MFC特約：日本金屬板材成形加工的最新技術水平如何？

文|中原洋一

翻譯|劉麗欽·天田（中國）有限公司

金屬板材成形加工大致分為「衝壓加工」和「鈑金加工」 兩大類。這兩種類型最大的區別是：一個是使用專用模具加工一種類型的產品，另一個是使用通用模具加工多種產品。 一般會根據產品的尺寸、加工工序、生產數量以及要求的加工精度決定選擇哪種加工形態。

本篇以「衝壓加工」和「鈑金加工」的形勢演變作為「日本金屬板材成形加工最前線」的主題，進行以下講解。

金屬板材成形的起源

在日本，金屬加工有數千年的歷史，其起源為我們揭開了豐富多彩的文化和文明的神秘面紗。所謂「金屬加工是一門科學，是一種技術，是一種趣味，也是一種產業。」各種 礦石的發現和精鍊技術的取得成為了金屬加工的起源。從此 產生了具有可塑性和延展性的金屬。因此，各種道具和裝飾 品的製作也成為了可能，如圖1所示。

金屬加工大致分為「成形」、「切削」，「接合」三種。另外，作為組裝成形技術，金屬3D列印也開始嶄露頭角。這一「附加製造技術」或許也可以作為特殊的案例供大家參考。這些加工方法和工序各有所長，「成形」加工是將無需 去除部分金屬材料就可以使其變形的加工方式，「成形」工 藝是通過加熱、施加壓力或機械力等實現的。另外，這種加 工方法與其他加工方法相比，效率極高。「成形」加工又分 為「塑性加工」和「鑄造」兩大類。

所謂「塑性加工」，就是通過給材料施加巨大壓力使其變形，利用物質的可塑性，將其加工到目標形狀的加工手法。「塑性加工」的範圍非常廣泛。切割、折彎、拉伸、鍛造、擠壓、滾壓、抽拉、滾壓、旋壓、電火花成形等都屬於「塑性加工」的範疇，粉末成形和金屬板材成形都是「塑性加工」的一種。

那麼，看看我們周圍的生活環境吧。雖然生活用品中有很多非金屬產品，但是提到「結構件」、「器械」「車輛」等，如在圖2、圖3、圖4所示的產品構成中，金屬加工不可或缺。

目前，乘用車零件構成中金屬加工的使用比例（重量比）超過 75%，其中，板材成形的超過70%，如圖5所示。

創造附加價值

在日本的製造業中，每個產業都有各自的產業願景。金屬板材成形行業願景之一就是推動汽車產業的輕量化、減輕引擎的負擔、改善能量效率、改良內燃機和開發新引擎。另外，還有一大願景就是強化5大戰略領域（基礎建設相關 的系統、解決環境和能源問題、時尚等文化產業、醫療和護 理等服務產業、機器人＆宇宙等尖端產業的技術對應能力。 將汽車產業作為一大領域，針對這 6 個產業創造金屬板材

