冲压技术的现状和发展趋势

冲压技术的现状和发展趋势冲压技术的现状和发展趋势近十多年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。计算机技术、信息技术、现代测控技术等冲压领域的渗透与交叉融合，推动了先进冲压成形技术的形成和发展。本文着重结合汽车工业的发展需求，讨论冲压技术的现状和发展趋势。

1.冲压技术发展的特征

冲压技术的真正发展，始于汽车的工业化生产。20世纪初，美国福特汽车的工业化生产大大推动了冲术的研究和发展。研究工作基本上在板料成形技术和成形性两方面同时展开，关键问题是破裂、起皱与回弹，涉及可成形性预估、成形方法的创新，以及成形过程的分析与控制。但在20世纪的大部分时间里，对冲压技术的掌握基本上是经验型的。分析工具是经典的成形力学理论，能求解的问题十分有限。研究的重点是板材冲压性能及成形力学，远不能满足汽车工业的需求。60年代是冲压技术发展的重要时期，各种新的成形技术相继出现。尤其是成形极限图（FLD）的提出，推动了板材性能、成形理论、成形工艺和质量控制的协调发展，成为冲压技术发展史上的一个里程碑。

由于80年代有限元方法及CAD技术的先期发展，使90年代以数值模拟仿真为中心的和计算机应用技术在冲压领域得以迅速发展并走向实用化，成为材料变形行为研究和工艺过程设计的有力工具。汽车冲压技术真正进入了分析阶段，传统的板成形技术开始从经验走向科学化。

纵观上世纪的发展历程可见：

（1）冲压性能的研究和改进是与冲压技术的发展相辅相承的。

（2）汽车、飞机等工业的飞速发展，以及能源因素都是冲压技术发展的主要推动力。进入新世纪，环境因素及相关的法律约束日益突出，汽车轻量化设计和制造成为当前的重要课题。

（3）成形过程数字化仿真技术的发展，推动传统冲压技术走向科学化，进入先进制造技术行列。

（4）冲压技术的发展涉及材料、能源、模具、设备等各方面。工艺方法的创新及其过程的科学分析与控制是技术发展的核心；模具技术是冲压技术发展的体现，是决定产品制造周期、成本、质量的重要因素。

2、先进成形技术的发展

冲压技术的发展与材料和结构密切相关。预计未来10-15年，环境要求和日益严格的环保法律，将促使汽车材料和结构发生很大变化。为了减少城市CO2的排放量，汽车力求轻量化，其最突出的发展方向是提高所用材料的比强度和比刚度及发展高效的轻量化结构。现代车身结构中，高强度钢约占25%。目前在继续开发超高强度钢的同时，结合发展新的“高效结构”和制造技术，争取使车身重量减少20%以上。但更引人关注的努力方向是扩大铝、镁等低密度合金材料在汽车上的应用欧美正在研究开发未来型的铝车身家用小汽车，可使重量减轻40-50%，耗油仅为现行小汽车平均值的三分之一。目前的主要问题是开发低成本铝合金，发展新结构和高效制造方法，以及改进回收技术。一旦成本问题解决了，铝合金可能成为汽车的主要结构材料。

自1991年以来，镁的产量每5年增加1倍，是很有前途的未来材料，预计2003年后镁的应用将有明显上升，包括大的车身外部零件。

复合板材料在汽车、飞机、医药、食品、化工、日用品等方面也均有广阔应用前景。

此外烘烤硬化板、表面改性板等改性材料。80年代，欧美研究镀锌板的冲压技术；90年代，重点研究激光拼焊板的冲压及各种挤压管坯型材的精密成形技术。铝型材骨架件的用量也在不断增加。

