解決，例如采用對排、交叉排樣等方法，還可以采用少無廢料排樣方法，以大幅度提高材料利用率。所謂優(yōu)化排樣就是要解決兩個問題：一是如何將它表示成數(shù)學(xué)模型；二是如何根據(jù)數(shù)學(xué)模型盡快求出最優(yōu)解，其關(guān)鍵就是算法問題。現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)己發(fā)展到智能優(yōu)化算法，主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火、禁忌搜索等。可以相信優(yōu)化排樣將會有一個突破性進(jìn)展，對結(jié)構(gòu)廢料多的工件可采用套裁方法，從而能達(dá)到廢物利用，變廢為寶。此外，還可以通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方法來加以解決也不是完全不可能的。對于套裁，人人皆知的有大墊片套裁中墊片，中墊片再套裁小墊片等。

       世界科技飛速發(fā)展，將我國模具工業(yè)推進(jìn)到一個嶄新階段，我們有理由相信沖壓加工前景無限美好。塑性加工業(yè)一定會在向大自然偉大進(jìn)軍的征程中，在給人類提供日益提高的物質(zhì)產(chǎn)品同時不斷豐富和拓展本身，取得更加喜人的成果。