成形的附加價值。即：使用有價值的最新鍛壓機器，培育 6 大行業中各產業所需的產品的製造技術。這就是鍛壓業界的 「創造附加價值」。

日本的塑性加工行業揭示的 4 大技術要點

日本的鍛壓業致力於在國內外各產業宣傳最新技術，包含以下4點：

（1）伺服壓力機的加工技術；

（2）精密鈑金加工技術；

（3）專用加工機 & 系統；

（4）各種鍛造技術。

伺服壓力機，使衝壓加工產生變革

在金屬加工方法中，最經濟的加工方法就是「衝壓加工」。

但是隨著伺服壓力機（圖6、圖7、圖8）的普及，加工更靈活，擴大了加工範圍，還實現了難加工產品的加工。另外，還具有節能、改善震動、噪音環境的優點。

伺服壓力機可以根據材料材質、板厚、加工種類和加工 部位自由地設定加工速度、滑動動作的動作位移，使以往無法實現的衝壓加工成為可能，還大幅削減了工序。

接下來我們來看一看最近的伺服壓力機的加工變革事例。圖9是馬達外殼的深拉伸零件。 1mm板厚的材料進行拉伸時，加工速度和產品溫度有著密切的聯繫。使用加工材質為SPCC和高抗張強度鋼板（590N/mm2）進行比較。將壓力機的曲柄運動和軟性運動進行比較時，發現加工 SPCC 材料時，曲柄運動和軟性運動會產生5℃ 的溫度差，加工高抗張強度鋼板時，採用不同的運動模式， 會產生10℃的溫度差。加工後的溫度變化，會給產品的精度帶來巨大的影響，同時還會對模具壽命產生非常大的影響。 以往，材料硬度越高、拉伸率越大的加工，加工後的瞬間溫 度可能超過 100℃，可以說，今後能否通過改變運動模式， 最大限度地控制溫度上升，將會對產品精度和模具壽命造成 越來越大的影響。

另外，不得不提到的一點是，伺服壓力機可以在加工時減緩速度，而且加工單個零件的時間、加工速度可達到普通壓力機的同等速度。也就是和以往的壓力機產量相同。伺服 壓力機具有加工精度高、模具壽命長、生產效率高等優點， 何種機器更受今後衝壓加工的青睞，相比之下一目了然。

伺服壓力機能夠針對加工產品、材料材質、模具構造、加工工程中影響產品精度的加工部位等條件進行精確詳細地設置。

隨著伺服壓力機的進化，模具緩衝墊的伺服化也得到了快速發展。模具緩衝墊設置在壓力機的下部，墊板的下面，與上部下壓的同時從下部對材料施加壓力，是一種保證拉伸加工、折彎加工形狀穩定、提高加工精度的裝置。與以往的空氣緩衝墊和優雅緩衝墊不同，伺服馬達驅動的「伺服下模 緩衝墊」可以針對滑動動作，發揮高度同步性，對加工靈活 度極高的伺服馬達來說，是最佳的下模緩衝墊。對難以加工 的產品來說是一個不可或缺的重要因素。

另外，最近的「可追溯性」已經成為了加工中一大熱門 問題。所謂「加工可追溯性」，也就是「加工記錄」、「加工追蹤的可能性」的意思。也就是說，能否再現具有價值的 加工及其加工手法。如果在伺服壓力機上設置了各種數據的 收集功能、模具識別功能，那麼就能實現這個「可追溯性」。

精密鈑金加工技術的進化

1934 年，美國的 Wiedemann Machine Co.公司開發的手動式轉塔壓力機如圖 10 所示（村田機械株式會社收蔵）。之後進化到圖11的電動式，現在進化到圖 12 的「NC 轉塔沖床」。

這裡有一組非常有趣的數據。2008年日刊工業新聞社發表了如圖13所示數據。從中可以看出「鈑金加工」是使 用各種工具和機械裝置製作出產品的加工工序的總稱。使用的工序最多的是「沖切、折彎」、「焊接」「拉伸」的加工 順序，這3種佔整體的63%。當然目前激光加工逐漸替代了衝壓加工。

激光加工機的發展促進了「精密鈑金加工」。「精密鈑金加工」要求高尺寸精度和表面處理的美觀度，折彎尺寸公 差為 ±0.1mm 的高精度是其最大的特點。如果說NC 數控沖床是鈑金加工的原點，那麼折彎加工的主力設備「NC數控折彎機（圖 14、圖 15）」的進展就是「精密鈑金加工」 的原點。

「折彎加工」中，有工作台（折彎機的滑動部）的停止位置和後定規的尺寸設置等技術，能夠決定產品優劣的是加 工條件的設定。因此，主要因材料回彈影響而難以預測加工精度的折彎加工，大多使用集約了加工技術的CNC數控折彎機。因為大多使用通用模具，所以很難對應不同材質、板 厚和尺寸的各種產品，正因為對應有難度，才催生了機器的 進化。而且，將熟練技能工的技術融合到機器軟體中，實現了「精密折彎加工」。 那麼，接下來筆者為大家介紹一下能夠給今後的「精密折彎加工」帶來巨大影響的研究。就是「不會引起回彈的V折彎要點」，是實現無回彈 V 折彎加工的過程。