结构整体化是重要的发展趋势，不仅对于飞机，未来汽车也将扩大应用。

随着新材料和新结构的扩大应用，迫切需要发展相应的低成本冲压成形技术。当前的研究重点：

铝合金覆盖件等车身零件的冲压技术。国外已有实用的工艺及模具设计数据资料。

（2）多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术。

（3）挤压管坯的内高压成形技术。

（4）复合板的成形技术等。

对于飞机工业来说，钛合金、铝锂合金复杂形状零件及铝合金特殊结构件的成形技术是当前的研究重点。

以液体直接或间接作为半模或传感应介质的各种液压成形技术，属于半模成形或软模成形，有很多优点（已有近60年历史），是飞机钣金零件的主要制造方法。近十多年来在高压源及高压密封问题解决后，得以迅速发展，在汽车工业中获得重要应用。液压成形包括液压橡皮囊成形、充液拉深成形和内高压胀管成形。液压橡皮成形已从航空工业的传统应用扩大到汽车的复杂内外板件的成形，在100-140Mpa的压力下，成形质量很好，适用于试制和小批量生产。新兴的内高压成形技术已经实用化、工业化，生产发动机的支架、排气管、凸轮轴及框架件等，达到了很好的效率和效益预计液压成形、拼焊毛坯冲压成形及激光焊接装配将是未来汽车轻量化的三项关键技术。

此外粘介质压力成形、磁脉冲成形，以及各种无模成形技术的研究也有很大进展，显现出越来越多的工艺柔性。

3.数字化成形技术的发展

先进成形技术是在传统成形技术的基础上，以计算机为支柱，综合利用信息、电子、材料、能源、环境工程等各项高新技术及现代管理技术，有利于最终实现产品全生命期综合优化的冲压成形技术，是能越大程度地达到“精、省、净”目标，获得高综合效益的成形技术。发展先进成形技术的关键在于：

大力发展冲压成形过程的计算机分析仿真技术（CAE）。

（2）并行工程（CE）、并行工作模式逐步取代传统的串行顺序式工作模式。

计算机辅助过程分析仿真（CAE）是20世纪后期对于金属成形最具重大意义的技术进步之一，其核心是有限元分析技术。

以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿真技术或数值模拟技术，以冲压模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径，将是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。国外大型企业的应用步伐非常迅速，而汽车工业走在前列，现已逐渐成熟，用于模具设计和试模的时间减少50%以上。美国GM居世界领先地位。

数值模拟技术的发展趋势可概括如下：

进一步提高模拟计算的精度和速度。重点突破回弹精确预测；发展快速有限元模拟技术，实现“当天工程”、甚至“2小时工程”；同时加强基础研究，解决复杂变形路径等基础性问题。

（2）降低软件对人员专业素质的要求。目前市场软件功能强大，主要面向分析师，买了先进软件系统，不一定能获得好的模拟结果。面向中小企业，推广更加困难。

（3）降低软件对硬件平台的要求。目前，几乎著名的冲压模拟软件都已完成向微机版的转化。

（4）加强初始化设计环节的研究。初始化设计环节（初始方案），作为计算分析的起点和修改的基础，至今仍需要靠有经验的人员完成。迫切需要发展知识库工程（KBE），将专家系统（ES）、人工智能技术（AI）与有限元模拟软件相结合，实现智能化初始工作，减少对工艺专家的依赖。

（5）加强基础试验。材料性能本构关系、摩擦状态、缺陷判据等数据来自试验，其真实性、准确性是限制模拟分析达到可靠精度的重要因素。

（6）进一步向产品冲压制造系统扩展，实现制造全过程、全生命期的综合优化。目前，成形过程分析，仍重在解决成“形”问题。未来，将同时向改“性”发展，实现变形方式、成形过程及成形后性能的综合优化。

（7）普及CAE技术势在必行。CAD技术经过5-10年的大力普及，基本解决了手工绘图问题。未来5-10年，CAE技术的普及将势在必行。

中小机械制造企业70多万家，冲压、模具企业为数甚大，以高新技术改造传统技术的任务十分艰巨，结合产业调整，统筹规划，需要提上日程。

4、冲压成形技术的发展趋势

进入90年代以来，高新技术全面促进了传统成形技术的改造及先进成形技术的形成和发展。21世纪的冲人工操作的不连续性等，致使加工效率大大下降、人为失误大大增加。一般由人工操作加工模具构造面时，出粉率很难超过40%，而采用NC程序化加工模具的构造面，可以将机床的出粉率提高20%—50%（出粉率=机床实际切削加工时间/机床总工时）。可见，提高出粉率的潜力是非常大的。

