沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)近十多年來(lái)，隨著對(duì)發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的重要性獲得前所未有的共識(shí)，沖壓成形技術(shù)無(wú)論在深度和廣度上都取得了前所未有的進(jìn)展，其特征是與高新技術(shù)結(jié)合，在方法和體系上開(kāi)始發(fā)生很大變化。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)等沖壓領(lǐng)域的滲透與交叉融合，推動(dòng)了先進(jìn)沖壓成形技術(shù)的形成和發(fā)展。本文著重結(jié)合汽車工業(yè)的發(fā)展需求，討論沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

1.沖壓技術(shù)發(fā)展的特征

沖壓技術(shù)的真正發(fā)展，始于汽車的工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)初，美國(guó)福特汽車的工業(yè)化生產(chǎn)大大推動(dòng)了沖術(shù)的研究和發(fā)展。研究工作基本上在板料成形技術(shù)和成形性兩方面同時(shí)展開(kāi)，關(guān)鍵問(wèn)題是破裂、起皺與回彈，涉及可成形性預(yù)估、成形方法的創(chuàng)新，以及成形過(guò)程的分析與控制。但在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，對(duì)沖壓技術(shù)的掌握基本上是經(jīng)驗(yàn)型的。分析工具是經(jīng)典的成形力學(xué)理論，能求解的問(wèn)題十分有限。研究的重點(diǎn)是板材沖壓性能及成形力學(xué)，遠(yuǎn)不能滿足汽車工業(yè)的需求。60年代是沖壓技術(shù)發(fā)展的重要時(shí)期，各種新的成形技術(shù)相繼出現(xiàn)。尤其是成形極限圖（FLD）的提出，推動(dòng)了板材性能、成形理論、成形工藝和質(zhì)量控制的協(xié)調(diào)發(fā)展，成為沖壓技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。

由于80年代有限元方法及CAD技術(shù)的先期發(fā)展，使90年代以數(shù)值模擬仿真為中心的和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在沖壓領(lǐng)域得以迅速發(fā)展并走向?qū)嵱没?，成為材料變形行為研究和工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的有力工具。汽車沖壓技術(shù)真正進(jìn)入了分析階段，傳統(tǒng)的板成形技術(shù)開(kāi)始從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)化。

縱觀上世紀(jì)的發(fā)展歷程可見(jiàn)：

（1）沖壓性能的研究和改進(jìn)是與沖壓技術(shù)的發(fā)展相輔相承的。

（2）汽車、飛機(jī)等工業(yè)的飛速發(fā)展，以及能源因素都是沖壓技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力。進(jìn)入新世紀(jì)，環(huán)境因素及相關(guān)的法律約束日益突出，汽車輕量化設(shè)計(jì)和制造成為當(dāng)前的重要課題。

（3）成形過(guò)程數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)傳統(tǒng)沖壓技術(shù)走向科學(xué)化，進(jìn)入先進(jìn)制造技術(shù)行列。

（4）沖壓技術(shù)的發(fā)展涉及材料、能源、模具、設(shè)備等各方面。工藝方法的創(chuàng)新及其過(guò)程的科學(xué)分析與控制是技術(shù)發(fā)展的核心；模具技術(shù)是沖壓技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)，是決定產(chǎn)品制造周期、成本、質(zhì)量的重要因素。

2、先進(jìn)成形技術(shù)的發(fā)展

沖壓技術(shù)的發(fā)展與材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。預(yù)計(jì)未來(lái)10-15年，環(huán)境要求和日益嚴(yán)格的環(huán)保法律，將促使汽車材料和結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。為了減少城市CO2的排放量，汽車力求輕量化，其最突出的發(fā)展方向是提高所用材料的比強(qiáng)度和比剛度及發(fā)展高效的輕量化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)度鋼約占25%。目前在繼續(xù)開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度鋼的同時(shí)，結(jié)合發(fā)展新的“高效結(jié)構(gòu)”和制造技術(shù)，爭(zhēng)取使車身重量減少20%以上。但更引人關(guān)注的努力方向是擴(kuò)大鋁、鎂等低密度合金材料在汽車上的應(yīng)用歐美正在研究開(kāi)發(fā)未來(lái)型的鋁車身家用小汽車，可使重量減輕40-50%，耗油僅為現(xiàn)行小汽車平均值的三分之一。目前的主要問(wèn)題是開(kāi)發(fā)低成本鋁合金，發(fā)展新結(jié)構(gòu)和高效制造方法，以及改進(jìn)回收技術(shù)。一旦成本問(wèn)題解決了，鋁合金可能成為汽車的主要結(jié)構(gòu)材料。

