冲压技术将材料利用率最大化

1.无搭边冲裁技术 近年来，随着汽车、家电、电子电器等制造业的迅猛发展，由于对金属板材的要求旺盛而使其价格不断上扬。板材冲压件的制造成本也大幅度上涨。节材降耗已成为冲压行业普遍关注的课题。根据长期生产的实际统计，冲压件的制造成本中原材料费用占60%以上。一些常年大量生产的冲压件，这个比率甚至高达80%。因此，降低原材料消耗对降低冲压件的制造成本具有重大的现实意义。

根据汽车、自行车、仪器仪表、电子与无线电、家电、高低压电器、摩托车等制造业的统计，目前板料冲压的材料利用率平均在65%～80%之间。如果冲压件的制造成本中原材料费用占60%，板材利用率为80%，则冲压废材耗率为20%，那么冲压废料开支就占成本的12%，而且每提高板材利用率1%，则可降低冲压件制造成本0.6%。对于各类机电产品，如电子电器、仪器仪表，家电音响、照相复印机械、汽车、拖拉机、各种机动车、自行车、机车车辆、农机、日用工业品、玩具、五金等冲压工作量大、冲压件占产品零件总数高达50%～75%，有的甚至达到90%以上的上述产品制造厂，采用无废料与少废料冲模，推行无废料冲裁，节材降耗，是降低产品成本提高企业经济效益的根本途径之一。

（1）无废料冲裁技术。利用板、条、带、卷料冲制工作的过程中不产生废料，材料利用率达到100%，即所谓无废料冲裁。但是，这种理想的情况在实际生产中较为少见。然而，近年来不少企业重视无废料冲裁技术研究，以提高板材利用率。

从冲压工艺角度来讲，只要冲压过程中不产生搭边、沿边、料头、料尾等工艺废料，就应算作无废料冲裁。而实际上，冲压废料还包括冲体内形孔、凹口、凸台、支臂等结构形状在冲裁时必然产生的结构废料。无搭边冲裁不能消除结构废料，只能靠“套裁”“混合排样”以及利用废料冲制小尺寸工件等措施来利用这部分废料，提高板材利用率。

所谓“无废料冲裁技术”，实际上就是无搭边及无废料排样技术，套裁与混合排样技术，无废料与少废料冲模设计、制造及使用技术等内容的概括。应该指出的是，对于板料冲压来说，增产与节约同是增收节支、提高效益的重要手段。而使用无废料与少废料冲模不仅能显著提高材料利用率，还可以大幅度提高冲压效率，尤其“一模多件”的无废料冲模效果最为明显。

（2）无废料及无搭边排样。欲实施无废料冲裁必须首先进行无废料排样。在无搭边排样的基础上，冲压过程中又不产生结构废料，才能达到完全的无废料冲裁。

能否进行无搭边排样取决于平板冲裁件及成型冲压件展开毛坯的结构形状及尺寸。实现无搭边排样对上述平板冲裁件的结构形状有如下要求：

1）至少有一个直线边，以便排样时与料边重合，不产生沿边。

2）圆弧外廓必须成双配对，有凸，有凹，凸凹完全吻合。

3）凸凹与凹口外廓也必须成双配对，有凸台必须有凹口，而且凸台与凹口的高、宽全等或凹口宽是凸台宽的两倍或几倍，可以使凸台插入凹口完全吻合，也可以使两个或几个凸台组合插入凹口吻合无缝。

4）折线轮廓必须是折线长度相等、内夹角相等或互补。

以上各条中，第一条是必需的。其他各条依冲压件轮廓形状对号入座。具备以上各条件的平板冲裁件便可用两个以上同种冲裁件，在同一平面上进行无缝隙拼合，构成一个具有平等的两条直线边的闭合平面，并能置于同一条、带、卷料上，且无沿边与搭边，实现无搭边排样。如果冲裁件结构形状适宜，又无结构废料出现，那就可以实施无废料冲裁；如果冲裁件结构形状复杂，具有内孔或小凸台等，有可能产生结构废料，甚至出现局部沿边或搭边，那就只能实现少废料冲裁。

通过以下实例分析，可以看出上述条件的实用性并以排样结果给予说明。

1）对于圆形、半圆形、椭圆形、环形、圆盘形、球面形、球缺形、圆头及半圆头钥匙形、长圆形、有单个圆弧及单个凸台或单个弧底凹口形、梅花形、片齿与扇齿轮形、棘轮形、腰鼓形以及近似外廓形状的平板冲裁件都不可能进行无搭边排样，更谈不上无废料冲裁了。

2）具有圆弧外廓、内部无孔的平板冲裁件，不仅都具有一条以上的直线边，而且外廓圆弧都成双配对，凸、凹完全吻合，都可以进行无搭边排样。从各自排样图可以看出，料头与料尾的损耗都将产生。在这种情况下，选用长带料或卷料冲裁较为有利。

