内高压变形制作五金小型零部件

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图：内高压成型工艺可以大批量生产高质量薄壁管件制成的微型部件


在日用消费品，电子技术、通信技术或者汽车工业领域中，产品在市场上都呈现了小型化的发展趋势。这些生产所需的微型零部件有着批量大、生产时间紧迫、几何形状复杂、公差要求严格和精度高等要求。生产厂通常都会采用微型件变形加工技术来完成。

在大批量生产微型金属工件时，变形加工技术具有技术性和经济性两方面的优势。基于这种原因，科隆高等专业技术大学的IFP生产技术研究所，主要从事汽车制造业内高压变形加工技术研究的专业研究所，开始了微型零部件内高压变形加工的可行性试验。这一研发工作也是欧盟委员会第6号框架计划Masmicro（精微产品量产制造系统的整合）中的一个项目。


图1 微型管件内高压变形加工模具的上部，可见到管件的形状和密封锥


从简单到复杂

内高压变形加工技术的优点在于，通过很少的几个步骤即可将一个空心管件制造成一个结构形状复杂的空心零部件。而利用切削加工技术来制作同样的微型空心零件往往要付出极大的努力和投资，而且有时甚至根本无法完成。之所以会这样，是因为切削加工时刀具作用在微型工件的切削压力过大，所需的切削加工时间过长或者刀具无法到达切削加工部位。如果利用板材制作微型空心工件，则往往需要多道变形加工工序，最后还需要采用焊接工艺将这些单独的板材卷绕成型的零件焊接在一起。从效果上看，在微型零件的大批量生产时其经济效益不如内高压变形加工。

由于内高压变形加工中的冷却硬化和材料纤维不被切断的关系，采用内高压工艺技术制造出来的微型件具有很高的稳定性；由于有着完整、封闭的横截面，因此刚性很高；具有小的外部尺寸公差和易于输送介质的流畅过渡。内高压变形加工的生产可以采用一模多件、顺序模和级进模等变形加工技术与整个生产流程保持一致。

原则上，内高压变形加工技术适用于直管或者弯管的零件加工，以便将这些空心管件制作成横截面变化的变径管件，以及沿管件轴向有特殊形状的空心零件。典型零件包括：能够沿轴向运动的传感器零部件、光学仪器零部件、喷射系统和定量系统零件，以及外科手术用器具。


图2 微型件内高压变形加工用试验模具


所需压力更高

按1:1的比例将大型工件内高压变形加工工艺复制到微型件内高压变形加工中是非常困难的，其难点就在于微型件的几何形状不同：由于横截面面积很小，因此所需的变形加工压力就要高出很多。加上变形时很高的负载，因此模具零部件所承受的负载也将大大提高。此外，由于最终成品的壁厚很薄，有些部位甚至小于1mm，因此材料的晶格结构对变形性能和变形加工的重复精度有着极大的影响。与大型工件的内高压变形加工相比较，大型工件采用内高压变形加工后仅在工件表面质量检测时能查到几个较为粗大的结晶颗粒。而在微型工件的内高压变形加工技术中，工艺特性的影响则决定了只能对一些有条件的大型件采用内高压变形加工技术和物理方法。

IFP研究所更高的目标是：首先确定这种类似按比例缩放式的加工工艺的基本情况。为此，他们使用了专门为试验研发设计的微管扩口液压夹具。比较时的注意事项和过程模拟情况也都一一对应地表示出来（图1）。根据研究得到的微型内高压变形加工的基本认识和所需要的工作参数，利用这种模具就可以开始第一个试验工件的微变形加工了。


图3 变形状况的优化（上图）。某微型内高压变形加工模具在合模力作用下，上、下模与定位片（x）以及结合平面的宽度（b）的优化过程。以及模拟结果的图形显示（下图）


大批量生产实验

在后来的大批量生产实验中，专门建造了一台用于微型内高压变形加工的设备。这台机床采用了专利密封原理，可以对不同金属材料和直径小于1mm的管件进行扩口，内高压变形加工时的压力最高可达4 000Pa（图2）。灵活组合的模具允许在很短的时间内进行调整，以适用于不同工件的加工。

为了能在几微米的范围内满足不同加工公差的要求，所有机床部件和模具都按顺序进行了编号，并利用FEM（有限元法）计算其所承受的应力（图3）。通过改变设计变量的数学模拟，可以对设备零部件的变形状况进行优化，以便能够得到最高的零部件精度。

同样，机床动力部件工作时对模具密封元器件的冲击，对内高压变形加工的重复精度以及变形加工过程中管件原材料的重新分布有着决定性的影响。通过两个相互独立受控制的带有球循环螺轴的线性执行器可以产生最大800N的力。轴向执行器的定位精度为15μm，从而保证了微型管件沿主变形加工方向有着足够的定位精度。

未来的大批量生产加工用内高压变形加工设备的结构合理性，还需要IFP生产技术研究所进一步的研究，尤其是生产过程的重复精度还需进一步的研究。目前的研究结果已经证明：驱动部件、控制系统、操作部件以及调节回路等有利于提高模具加工过程的可靠性系统，而且还可以进一步优化.