自1991年以來(lái)，鎂的產(chǎn)量每5年增加1倍，是很有前途的未來(lái)材料，預(yù)計(jì)2003年后鎂的應(yīng)用將有明顯上升，包括大的車身外部零件。

復(fù)合板材料在汽車、飛機(jī)、醫(yī)藥、食品、化工、日用品等方面也均有廣闊應(yīng)用前景。

此外烘烤硬化板、表面改性板等改性材料。80年代，歐美研究鍍鋅板的沖壓技術(shù)；90年代，重點(diǎn)研究激光拼焊板的沖壓及各種擠壓管坯型材的精密成形技術(shù)。鋁型材骨架件的用量也在不斷增加。

結(jié)構(gòu)整體化是重要的發(fā)展趨勢(shì)，不僅對(duì)于飛機(jī)，未來(lái)汽車也將擴(kuò)大應(yīng)用。

隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大應(yīng)用，迫切需要發(fā)展相應(yīng)的低成本沖壓成形技術(shù)。當(dāng)前的研究重點(diǎn)：

鋁合金覆蓋件等車身零件的沖壓技術(shù)。國(guó)外已有實(shí)用的工藝及模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料。

（2）多種厚度激光拼焊板坯的沖壓技術(shù)。

（3）擠壓管坯的內(nèi)高壓成形技術(shù)。

（4）復(fù)合板的成形技術(shù)等。

對(duì)于飛機(jī)工業(yè)來(lái)說(shuō)，鈦合金、鋁鋰合金復(fù)雜形狀零件及鋁合金特殊結(jié)構(gòu)件的成形技術(shù)是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

以液體直接或間接作為半?；騻鞲袘?yīng)介質(zhì)的各種液壓成形技術(shù)，屬于半模成形或軟模成形，有很多優(yōu)點(diǎn)（已有近60年歷史），是飛機(jī)鈑金零件的主要制造方法。近十多年來(lái)在高壓源及高壓密封問(wèn)題解決后，得以迅速發(fā)展，在汽車工業(yè)中獲得重要應(yīng)用。液壓成形包括液壓橡皮囊成形、充液拉深成形和內(nèi)高壓脹管成形。液壓橡皮成形已從航空工業(yè)的傳統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)大到汽車的復(fù)雜內(nèi)外板件的成形，在100-140Mpa的壓力下，成形質(zhì)量很好，適用于試制和小批量生產(chǎn)。新興的內(nèi)高壓成形技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化、工業(yè)化，生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的支架、排氣管、凸輪軸及框架件等，達(dá)到了很好的效率和效益預(yù)計(jì)液壓成形、拼焊毛坯沖壓成形及激光焊接裝配將是未來(lái)汽車輕量化的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

此外粘介質(zhì)壓力成形、磁脈沖成形，以及各種無(wú)模成形技術(shù)的研究也有很大進(jìn)展，顯現(xiàn)出越來(lái)越多的工藝柔性。

3.數(shù)字化成形技術(shù)的發(fā)展

先進(jìn)成形技術(shù)是在傳統(tǒng)成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為支柱，綜合利用信息、電子、材料、能源、環(huán)境工程等各項(xiàng)高新技術(shù)及現(xiàn)代管理技術(shù)，有利于最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命期綜合優(yōu)化的沖壓成形技術(shù)，是能越大程度地達(dá)到“精、省、凈”目標(biāo)，獲得高綜合效益的成形技術(shù)。發(fā)展先進(jìn)成形技術(shù)的關(guān)鍵在于：

