进口数控冲床冷冲模具国产化研究

魔神

        近年来，随着通讯、电器开关、仪器仪表等行业的迅速发展，板金件冲压工艺制造过程中多工位数控冲床的应用呈迅猛发展的趋势，其中绝大部分选用了日本多田、CENTRUM和AMADA公司的系列数控冲床。与普通冷冲模具不同，进口多工位数控冲床用冷冲模具的凹凸模定位精度要求高，因此要求模具制造尺寸精度也很高，同时由于数控冲床的冲速远高于普通冲床，因此对模具的使用性能也相应提高，这就对模具的材料选择、热处理工艺和表面处理工艺等提出了更高的要求。   
    1.多工位数控冲床用的冷冲模具的现状  
    在国内多工位数控冲床绝大部分依赖进口的条件下，配套的冷冲模具目前全部依靠进口，尤其在通讯和开关电器行业，全国数百台的进口数控冲床，每年数控冲床用模具进口量上几亿元。目前国内还没有专业生产数控冲床用冷冲模具的企业，其原因可归纳如下：一是数控冲床由于冲速快，对模具的使用要求较高，这就对模具材料提出了很高的要求。国产的常规冷冲模具钢在冶金质量和工艺上存在较大的差异，难以满足高精度、长寿命的冷冲模具备的要求；二是先进热处理和表面处理工艺的推广应用不够，限制了冷冲模具寿命的提高；三是先进制造技术以及加工设备落后限制了高精度模具的生产；四是根据模具制造技术较为发达的国家的经验，良好的社会大协作是提高模具质量、降低模具制造成本的关键，国内这方面发展较慢，也制约了模具质量的提高。  
    2国产化研究的技术关键  
    冷冲模具是实现少、无切削的重要工具，尤其在高效率的数控冲床广泛应用于生产时，模具寿命的高低直接影响产品质量、产品成本和生产效率。影响模具的寿命的因素有模具材料、材料热处理和表面处理以及模具制造工艺。  
    2.1模具材料  
    模具材料是模具工业的基础，根据产品质量、产品材质、材料厚度以及模具大小、模具结构的不同，模具材料的选择应该遵循不同的原则。冷冲模具材料的选择由多种因素决定，其中最重要的是根据模具的具体工作条件和模具的失效形式，在保证模具性能的前提下尽可能降低模具成本。因此，性能相对较差的材料，比如综合性能相对较差的碳素工具钢和碳化物分布存在严重偏析的高合金模具钢，不能应用在生产条件比较苛刻的冷冲模具上。数控冲床用冷冲模具由于冲速快，对模具材料的耐磨性，耐冲击性提出了更高的要求。国内生产冲模的材料与国外一样，大多采用高碳高铬钢工具钢和高速钢，但总体质量相差较远，包括冶金质量、碳化物级别、锻造工艺等。国内大多采用电弧炉一次冶炼的钢水直接浇到锭模中凝固成钢锭，而后轧（锻）制成材供应用户，这种模具钢的内在质量由于在涛淀的头部有缩孔、疏松，在铸锭的边缘与芯部之间有碳化物的混合物及夹渣，在钢锭的断面上有颗粒大小不匀的碳化物，存在严重的宏观偏析与显微偏析，钢的杂质多，纯度较差，给冷冲模具带来严重的质量隐患。因此，在选择冷冲模具材料时，对钢材的共晶碳化物不均匀度提出严格的要求，通常要求2级以上。锻造是提高材料质量的一个有效途径，大多冷冲模具钢经复杂的锻造工艺后可以提高碳化物级别。  
    采用新材料、新技术、新工艺、新装备是提高模具寿命的有效途径。如采用电渣重熔炼技术，除去碳化物和硅酸盐类杂物，增加纯度，使晶粒细小均匀，并可以增强淬火时二次强化效应和抗软化性能，还可以改善钢的各向同性性能；粉末冶金技术的发展也为冷冲模具材料提供了新途径，比如粉末冶金高速钢，由于其细小、均匀的颗粒状碳化物，使韧性大为改善，根本上解决了高速冲裁时的韧性问题，但价格相对较高。其他优质模具新材料也十分重要，如硬质合金，陶瓷材料、复合材料等，可以根据不同的工作条件结合模具的综合成本，来选择合适的材料。  
    2.2模具材料的处理  
    2.2.1冷冲模具的热处理技术  
    模具材料的热处理是模具制造过程中非常重要的工序，通过热处理可以改善材料的组织和性能，保障模具的最终使用寿命。模具热处理方法和工艺的选择同样要根据模具的工作条件、失效方式和对性能的不同要求来确定。改善热处理设备，改进热处理工艺，使材料的强度、韧性得到最佳配合；严格遵循热处理工艺，控制加热温度、时间、冷却速度，从而保证模具的使用性能。与国外模具行业相比，关键在于先进设备的应用和工艺的控制，结合我国的实际情况，发展社会协作，热处理生产由专业厂家对模具的整体质量提高有很大的好处。  
    2.2.2冷冲模具的表面处理技术  
    冷冲模具的工作部位是刃口，凸模在冲裁和从板材中拔出时，受到强烈的摩擦。因此，对冲载模的要求是刃口表面要有很好耐磨性。表面处理既可以使基体保持足够的强韧性，又可提高材料表面的耐磨性。  
