進(jìn)口數(shù)控沖床冷沖模具國產(chǎn)化研究

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近年來，隨著通訊、電器開關(guān)、儀器儀表等行業(yè)的迅速發(fā)展，板金件沖壓工藝制造過程中多工位數(shù)控沖床的應(yīng)用呈迅猛發(fā)展的趨勢，其中絕大部分選用了日本多田、CENTRUM和AMADA公司的系列數(shù)控沖床。與普通冷沖模具不同，進(jìn)口多工位數(shù)控沖床用冷沖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，同時(shí)由于數(shù)控沖床的沖速遠(yuǎn)高于普通沖床，因此對模具的使用性能也相應(yīng)提高，這就對模具的材料選擇、熱處理工藝和表面處理工藝等提出了更高的要求。 

　　1　多工位數(shù)控沖床用冷沖模具的現(xiàn)狀 

　　在國內(nèi)多工位數(shù)控沖床絕大部分依賴進(jìn)口的條件下，配套的冷沖模具目前全部依靠進(jìn)口，尤其在通訊和開關(guān)電器行業(yè)，全國數(shù)百臺(tái)的進(jìn)口數(shù)控沖床，每年數(shù)控沖床用模具進(jìn)口量上幾億元。目前國內(nèi)還沒有專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控沖床用冷沖模具的企業(yè)，其原因可歸納如下：一是數(shù)控沖床由于沖速快，對模具的使用要求較高，這就對模具材料提出了很高的要求。國產(chǎn)的常規(guī)冷沖模具鋼在冶金質(zhì)量和工藝上存在較大的差異，難以滿足高精度、長壽命的冷沖模具備的要求；二是先進(jìn)熱處理和表面處理工藝的推廣應(yīng)用不夠，限制了冷沖模具壽命的提高；三是先進(jìn)制造技術(shù)以及加工設(shè)備落后限制高精度模具的生產(chǎn)；四是根據(jù)模具制造技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國家的經(jīng)驗(yàn)，良好的社會(huì)大協(xié)作是提高模具質(zhì)量、降低模具制造成本的關(guān)鍵，國內(nèi)這方面發(fā)展較慢，也制約了模具質(zhì)量的提高。 

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　　2　國產(chǎn)化研究的技術(shù)關(guān)鍵 

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　　冷沖模具是實(shí)現(xiàn)少、無切削的重要工具，尤其在高效率的數(shù)控沖床廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)時(shí)，模具壽命的高低直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本和生產(chǎn)效率。影響模具的壽命的因素有模具材料、材料熱處理和表面處理以及模具制造工藝。 

　　2.1　模具材料 

　　模具材料是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品材質(zhì)、材料厚度以及模具大小、模具結(jié)構(gòu)的不同，模具材料的選擇應(yīng)該遵循不同的原則。冷沖模具材料的選擇由多種因素決定，其中最重要的是根據(jù)模具的具體工作條件和模具的失效形式，在保證模具性能的前提下盡可能降低模具成本。因此，性能相對較差的材料，比如綜合性能相對較差的碳素工具鋼和碳化物分布存在嚴(yán)重偏析的高合金模具鋼，不能應(yīng)用在生產(chǎn)條件比較苛刻的冷沖模具上。數(shù)控沖床用冷沖模具由于沖速快，對模具材料的耐磨性，耐沖擊性提出了更高的要求。國內(nèi)生產(chǎn)沖模的材料與國外一樣，大多采用高碳高鉻鋼工具鋼和高速鋼，但總體質(zhì)量相差較遠(yuǎn)，包括冶金質(zhì)量、碳化物級別、鍛造工藝等。國內(nèi)大多采用電弧爐一次冶煉的鋼水直接澆到錠模中凝固成鋼錠，而后軋（鍛）制成材供應(yīng)用戶，這種模具鋼的內(nèi)在質(zhì)量由于在濤淀的頭部有縮孔、疏松，在鑄錠的邊緣與芯部之間有碳化物的混合物及夾渣，在鋼錠的斷面上有顆粒大小不勻的碳化物，存在嚴(yán)重的宏觀偏析與顯微偏析，鋼的雜質(zhì)多，純度較差，給冷沖模具帶來嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。因此，在選擇冷沖模具材料時(shí)，對鋼材的共晶碳化物不均勻度提出嚴(yán)格的要求，通常要求2級以上。鍛造是提高材料質(zhì)量的一個(gè)有效途徑，大多冷沖模具鋼經(jīng)復(fù)雜的鍛造工藝后可以提高碳化物級別。 