大力發(fā)展沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)分析仿真技術(shù)（CAE）。

（2）并行工程（CE）、并行工作模式逐步取代傳統(tǒng)的串行順序式工作模式。

計(jì)算機(jī)輔助過(guò)程分析仿真（CAE）是20世紀(jì)后期對(duì)于金屬成形最具重大意義的技術(shù)進(jìn)步之一，其核心是有限元分析技術(shù)。

以有限元法為基礎(chǔ)的沖壓成形過(guò)程中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或數(shù)值模擬技術(shù)，以沖壓模具設(shè)計(jì)、沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑，將是解決復(fù)雜沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的最有效手段。國(guó)外大型企業(yè)的應(yīng)用步伐非常迅速，而汽車工業(yè)走在前列，現(xiàn)已逐漸成熟，用于模具設(shè)計(jì)和試模的時(shí)間減少50%以上。美國(guó)GM居世界領(lǐng)先地位。

數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可概括如下：

進(jìn)一步提高模擬計(jì)算的精度和速度。重點(diǎn)突破回彈精確預(yù)測(cè)；發(fā)展快速有限元模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“當(dāng)天工程”、甚至“2小時(shí)工程”；同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，解決復(fù)雜變形路徑等基礎(chǔ)性問(wèn)題。

（2）降低軟件對(duì)人員專業(yè)素質(zhì)的要求。目前市場(chǎng)軟件功能強(qiáng)大，主要面向分析師，買了先進(jìn)軟件系統(tǒng)，不一定能獲得好的模擬結(jié)果。面向中小企業(yè)，推廣更加困難。

（3）降低軟件對(duì)硬件平臺(tái)的要求。目前，幾乎著名的沖壓模擬軟件都已完成向微機(jī)版的轉(zhuǎn)化。

（4）加強(qiáng)初始化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的研究。初始化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)（初始方案），作為計(jì)算分析的起點(diǎn)和修改的基礎(chǔ)，至今仍需要靠有經(jīng)驗(yàn)的人員完成。迫切需要發(fā)展知識(shí)庫(kù)工程（KBE），將專家系統(tǒng)（ES）、人工智能技術(shù)（AI）與有限元模擬軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化初始工作，減少對(duì)工藝專家的依賴。

（5）加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗(yàn)。材料性能本構(gòu)關(guān)系、摩擦狀態(tài)、缺陷判據(jù)等數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)，其真實(shí)性、準(zhǔn)確性是限制模擬分析達(dá)到可靠精度的重要因素。

（6）進(jìn)一步向產(chǎn)品沖壓制造系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)制造全過(guò)程、全生命期的綜合優(yōu)化。目前，成形過(guò)程分析，仍重在解決成“形”問(wèn)題。未來(lái)，將同時(shí)向改“性”發(fā)展，實(shí)現(xiàn)變形方式、成形過(guò)程及成形后性能的綜合優(yōu)化。

（7）普及CAE技術(shù)勢(shì)在必行。CAD技術(shù)經(jīng)過(guò)5-10年的大力普及，基本解決了手工繪圖問(wèn)題。未來(lái)5-10年，CAE技術(shù)的普及將勢(shì)在必行。

中小機(jī)械制造企業(yè)70多萬(wàn)家，沖壓、模具企業(yè)為數(shù)甚大，以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)的任務(wù)十分艱巨，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)整，統(tǒng)籌規(guī)劃，需要提上日程。

4、沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入90年代以來(lái)，高新技術(shù)全面促進(jìn)了傳統(tǒng)成形技術(shù)的改造及先進(jìn)成形技術(shù)的形成和發(fā)展。21世紀(jì)的沖人工操作的不連續(xù)性等，致使加工效率大大下降、人為失誤大大增加。一般由人工操作加工模具構(gòu)造面時(shí)，出粉率很難超過(guò)40%，而采用NC程序化加工模具的構(gòu)造面，可以將機(jī)床的出粉率提高20%—50%（出粉率=機(jī)床實(shí)際切削加工時(shí)間/機(jī)床總工時(shí)）?？梢?jiàn)，提高出粉率的潛力是非常大的。

