1 前 言
今日之世界可謂是電子化產(chǎn)品無(wú)所不在的世界,從計(jì)算機(jī)、手機(jī)、光驅(qū)、數(shù)字相機(jī)、攝影機(jī)、投影機(jī)等皆與民眾生活息息相關(guān), 其數(shù)量以千萬(wàn)計(jì), 內(nèi)部之金屬零件更以數(shù)十倍計(jì), 其制造工藝大多為沖壓加工成形, 當(dāng)形狀較為復(fù)雜時(shí), 便以鑄造、焊接、粉末燒結(jié)甚至塑料射出成形以達(dá)到尺寸或功能的要求。究其原因乃在于沖壓工藝僅能對(duì)板材進(jìn)行沖切、彎曲或拉伸等工藝, 無(wú)法施以材料厚度上變化之塑性成形工藝, 因此所能成形之產(chǎn)品在形狀上便受到限制。
從金屬塑性成形加工技術(shù)之發(fā)展及3C 產(chǎn)品內(nèi)部零件的變化可以發(fā)現(xiàn), 越來(lái)越多的零件在體積小型化、重量輕量化、節(jié)省組裝及加工成本等趨勢(shì)要求下, 逐漸將2~ 3 個(gè)零件合而為一, 并由單一工藝生產(chǎn)出來(lái), 此工藝便是由日本所開發(fā)出來(lái)之板材沖鍛復(fù)合成形工藝, 亦可稱為冷鍛連續(xù)模工藝。其主要特點(diǎn)在于將冷鍛工序與沖壓連續(xù)模結(jié)合, 使此工藝可以在連續(xù)模內(nèi)進(jìn)行沖壓及鍛造成形, 使產(chǎn)品在外形及厚度上可以產(chǎn)生極大之變化, 達(dá)到零件結(jié)合或進(jìn)而取代原本需鑄造、燒結(jié)、焊接或機(jī)械加工之工藝。相應(yīng)地, 為了達(dá)到零件之精度要求, 亦需特殊成形設(shè)備及高精度模具加工組裝之配合。由于此工藝尚未為大家所熟知, 因此作了如上述較多之說(shuō)明。圖1 中顯示此工藝可成形零件之形狀特征、尺寸及精度。
沖鍛復(fù)合成形工藝所涵蓋之塑性加工技術(shù)種類極多, 諸如精密沖切、彎曲、引伸( draw ing) 及本身就具多樣變化之鍛造工程: 如引縮( Ironing) 、壓扁( upset ting ) 、擠伸( ex trusion) 或利用毛邊之閉模鍛等。本研究開發(fā)介紹之案例為封裝用的銅散熱片及光驅(qū)主軸馬達(dá)之一體型承載盤, 如圖2 所示,以下僅就其所包含之成形工序加以說(shuō)明, 并對(duì)其工藝條件、研究過(guò)程及結(jié)果作一討論。
2 工藝規(guī)劃及模具設(shè)計(jì)
首先就本研究產(chǎn)品的外形分析其在鍛造成形時(shí),成形工藝之種類、材料流動(dòng)之特性以及精度要求對(duì)模具設(shè)計(jì)之影響作一先期之判斷, 以利后續(xù)的成形工藝規(guī)劃及模具設(shè)計(jì)。
就銅散熱片而言, 主要工序?yàn)閴罕饧昂穸染?span>,圖3 為此零件的成形加工圖, 圖中列出了主要尺寸精度, 平面度及平行度之要求皆為0.02mm, 厚度壓縮比( T min/ T max ) 達(dá)30% , 散熱片材料采用純銅C1100, 此材料的成形性及厚度精度的控制是此產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵。
另一產(chǎn)品) ) ) 光驅(qū)主軸馬達(dá)的一體型承載盤,為結(jié)合原承載盤及盤片對(duì)心機(jī)構(gòu)的二合一組件, 采用鋁合金5052 材料; 從圖2 及圖4 中之剖面可以了