　　采用新材料、新技術(shù)、新工藝、新裝備是提高模具壽命的有效途徑。如采用電渣重熔煉技術(shù)，除去碳化物和硅酸鹽類雜物，增加純度，使晶粒細(xì)小均勻，并可以增強(qiáng)淬火時(shí)二次強(qiáng)化效應(yīng)和抗軟化性能，還可以改善鋼的各向同性性能；粉末冶金技術(shù)的發(fā)展也為冷沖模具材料提供了新途徑，比如粉末冶金高速鋼，由于其細(xì)小、均勻的顆粒狀碳化物，使韌性大為改善，根本上解決了高速?zèng)_裁時(shí)的韌性問題，但價(jià)格相對較高。其他優(yōu)質(zhì)模具新材料也十分重要，如硬質(zhì)合金，陶瓷材料、復(fù)合材料等，可以根據(jù)不同的工作條件結(jié)合模具的綜合成本，來選擇合適的材料。 

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　　2.2　模具材料的處理 

　　2.2.1　冷沖模具的熱處理技術(shù) 

　　模具材料的熱處理是模具制造過程中非常重要的工序，通過熱處理可以改變材料的組織和性能，保障模具的最終使用壽命。模具熱處理方法和工藝的選擇同樣要根據(jù)模具的工作條件、失效方式和對性能的不同要求來確定。改善熱處理設(shè)備，改進(jìn)熱處理工藝，使材料的強(qiáng)度、韌性得到最佳配合；嚴(yán)格遵循熱處理工藝，控制加熱溫度、時(shí)間、冷卻速度，從而保證模具的使用性能。與國外模具行業(yè)相比，關(guān)鍵在于先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用和工藝的控制，結(jié)合我國的實(shí)際情況，發(fā)展社會(huì)協(xié)作，熱處理生產(chǎn)由專業(yè)廠家對模具的整體質(zhì)量提高有很大的好處。 

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　　2.2.2　冷沖模具的表面處理技術(shù) 

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　　冷沖模具的工作部位是刃口，凸模在沖裁和從板材中拔出時(shí)，受到強(qiáng)烈的摩擦。因此，對沖載模的要求是刃口表面要有很好耐磨性。表面處理既可以使基體保持足夠的強(qiáng)韌性，又可提高材料表面的耐磨性。 

　　常用的模具表面強(qiáng)化處理技術(shù)可分為三類：1、改變基體表面化學(xué)成分的方法，如滲金屬、滲碳、氮化等；2、不改變基體表面化學(xué)成分的方法，如激光表面改性技術(shù)、電子束表面處理等；3、在基體表面形成硬化層的方法，如PVD，CVD、PCVD、鍍鉻、熱噴涂等。每一種強(qiáng)化方法都有一定的適用范圍，因此要充分了解各種表面強(qiáng)化處理方法的特性，必須根據(jù)不同工作條件和對性能的不同要求，如對耐磨性、抗粘著性、韌性等不同性能的要求來選擇合理的表面強(qiáng)化處理方法。

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　　國內(nèi)雖然在表面處理領(lǐng)域的研究水平已達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，但合理應(yīng)用于生產(chǎn)，尤其是在冷沖模具上應(yīng)用還不夠成熟，還沒形成一套行之有效的工藝措施和設(shè)備條件，單件小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室研究不能滿足社會(huì)化大生產(chǎn)的需要。 

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　　2.3　冷沖模具的機(jī)械制造技術(shù) 

　　2.3.1　沖模機(jī)械制造工藝 

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　　冷沖模具的機(jī)械制造工藝通常是指沖模主要工作零件如凸模和凹模的制造加工方法。由于技術(shù)和設(shè)備條件的限制，長期以來，國內(nèi)模具制造工藝并沒有引起人們足夠的重視，特別是不少中小型及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)仍在使用手工銼磨方法以及加工精度低的舊設(shè)備加工沖模的主要部件。實(shí)際上，沖模主要部件的加工精度和表面質(zhì)量直接影響到模具的使用壽命，象凹模的電火花線切割加工工藝、凸模的刃口磨削工藝，精沖模的凹凸模間隙的合理選擇以及模具的刃磨工藝等很大程度上影響模具的最終使用壽命。 

　　電火花線切割加工工藝由于其具有高精度和高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，獲得了迅速的發(fā)展，在模具制造、成形刀具加工、難加工材料和精密復(fù)雜零件的加工等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但與國外先進(jìn)線切割技術(shù)相比，國產(chǎn)機(jī)床的精度、功能、自動(dòng)化程度、可靠性、加工穩(wěn)定性、產(chǎn)品外觀質(zhì)量、加工工藝指標(biāo)等方面都有很大差距。一般冷沖模的工作零件，以沖載模的凸模加工為例，其尺寸準(zhǔn)精度一般要求為≤0.01μｍ，端面及側(cè)面表面粗糙度Ｒａ0.4～0.1。如果直接采用電火花線切割加工，而不采取后續(xù)切割加工工序，很難完全達(dá)到加工要求。尤其是表面粗糙度，國產(chǎn)機(jī)床大多達(dá)不到?jīng)_模的要求，所以必須增加噴砂、研磨及超聲波清理等后續(xù)加工，以消除有害電蝕層對沖模的影響，提高加工工件尺寸精度與表面粗糙度，提高表面質(zhì)量。資料表明，沖裁模刃口表面粗糙度會(huì)明顯影響到模具的壽命。