从图4-32可以看出，具有圆弧外廓的平板冲裁件，只有圆弧凸、凹吻合，能成双配对，才能两件以上在同一平面上无缝隙地拼合成一个闭合平面，否则将产生缝隙，不可能实现无搭边排样。

图4-32 具有圆弧外廓的平板冲裁件无搭边排样

3）图4-33示出了五例具有凸台和凹口轮廓的平板冲裁件。其凸台和凹口也要成双配对，高度与宽度完全相等。仅有凸台没有凹口不行；只有凹口没有凸台也不行。台阶可两件组合成凹口，但必须与凸台吻合。只有这样才有可能在拼合排样时，让凸台插入凹口，构成闭合平面，实现无搭边排样。

图4-33 具有凸台与凹口轮廓的平板冲裁件无搭边排样

如果冲件凹口宽度是凸台宽度的两倍且高度相同，便可两件组合拼合，这类冲裁件都具有两条平行的直线边。

从图4-33可以看出，台阶高、宽相等或两件组合后相等，才可能无缝隙拼合。凸台与凹口必须成双配对，完全吻合。因此，台阶与凸台、凹口的相应尺寸相等或成倍数是无搭边排样的前提。

4）从图4-34所示四个示例中可以看出，具有折线轮廓的平板冲裁件，只有折线长短相等，折线内夹角全等或互补，才能实现两件以上在同一平面内无缝隙地拼合成闭合平面，并可置于同一条、带、卷料上进行无搭边冲裁。如果具有两条平行的直线边，仅一条为斜线，则亦符合两内夹角互补的原则，仍然可进行无搭边排样。

图4-34 折线轮廓无搭边排样

（3）模具类型、结构及其设计。与普通冲孔、落料用全封闭轮廓的冲裁模相比，无废料与少废料冲模多为单边剪截或双边剪截的冲裁模。其工艺及冲模有如下特点：

1）节省材料。一般可节料15%以上，故能降低冲件制造成本9%以上。

2）因冲裁工作只需单边或双边剪截，故冲裁压力多数情况下至少降低一半，所用压力机吨位也相应缩小，可节能降耗。

3）模具结构简单、制造方便，制模周期短而成本低。

4）冲压效率高。一般当单边剪截冲裁时，材料可直接送入而不需要抬高越过挡料销，能不间断冲压。当双边剪截冲裁时，多为“一模两件”或“一模多件”，与普通冲裁相比，冲压效率至少要高出1～3倍。

5）这类冲模标准化程度高，设计简便而周期短。设计时仅需依冲件图、排样图及选定的冲压设备主要技术规格选择上述典型组合标准中适宜的结构类型与合适的尺寸规格，绘出工作零件，即凸、凹模零件图即可投入制造。标准零部件可随时在市场购得。

无废料与少废料冲裁工艺的主要缺点是冲件的尺寸与形位精度较低。其尺寸精度一般为GB/T 1800—2009标准精度等级IT12～14级。其冲件的平面度、直线度、同轴度较差。拱弯及扭曲明显，一般不经校平不能转序加工，也不能直接使用。此外，当刃口在冲件上的剪截位置确定不当时，如正好在角部顶端、台阶交接处、圆弧切点以及折线交接处等，容易因送进误差、刃口磨损等原因在这些冲切外廓交汇点产生余料、材料缺失或超标毛刺，使冲件报废。但是，上述这些缺点与不足，均可在冲模结构上采取措施给予消除或避免，故不足为虑。

无废料与少废料冲裁所用冲模的类型依其冲压过程的特点及冲压工序的连续性可分为：

1）单工位剪截模。该类冲模仅一个剪截工位，一般只进行单边或双边剪截，适于无孔平板冲截件的无废料冲截。主要结构特点是剪截凸模左侧非刃口边制出一个台阶，使挡料板挡料面超过凹模左边刃口而不与其接触，使进材料只用凹模和凸模左边刃口剪截。

2）多工位连续冲裁模。这类冲模设有两个以上冲裁工位，一般是冲孔或切口后再剪截分离，适于有孔的平板冲裁件进行无搭边少废料冲制。

3）多工位连续式复合模。这类无废料与少废料冲模设有两个以上工位。除了冲孔与剪截分离工位外，还设有弯曲等成型工位。常见的为冲孔、剪截变曲复合冲压两个工位，如图4-35所示。

图4-35 连续式复合模

1—模柄 2—上模座 3—固定板 4—冲孔凸模 5—卸料板 6—导料板 7—凹模 8—下模座 9—弯曲凹模 10—导正销 11—挡料销 12—弯曲切断凸模 13—定位销