解此零件在鍛造過(guò)程中材料流動(dòng)的復(fù)雜性, 如何合理分配材料體積, 使鍛造過(guò)程在較低成形負(fù)荷下能順利成形各處尺寸成為主要關(guān)鍵, 主要成形工序?yàn)殄懺旒皦罕?span>; 另外, 此零件對(duì)于同心度及偏擺度之要求, 亦成為模具設(shè)計(jì)時(shí)需注意之處。
以下針對(duì)工藝規(guī)劃及模具設(shè)計(jì)作一討論:
1) 銅散熱片
銅材之前后向擠伸比其它材料較為容易, 因此外圍壓扁工藝之前之料條厚度需小于零件最厚處 ( 1.36mm) 。
外圍材料之壓扁及厚度精整工藝在材料厚度精度控制上, 需考慮模面應(yīng)力分布曲線產(chǎn)生之模具變形對(duì)其平面度及平行度之影響。其克服方式有降低接觸面之摩擦系數(shù), 包含模面拋光及潤(rùn)滑劑之使用;高剛性模具的采用如采用WC 材料或設(shè)置沖頭壓力板以分散降低應(yīng)力; 另外, 材料之分流控制亦可有效降低成形負(fù)荷及模面應(yīng)力, 即在外圍材料受到壓扁時(shí), 材料在往內(nèi)及往外兩方向上皆可自由流動(dòng),如此可使中性面( 材料不流動(dòng)之?dāng)嗝?span>) 往外圍之中央移動(dòng), 可有效降低模面應(yīng)力峰值, 以獲得良好的平面度, 如圖5 所示。
2) 主軸馬達(dá)-體型承載盤
適當(dāng)?shù)牟牧虾穸冗x用與鍛造工藝規(guī)劃相互之搭配影響整體設(shè)計(jì)的成敗, 為了確保連續(xù)模的成功開發(fā), 可進(jìn)行單一工藝的試驗(yàn)?zāi)＜坝?jì)算機(jī)輔助仿真。圖6 為此零件鍛造成形的工藝規(guī)劃, 首先利用外圍毛邊拘束將厚度2mm 的坯料進(jìn)行體積分配, 接著進(jìn)行外圍承載面的成形、對(duì)心機(jī)構(gòu)之成形及中孔擠伸后的沖孔, 在這些過(guò)程中, 對(duì)體積的控制必須預(yù)留可調(diào)整之空間及工位, 以確保成形至要求之尺寸。
對(duì)軸孔真圓度及表面精度的要求, 可利用沖孔工藝配合1~ 2 次刮料工序, 再配合表面精度0.2Lm之心軸進(jìn)行光整精修。
軸孔與對(duì)心機(jī)構(gòu)外徑之同心度要求小至0.01mm, 若分別進(jìn)行成形, 則料帶之定位孔及模具保持間隙之定位累積誤差將超出此精度要求, 因此為了達(dá)到此同心度要求, 必須將對(duì)心機(jī)構(gòu)之整形工藝與軸孔之最后刮料工藝于同一道次進(jìn)行, 并配合模具加工之高同心度要求及零間隙配合條件方可達(dá)成。模具結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7 所示。
偏擺度的精度要求為0102mm, 成形機(jī)構(gòu)原理和同心度成形機(jī)構(gòu)相同, 利用軸孔定位后整平承載平面, 此時(shí)模具之平面度、平行度及垂直度要求極為重要。
3) 成形設(shè)備及模具加工條件
由前述對(duì)此沖鍛復(fù)合成形工藝可生產(chǎn)產(chǎn)品的精度可達(dá)0.02mm 來(lái)看, 其模具之精度需求必須達(dá)±2μm, 模具零件的配合產(chǎn)生之累計(jì)公差亦需控制在合理范圍內(nèi)。而欲維持模塊在高速及高成形負(fù)荷下能保持其精度, 則與其匹配之成形設(shè)備必須具備足夠之精度及剛性, 非一般傳統(tǒng)的沖壓壓床所能勝任。