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　　磨削加工工藝亦是影響模具壽命的重要因素之一，一方面合理磨削加工工藝將提高尺寸精度各表面粗糙度，同時(shí)合理的磨削加工工藝如磨削進(jìn)刀量，磨削用冷卻介質(zhì)，砂輪選擇等均可影響磨削裂紋的產(chǎn)生，最終影響模具壽命。而模具的尺寸精度直接影響凹凸模間的間隙，針對一定被加工材料厚度，過大或過小間隙都將影響模具的使用壽命，冷沖模具凹凸模間隙對模具使用壽命的影響是值得深入研究的重要課題。

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　　2.3.2　應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)是保證模具優(yōu)點(diǎn)的重要措施之一。 

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　　當(dāng)前，各國工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是產(chǎn)品品種多，更新快和市場競爭激烈，在這種情況下，用戶對模具制造的要求是交貨期短、精度高、質(zhì)量好、價(jià)格低，模具技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該是與這些要求相適應(yīng)的，冷沖模具制造中數(shù)控加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)即CAD/CAM/CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用是模具技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，無論從模具制造精度、表面粗糙度，制造周期、生產(chǎn)成本等方面來考核，數(shù)控技術(shù)是模具發(fā)展的方向。尤其對進(jìn)口數(shù)控沖床用冷沖模具等尺寸精度較高的模具產(chǎn)品，傳統(tǒng)加工設(shè)備根本無法達(dá)到所要求精度，加工精度超過1μｍ的超精加工技術(shù)和集電化學(xué)、超聲波、激光等技術(shù)綜合在一起的復(fù)合加工工藝將會(huì)有廣闊的前景。同時(shí)先進(jìn)的數(shù)字化測量和自動(dòng)加工系統(tǒng)的研制和發(fā)展也將是我國模具制造技術(shù)長遠(yuǎn)發(fā)展的目標(biāo)。 

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　　3　數(shù)控沖床冷沖模具國產(chǎn)化市場前景分析。 

　　我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)到了大批量規(guī)模經(jīng)濟(jì)和小批量多品種經(jīng)濟(jì)同時(shí)發(fā)展的時(shí)期，但就這兩種經(jīng)濟(jì)形式對模具的依賴性來講，只是大同小異。在未來的模具市場中，雖然塑料模具和壓鑄模具的需求將逐漸增大，但對精密、大型、復(fù)雜、長壽命的冷沖模具的需求將逐漸增加。從1995年我國機(jī)床進(jìn)口數(shù)量分析來看，數(shù)控沖床的進(jìn)口數(shù)量同比增加為113.71％，在機(jī)床進(jìn)口所增加速中屬比較高的一種機(jī)床，可以預(yù)測，相應(yīng)模具進(jìn)口數(shù)量和增加速度也不會(huì)低，根據(jù)國內(nèi)開關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)中進(jìn)口數(shù)控沖床調(diào)查表明，目前該行業(yè)就擁有500臺(tái)以上進(jìn)口數(shù)控沖床，每臺(tái)若年模具消耗金額為20萬元左右，則國內(nèi)年消耗模具數(shù)量為1億元，因此，數(shù)控沖床用模具的市場潛力是相當(dāng)大的。由于數(shù)控沖床進(jìn)口最多的只是近幾年，因此，配套模具國產(chǎn)化研究尚屬起步階段，從我單位開展的研究來分析，國產(chǎn)化模具的生產(chǎn)成本僅進(jìn)口模具的1/2，如果全部采用國產(chǎn)化模具，每年可節(jié)約進(jìn)口費(fèi)用0.5億元.

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　　從前面分析可知，當(dāng)前國產(chǎn)化的關(guān)鍵問題是材料處理及先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用。從我國當(dāng)前冷沖模具行業(yè)的科研力量和單項(xiàng)技術(shù)水平來講完全能達(dá)到國外先進(jìn)水平，但模具作為一種產(chǎn)業(yè)，涉及的不僅是某一項(xiàng)科研成果水平的高低，而是一個(gè)綜合的社會(huì)協(xié)作和生產(chǎn)管理的問題，從原材料制造、模具機(jī)械加工以及全面質(zhì)量管理等方面應(yīng)該吸收先進(jìn)國家的管理模式，才能真正形成具有競爭力的先進(jìn)模具制造企業(yè)和高質(zhì)量的模具產(chǎn)品。