4）无搭边复合冲裁模。这类复合冲裁模多用于冲制带孔平板冲裁件，采用无搭边排样，故多为少废料复合冲裁模。

无废料与少废料冲模在结构设计上与普通冲裁模大同小异，这类冲模的结构特点如下：

1）都设置剪截分离工位，而且这一工位在多数情况下都置于最后一个工位，尤其多工位连续冲裁模更是如此。

2）凡单边剪截工位，其凸模必须设有横向支撑装置，以平衡单边冲截时产生的侧向力。一般用加高末端挡料块高度或在剪截凸模刃口的对边做出一个高台阶的方法，也可另镶一挡料块，使它们的高度都高出刃口端面5t_料～15mm。剪截开始之前这一部分已插入挡块或凹模洞口并紧靠其侧壁，保证凸模稳定工作。

3）为提高冲件的形位精度，在结构上采取的主要措施是：为保证冲件内孔与外形的同轴度，用导正销导正位孔，确保剪截精度；为提高冲件平面度及直线度，采用弹压卸料板，这一点对于薄的和弹性大的材料尤其重要，为了控制送料进距并提高冲件尺寸精度，首先控制原材料，包括带、条、卷料的宽度公差，推荐用滚剪下料，在可能的情况下，变单边剪截为双边剪截，变漏件出模为弹顶卸件模上出件。还可以设计成型侧刃与导正钉配合或始用挡料销与导正销、固定挡料销配合，看着送料进距。

4）由于原材料宽度往往就是冲件长度尺寸，看着下料公差尤为重要。在冲模结构上要设法避开冲切料宽，通常是将剪截分离凸模加长2t_料以上至3～5mm，并最好在导料槽上设侧压装置使送进材料紧靠一边导料板。

5）对于多工位连续模最后的剪截分离工位多采用镶拼或镶嵌结构。无废料多工位连续式复合模，最后工位多进行分离剪截与弯曲复合冲压。

2.内高压成型技术 内高压成型原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成型。基本工艺过程是，首先将管坯放入下模，闭合上模，然后在管坯内充满液体，并开始加压，在加压的同时管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成型。对于轴线为曲线的构件，需要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成型，如图4-36所示。

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图4-36 内高压成型模具

1—左冲头 2—坯料 —上模 4—右冲头 5—冲孔缸 6—下模

德国于20世纪70年代末开始对高内压液力成型基础进行研究，并于90年代初率先开始在工业生产中采用高内压成型技术制造汽车轻体构件。德国奔驰（DAIMLER BENZ）汽车公司于1993年建立其内高压成型车间，宝马（BMW）公司已在其几个车型上应用了内高压成型的零件。目前在汽车上的应用有：排气系统异型管件；副车架总成；底盘构件、车身框架、座椅框架及散热器支架；前轴、后轴及驱动轴；安全构件等。

根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果，在北美制造的典型轿车中，空心轻体件在轿车总量的比例已从15年前的10%上升到16%，而在中型面包车、大吉普和皮卡车上的比例还要高。

因此美国有关大学、研究机构和公司十分重视高内压液力成型技术，已于几年前开始着手研究开发，近年来加大了研究开发的力度。

汽车上部分冲压件与内高压成型件的重量对比见表4-14。

表4-14 汽车上部分冲压件与内高压成型件的重量对比

与传统的冲压焊接工艺相比，内高压成型主要优点如下：

（1）减轻质量，节约材料。对于空心轴类零件可以减轻40%～50%，有些件可达75%。

（2）减少零件和模具数量，降低模具费用。内高压成型件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具。

（3）可减少后续机加工和组装焊接量。以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174个减少到20个，装备工序由13道减少到6道，生产效率提高66%。

图4-37为哈尔滨工业大学为国内某汽车零部件企业开发的55000kN多轴数控内高压成型机，图4-38和图4-39为两种典型的内高压管件。

目前，哈尔滨工业大学自主研发的内高压成型装备、工艺和模具技术，已经用于多个自主品牌轿车和国际品牌轿车的底盘、车身和排气系统构件批量生产中。

图4-37 内高压成型机

图4-38 底盘前梁内高压成型件

图4-39 SUV车前支架

（1）底盘结构件。图4-40a所示为哈尔滨工业大学为某自主品牌轿车研制的副车架。该件轴线为三维空间曲线，具有18个不同形状和尺寸的截面，形状包括矩形、梯形和多边形，因此在内高压成型过程中截面沿环向变形不均匀，易起皱或开裂。尤其是弯角位置形状复杂，弯曲外侧减薄，易在内高压成型时开裂。针对该副车架构件的截面形状，设计了具有不同内凹截面的预制坯，不仅避免了开裂，还有效控制了截面环向变形均匀性和壁厚分布，已经用于批量生产，年生产量为10万件左右。图4-40b所示是为某自主品牌轿车研制的扭力梁。