【把握】

為什麼會產生無回彈現象？ 折彎部位的回彈原因和折彎邊回彈引起的「反彈」產生平衡，除壓後不打開也不關閉，得到不反彈現象。這是通 過在加工中對板材的內部應力狀態解析和試驗後，得出的結論。

【驗證】

在什麼時間停止上模行程，會產生無回彈現象？ 在加工時，測量上模肩部與板材接觸時的荷重（角度最小狀態下的荷重），該荷重的幾倍數會產生無回彈現象？還 可以驗證從折彎角度到發現無回彈狀態時的上模行程位置。 預測每次加工的該行程位置，在達到無回彈荷重時，停止折彎機上工作台下降，這樣就能確認發現無回彈狀態的位置。

【考案】

無回彈時，要進行指定角度？ 折彎，可以通過改變上模尖端角度，以產生不回彈現象的角度。如果使用合適的上模尖端角度的模具，可以在指定 角度產生不回彈現象，實現精密折彎加工。

【開發】

可以自由設定上模肩寬的機器構造？沒有斜面的上模也可以進行V折彎加工，通過自由改變上模肩寬，以改變上模尖端角度，「自由上模」的製作與 折彎機本體聯動的團建製作，可以實現無回彈自動加工。

【課題解決】

要在加工中確定加工工板材的n值（加工硬化指數），通過改變加工板材的材質和板厚進行試驗得 到「α90」。

專用加工機器 & 系統的進化

根據壓力機的加工用途，產生了從5t的小型機到5000t的大型壓力機。值得一提的是，深拉伸加工和精密沖裁等不同加工的專用機器 & 系統、順序加工、轉移加工、高速精密加工等不同加工形態的專用機器 & 系統都在不斷 進化。當客戶問道「什麼樣的加工應該使用什麼樣的機器 & 系統」這樣的問題時，提供能解決相應問題的機器是一種方法，針對不同加工的機器 & 系統正在快速發展，向用戶展示選擇的簡單性，追求集約的優點也是一種方法。

高速精密壓力機

下面重點突出的衝壓機器群是高速精密衝壓生產系統，用來生產生活中如：手機零件、電腦零件、鐘錶、汽車、醫療器械等先進產品中不可或缺的小型精密成型零件（圖16）。

市場上開發了擁有 0.001mm 超高精度的、每分鐘4000轉速進行量產電裝零件的超高速機器等的專用加工機器，如圖17所示。

實現高速精密加工的另一個重要支撐就是提高「馬達機芯」的生產效率。

馬達廣泛用於汽車、空調等各種機械、機器裝備。例如：現在的每台汽車中大約使用 100 多個馬達，由此可以看出 馬達的生產量是龐大的，可以說馬達的耗電量占整個地球上 耗電量的一半。由此可見，市場要求高速馬達機芯加工系統 能夠徹底解析馬達，實現高速化、精密化、低噪音化、減少 CO2排出量、還要求節省設置面積、降低運行成本。

其他專用加工系統

之前我們已經了解到塑性加工的運用範圍非常廣泛。其 加工以切斷、彎曲、拉深、壓縮加工的基本形式衍生出來，形成了焊絲成形、管材成形、粉末成形等無限擴展的加工範圍。構成這些加工系統的要素以各種材料供給裝置為代表， 包含模具、自動化設備、供油裝置、安全設備以及後道工 序的焊接、表面處理、熱處理設備等，堪稱集包含馬達、 軸承和各種感測器等綜合基本要素於一體的集大成者。

結束語

享譽世界的日本技術主題有很多，塑性加工領域的生產 技術也屬於其中一大主題，並且正在日趨進步中。

MFC金屬板材成形平台

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