總之，把實(shí)體設(shè)計(jì)的結(jié)果直接向后續(xù)工序傳遞，能使各個(gè)工序的效率都得到提高。反之，如果

實(shí)體設(shè)計(jì)僅面向設(shè)計(jì)，最終還是以出2D圖為設(shè)計(jì)目的，實(shí)體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)將大打折扣。二、

提高實(shí)體設(shè)計(jì)效率

實(shí)體設(shè)計(jì)存在的最大問(wèn)題是，在最初應(yīng)用時(shí)設(shè)計(jì)效率不高。要解決這個(gè)問(wèn)題是，可采

取以下措施：

1．

強(qiáng)化人員培訓(xùn)。人員培訓(xùn)的內(nèi)容包括軟件應(yīng)用、設(shè)計(jì)流程和方法等方面的培訓(xùn)。

2．

搞好基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)。實(shí)體設(shè)計(jì)需要積累，需要開(kāi)發(fā)一系列的實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)件和實(shí)體樣板模具，

以便能自動(dòng)生成局部構(gòu)造的小工具等。

3．

改變觀念。實(shí)體設(shè)計(jì)不單純是設(shè)計(jì)方式的變化，更重要的是它實(shí)現(xiàn)了后序加工和制造的數(shù)

字化，也就是無(wú)圖化生產(chǎn)。即使實(shí)體設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)本身帶來(lái)了麻煩，但卻使制造更加容易。我們應(yīng)以提高效率為出發(fā)點(diǎn)，將實(shí)體設(shè)計(jì)看作是非常必要的事情。

模具加工技術(shù)的發(fā)展

模具加工技術(shù)的發(fā)展就是數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。數(shù)控加工由單純型面加工發(fā)展到全面數(shù)控加工；由模具加工發(fā)燕尾服到實(shí)型數(shù)控加工；由低速加工發(fā)展到高速高精度加工；由以人工操作按圖加工發(fā)展到無(wú)圖、少人或無(wú)人化加工。當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展的加工技術(shù)主要包括：

·實(shí)型數(shù)控加工；

·高速高精度加工；

·鑲塊鑄件化與高效加工；

·全數(shù)控化加工；

·少人無(wú)人化加工；

·鉗工制造的只裝不配少修。

實(shí)型數(shù)控加工和全數(shù)控化加工技術(shù)已論述，現(xiàn)就其他技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

一、

高速高精度加工

目前高速高精度加工已被國(guó)際先進(jìn)企業(yè)普遍采用，國(guó)內(nèi)也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的，不單純是了提高加工效率，更重要的是通過(guò)高速實(shí)現(xiàn)小步距、低殘留的高精度加工。

1．高速加工的現(xiàn)狀

目前大家普遍認(rèn)為：機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min為準(zhǔn)高速加工，達(dá)8000—10000r/min以上為高速加工。實(shí)際上，只有選用高剛度的卡頭和刀體、高精度高耐磨的刀具，并保持轉(zhuǎn)速與走刀速度相適應(yīng)，才可能實(shí)現(xiàn)真正的高速加工。汽車模具型面的加工屬于高度復(fù)雜的自由曲面加工。能不能實(shí)現(xiàn)高速加工，更重要的是取決于數(shù)控機(jī)床曲面加工的動(dòng)態(tài)精度，而不是取決于一般機(jī)床產(chǎn)品樣本中所說(shuō)的靜態(tài)精度。但遺憾的是，機(jī)床復(fù)雜曲面加工的動(dòng)態(tài)精度還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可供參考。一臺(tái)適用于汽車模具的高速數(shù)控銑，必須同時(shí)具備高剛度、高精度、高轉(zhuǎn)速、優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能、高速下的連續(xù)工作時(shí)間等綜合性能。而這些性能則取決于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的性能、所選用的特殊軟件程序、床身是鑄件還是焊接鋼板？主軸是滑枕還是圓套桶？是線形導(dǎo)軌還是滑動(dòng)導(dǎo)軌？主軸是否有冷卻？半閉環(huán)還是全閉環(huán)控制？是否采用光柵尺等因素。如果只憑廠家介紹的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高或是平面直線進(jìn)給速度高，是不可能實(shí)現(xiàn)模具型面高速加工的。