    常用的模具表面强化处理技术可分为三类：1、改变基体表面化学成分的方法，如渗金属、渗碳、氮化等；2、不改变基体表面化学成分的方法，如激光表面改性技术、电子束表面处理等；3、在基体表面形成硬化层的方法，如PVD，CVD、PCVD、镀铬、热喷涂等。每一种强化方法都有一定的适用范围，因此要充分了解各种表面强化处理方法的特性，必须根据不同工作条件和对性能的不同要求，如对耐磨性、抗粘着性、韧性等不同性能的要求来选择合理的表面强化处理方法。 
    国内虽然在表面处理领域的研究水平已达到了国际领先水平，但合理应用于生产，尤其是在冷冲模具上应用还不够成熟，还没形成一套行之有效的工艺措施和设备条件，单件小规模的实验室研究不能满足社会化大生产的需要。  
    2.3冷冲模具的机械制造技术  
    2.3.1冲模机械制造工艺  
    冷冲模具的机械制造工艺通常是指冲模主要工作零件如凸模和凹模的制造加工方法。由于技术和设备条件的限制，长期以来，国内模具制造工艺并没有引起人们足够的重视，特别是不少中小型及乡镇企业仍在使用手工锉磨方法以及加工精度低的旧设备加工冲模的主要部件。实际上，冲模主要部件的加工精度和表面质量直接影响到模具的使用寿命，象凹模的电火花线切割加工工艺、凸模的刃口磨削工艺，精冲模的凹凸模间隙的合理选择以及模具的刃磨工艺等很大程度上影响模具的最终使用寿命。  
    电火花线切割加工工艺由于其具有高精度和高自动化等优点，获得了迅速的发展，在模具制造、成形刀具加工、难加工材料和精密复杂零件的加工等方面得到了广泛的应用。但与国外先进线切割技术相比，国产机床的精度、功能、自动化程度、可靠性、加工稳定性、产品外观质量、加工工艺指标等方面都有很大差距。一般冷冲模的工作零件，以冲载模的凸模加工为例，其尺寸准精度一般要求为≤0.01μｍ，端面及侧面表面粗糙度Ｒａ0.4～0.1。如果直接采用电火花线切割加工，而不采取后续切割加工工序，很难完全达到加工要求。尤其是表面粗糙度，国产机床大多达不到冲模的要求，所以必须增加喷砂、研磨及超声波清理等后续加工，以消除有害电蚀层对冲模的影响，提高加工工件尺寸精度与表面粗糙度，提高表面质量。资料表明，冲裁模刃口表面粗糙度会明显影响到模具的寿命。 
    磨削加工工艺亦是影响模具寿命的重要因素之一，一方面合理磨削加工工艺将提高尺寸精度各表面粗糙度，同时合理的磨削加工工艺如磨削进刀量，磨削用冷却介质，砂轮选择等均可影响磨削裂纹的产生，最终影响模具寿命。而模具的尺寸精度直接影响凹凸模间的间隙，针对一定被加工材料厚度，过大或过小间隙都将影响模具的使用寿命，冷冲模具凹凸模间隙对模具使用寿命的影响是值得深入研究的重要课题。 
    2.3.2应用先进制造技术是保证模具优点的重要措施之一。  
    当前，各国工业生产的特点是产品品种多，更新快和市场竞争激烈，在这种情况下，用户对模具制造的要求是交货期短、精度高、质量好、价格低，模具技术的发展应该是与这些要求相适应的，冷冲模具制造中数控加工技术和计算机辅助设计制造技术即CAD/CAM/CAE技术的推广应用是模具技术发展的一个重要里程碑，无论从模具制造精度、表面粗糙度，制造周期、生产成本等方面来考核，数控技术是模具发展的方向。尤其对进口数控冲床用冷冲模具等尺寸精度较高的模具产品，传统加工设备根本无法达到所要求精度，加工精度超过1μｍ的超精加工技术和集电化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工工艺将会有广阔的前景。同时先进的数字化测量和自动加工系统的研制和发展也将是我国模具制造技术长远发展的目标。  
    3数控冲床冷冲模具国产化市场前景分析。  
    我国工业经济已经到了大批量规模经济和小批量多品种经济同时发展的时期，但就这两种经济形式对模具的依赖性来讲，只是大同小异。在未来的模具市场中，虽然塑料模具和压铸模具的需求将逐渐增大，但对精密、大型、复杂、长寿命的冷冲模具的需求将逐渐增加。从1995年我国机床进口数量分析来看，数控冲床的进口数量同比增加为113.71％，在机床进口所增加速中属比较高的一种机床，可以预测，相应模具进口数量和增加速度也不会低，根据国内开关行业统计中进口数控冲床调查表明，目前该行业就拥有500台以上进口数控冲床，每台若年模具消耗金额为20万元左右，则国内年消耗模具数量为1亿元，因此，数控冲床用模具的市场潜力是相当大的。由于数控冲床进口最多的只是近几年，因此，配套模具国产化研究尚属起步阶段，从我单位开展的研究来分析，国产化模具的生产成本仅进口模具的1/2，如果全部采用国产化模具，每年可节约进口费用0.5亿元。
    从前面分析可知，当前国产化的关键问题是材料处理及先进制造技术的应用。从我国当前冷冲模具行业的科研力量和单项技术水平来讲完全能达到国外先进水平，但模具作为一种产业，涉及的不仅是某一项科研成果水平的高低，而是一个综合的社会协作和生产管理的问题，从原材料制造、模具机械加工以及全面质量管理等方面应该吸收先进国家的管理模式，才能真正形成具有竞争力的先进模具制造企业和高质量的模具产品。