图4-40 内高压成型底盘零件

（2）车身结构件。仪表盘支架是一种典型的车身结构件，哈尔滨工业大学开发的国外某品牌轿车仪表盘支架（见图4-41），在国内实现批量生产，替代了进口。其总长达1600mm，存在多处弯扭变形，截面形状复杂，且截面过渡圆角小。通过合理的预成型，实现了材料的预先合理分配，保证了内高压成型时在周向变形的协调性，避免了局部起皱和开裂的缺陷。图4-42所示是哈尔滨工业大学为某自主品牌越野车开发的前支梁内高压成型件，也已开始批量生产。

图4-41 内高压成型仪表盘支架

3.电磁成型技术 电磁成型是一种在实用金属加工中效果较好的高速成型技术。该技术已实际应用了30年，大多数用于连接和同轴件的组装。电磁成型最常用的是压缩密封和轴对称件的组装，例如汽车油过滤器缸。在此技术中，电磁力被用来成型材料。一个脉冲电流从电容中释放到一个线圈，在线圈处靠近工件。脉冲电流在线圈中产生一个高强度磁场，这个磁场在工件处感应趋附电流和感应磁场。原磁场与感应磁场是相互排斥的，并且这个排斥力使工件变形。

图4-42 内高压成型前支梁

电磁成型的特点使其很适于自动化。由于放电能量由系统的稳定的电参数和充电电压所控制，所以获得的结果的重复性很好。

此技术的基本物理特点是：初始的变形力仅仅是由驱动线圈在材料处感应的趋附（涡流）感应电流产生磁力，表面压力仅在与模具接触处出现。这就提供了一种用其他方法难以获得的变形能力。

电磁成型可广泛应用于平板成型、板材冲裁、冲孔、管材电磁胀形和缩径、翻边和连接、压印和成型、多工序复合成型、组装件的装配、粉末压实、电磁铆接、电磁焊接及放射性物质的封存等，对一些特殊零件是优先选用的成型方法。如大型构件的精密校形、膜片无毛刺冲裁、复杂外形管件加工、导弹卡箍成型、仪器舱校形、飞机透平发动机舱成型、转矩轴及连杆装配；汽车空气调节储存器、热交换器、万向接头架、凸轮、齿轮等与驱动轴或万向轴管的连接；熔断器、绝缘器等电子元器件的装配；核工业中燃料棒的成型、核废料容器的密封；电磁铆接已被广泛用于波音公司737、747、767型飞机；而电磁粉末压制为电磁成型技术在功能陶瓷行业、敏感元件制备等方面的应用开辟了广阔的前景。

（1）环形线圈向内成型。这是一种应用最多、效率最高的方式，如图4-43所示。成型时，线圈在最外边，然后是工件，最心部是模具或工件。当线圈通电时，所产生的电磁力使工件向心部运动，由于有模具的限位，工件产生预期的变形。若心部所放置的不是模具，而是另一个工件，则可实现工件间的连接甚至焊接。这种方法常被用于实现不同材料管件间的连接。

图4-43 环形线圈向内成型示意图

1—线圈 2—工件 3—模具或工件

（2）环形线圈向外成型。这种成型方法如图4-44所示。由于是用小线圈（线圈在心部）来加工大工件，所以变形能力比前者弱得多。因一般不容易制作出太小的线圈，故被加工管件的内径必须较大才使得该工艺成为可能。

图4-44 环形线圈向外成型示意图

1—模具或工件 2—工件 3—线圈

（3）平板线圈向一侧成型。很多情况下会遇到平板零件的成型或落料问题，这时需要用平板线圈来成型。平板线圈成型如图4-45所示。线圈通电时产生向下的电磁力，使工件向下运动，当工件遇到模具时受到限位，使其产生预期的变形。当模具的棱角较尖锐、电磁力较大并且工件较薄时，得到的结果就会是落料。值得注意的是平板加工线圈的磁场分布很不均匀，从而限制了它的应用。

图4-45 平板线圈向下成型示意图

1—工件 2—线圈 3—模具

（4）电液成型。当要对小零件进行由内向外的成型时，由于工艺上的原因和绝缘处理的困难，无法制作出太小的线圈，或太小的线圈经一次放电就会损坏，这时可采用电液成型。图4-46所示是电液成型的原理示意图。当放电时，两个电极间的熔丝瞬间被加热爆炸成为等离子体状态，该过程所产生的高压经过不可压缩的水传到内管并使其变形，从而完成内管和外管（或板）间的连接。

图4-46 电液成型原理示意图

电极绝缘支撑欲变形管外管水