目前，歐美的部分汽車模具企業(yè)采用真正的轉(zhuǎn)速高于15000r/min和實(shí)際進(jìn)給速度達(dá)到10m/min的高速加工，而日本企業(yè)基本上還是停留在準(zhǔn)高速加工階段，不管轉(zhuǎn)速如何，實(shí)際曲面加工進(jìn)給速度很難突破6m/min。從實(shí)際使用情況來(lái)看，如果達(dá)到了真正的高速來(lái)看，如果達(dá)到了真正的高速，刀具的費(fèi)用、機(jī)床的價(jià)格和機(jī)床的維護(hù)費(fèi)用等都是目前我們國(guó)內(nèi)模具成本難以接受的。像30000r/min、60m/min這樣的高速加工中心，都屬于中小型機(jī)床，只適用于注塑模的型腔加工。

2．高速高精度加工編程

曲面的實(shí)際加工速度和精度的高低，除了由機(jī)床的性能決定以外，在一定條件下，更取決于加工工藝和數(shù)控編程技術(shù)。我們應(yīng)重視并研究數(shù)控編程技術(shù)對(duì)加工精度和效率的影響。例如：刀具即時(shí)進(jìn)給速度和刀具軌跡的曲率半徑直接相關(guān)，當(dāng)曲面變化非常大時(shí)，不管設(shè)定的F值多大，實(shí)際平均走刀速度都會(huì)非常低。而且如果F值設(shè)置過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)過(guò)切和抹角現(xiàn)象，嚴(yán)重降低型面精度。

傳統(tǒng)的仿型加工為了保證楞線清晰，一般采用垂直楞線加工。用這種方法，編程簡(jiǎn)單但實(shí)際加工速度變化極大，嚴(yán)重影響了加工效率?，F(xiàn)在大部分編程方法是對(duì)整個(gè)型面作45°加工，優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，可以保證大部分楞線清晰，但加工效率仍然不高。

高速高精度加工編程的方法和應(yīng)注意的問(wèn)題很多，簡(jiǎn)單列舉如下：

·根據(jù)曲面幾何特點(diǎn)來(lái)分塊編程和加工；

·加工方向選用順楞線，大曲率方向走刀，減少拐彎引起的減速；

·加工線速度與進(jìn)給速度相配合，盡量保持實(shí)際切削量不變；

·大斜率曲面加工，行間距在曲面切線方向上保持等距；

·根據(jù)曲面的部位改變行間距，如：凸圓角行距加密、凹圓角清虧等；

·合理安排加工分塊的順序，避免因刀具磨損造成的型面斷差。

總之，高速高精度加工的NC編程比普通加工麻煩得多，只有投入大量的編程工時(shí)和編程人員才有可能完成編程工作，但這種投入會(huì)因?yàn)榧庸ば屎途鹊奶岣叨玫匠杀兜幕貓?bào)。

3．高精度加工的目標(biāo)

高精度加工的目標(biāo)就是最大程度地減少修正。如：上下模刃口間隙直接加工到位；沖孔凸凹模直接安裝無(wú)需調(diào)試；拉延模曲面很高的光順性、無(wú)接刀痕跡；凸楞的較高光潔度和凹角無(wú)干涉等等。

4．粗加工高速化

傳統(tǒng)的粗加工一般通過(guò)深切削、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給而一次加工完成。隨著機(jī)床加工速度的提高，機(jī)床的加工性能已經(jīng)發(fā)生了改變。數(shù)控機(jī)床在低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給條件下的加工扭力很大，而總的功率卻很低，機(jī)床效率發(fā)揮不出來(lái)。為提高加工效率，現(xiàn)在粗加工的發(fā)展趨勢(shì)是中轉(zhuǎn)速、中吃深、高進(jìn)給、多層加工完成。雖然加工的層數(shù)增加了。但由于機(jī)床功率實(shí)現(xiàn)了最大化，一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工藝方法，特加適應(yīng)了粗精一體化加工機(jī)床的特點(diǎn)，不失為一種值得推廣的新技術(shù)。二、