另外, 為了使產(chǎn)品在厚度方向尺寸能達(dá)到高精度,而且在產(chǎn)量上具備穩(wěn)定性, 要求壓床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用特殊設(shè)計(jì)之多連桿機(jī)構(gòu), 具備在下死點(diǎn)前約30b至40b齒輪角度范圍內(nèi), 上滑塊只前進(jìn)約0105mm,幾近停止之狀態(tài)。
如此搭配所代表的意義為: 當(dāng)制造一高精度產(chǎn)品時(shí), 必須建立一系統(tǒng)技術(shù), 包含材料品質(zhì)、模具設(shè)計(jì)加工組裝、生產(chǎn)及外圍設(shè)備、潤(rùn)滑及檢測(cè)等,方能達(dá)成目標(biāo)。
3 研究結(jié)果
經(jīng)由前述鍛造工藝之規(guī)劃, 再加入定位孔、系帶橋帶、內(nèi)外型沖切等連續(xù)模工序完成連續(xù)模之料條布列設(shè)計(jì)。圖8 顯示此兩種產(chǎn)品的料條布列圖。銅散熱片連續(xù)模包含11 道次成形工序, 成形負(fù)荷147t, 送料節(jié)距42mm。產(chǎn)品外觀如圖2 所示,幾何平面度01012mm、平行度01016mm、尺寸公差0101mm~ 0102mm。主軸馬達(dá)) 體型承載盤連續(xù)模共15 道次成形工序, 成形負(fù)荷120t , 送料節(jié)距44mm, 產(chǎn)品及剖面如圖2 所示。
在設(shè)計(jì)及量產(chǎn)制造上有幾點(diǎn)必須加以考慮:
1) 沖鍛連續(xù)模中包含鍛造工序, 其成形負(fù)荷遠(yuǎn)大于一般沖切, 尤其以壓扁及有毛邊鍛造為甚, 因此極易引起模座受到偏心負(fù)荷而造成模座傾斜或沖頭折斷等不良影響, 因此可以加入空站或在適當(dāng)位置輔以壓扁工序以求得較為平衡之負(fù)荷分布, 另外亦可以下死點(diǎn)檔塊防止傾斜。
2) 大變形量鍛造產(chǎn)生之變形熱必須加以適當(dāng)排出, 否則以連續(xù)模之生產(chǎn)速度( 40spm~ 60spm) 將
累積可觀之熱量于成形模具之上, 造成模具尺寸變大變長(zhǎng), 強(qiáng)度減弱, 最終造成模具破損及產(chǎn)品尺寸變化等影響, 因此必須對(duì)鍛造工序施以良好冷卻,方能確保量產(chǎn)之順利。
3) 鍛造的高壓及成形新生面的產(chǎn)生, 皆需求良好抗壓之潤(rùn)滑劑, 為了提升模具壽命、得到良好工件表面品質(zhì), 確保量產(chǎn)性, 必須選擇適當(dāng)之潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方式。
4 結(jié) 論
本研究旨在于實(shí)際產(chǎn)品之開發(fā), 建立沖鍛復(fù)合成形連續(xù)模之設(shè)計(jì)及系統(tǒng)技術(shù)。由此可以得知未來(lái)可應(yīng)用產(chǎn)品的尺寸變化多樣性, 是以往一般沖壓工藝無(wú)法達(dá)成的, 而冷鍛不具成本競(jìng)爭(zhēng)效益, 因此,需要大量穩(wěn)定量產(chǎn)而具低成本需求的產(chǎn)品, 可由此工藝技術(shù)獲得解決。如前所述, 世界的電子化將促使更多的產(chǎn)品對(duì)此技術(shù)之需求, 值得在此技術(shù)領(lǐng)域的工作者投入相關(guān)之研究, 本文僅在此作一拋磚引玉之舉。
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