总之，把实体设计的结果直接向后续工序传递，能使各个工序的效率都得到提高。反之，如果

实体设计仅面向设计，最终还是以出2D图为设计目的，实体设计的优势将大打折扣。二、

提高实体设计效率

实体设计存在的最大问题是，在最初应用时设计效率不高。要解决这个问题是，可采

取以下措施：

1．

强化人员培训。人员培训的内容包括软件应用、设计流程和方法等方面的培训。

2．

搞好基础开发。实体设计需要积累，需要开发一系列的实体标准件和实体样板模具，

以便能自动生成局部构造的小工具等。

3．

改变观念。实体设计不单纯是设计方式的变化，更重要的是它实现了后序加工和制造的数

字化，也就是无图化生产。即使实体设计为设计本身带来了麻烦，但却使制造更加容易。我们应以提高效率为出发点，将实体设计看作是非常必要的事情。

模具加工技术的发展

模具加工技术的发展就是数控加工技术的发展。数控加工由单纯型面加工发展到全面数控加工；由模具加工发燕尾服到实型数控加工；由低速加工发展到高速高精度加工；由以人工操作按图加工发展到无图、少人或无人化加工。当前重点发展的加工技术主要包括：

·实型数控加工；

·高速高精度加工；

·镶块铸件化与高效加工；

·全数控化加工；

·少人无人化加工；

·钳工制造的只装不配少修。

实型数控加工和全数控化加工技术已论述，现就其他技术进行简述。

一、

高速高精度加工

目前高速高精度加工已被国际先进企业普遍采用，国内也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的，不单纯是了提高加工效率，更重要的是通过高速实现小步距、低残留的高精度加工。

1．高速加工的现状

目前大家普遍认为：机床转速达6000r/min为准高速加工，达8000—10000r/min以上为高速加工。实际上，只有选用高刚度的卡头和刀体、高精度高耐磨的刀具，并保持转速与走刀速度相适应，才可能实现真正的高速加工。汽车模具型面的加工属于高度复杂的自由曲面加工。能不能实现高速加工，更重要的是取决于数控机床曲面加工的动态精度，而不是取决于一般机床产品样本中所说的静态精度。但遗憾的是，机床复杂曲面加工的动态精度还没有一个统一的标准可供参考。一台适用于汽车模具的高速数控铣，必须同时具备高刚度、高精度、高转速、优良的动态性能、高速下的连续工作时间等综合性能。而这些性能则取决于机床的结构、控制系统的性能、所选用的特殊软件程序、床身是铸件还是焊接钢板？主轴是滑枕还是圆套桶？是线形导轨还是滑动导轨？主轴是否有冷却？半闭环还是全闭环控制？是否采用光栅尺等因素。如果只凭厂家介绍的机床主轴转速高或是平面直线进给速度高，是不可能实现模具型面高速加工的。

目前，欧美的部分汽车模具企业采用真正的转速高于15000r/min和实际进给速度达到10m/min的高速加工，而日本企业基本上还是停留在准高速加工阶段，不管转速如何，实际曲面加工进给速度很难突破6m/min。从实际使用情况来看，如果达到了真正的高速来看，如果达到了真正的高速，刀具的费用、机床的价格和机床的维护费用等都是目前我们国内模具成本难以接受的。像30000r/min、60m/min这样的高速加工中心，都属于中小型机床，只适用于注塑模的型腔加工。

2．高速高精度加工编程

曲面的实际加工速度和精度的高低，除了由机床的性能决定以外，在一定条件下，更取决于加工工艺和数控编程技术。我们应重视并研究数控编程技术对加工精度和效率的影响。例如：刀具即时进给速度和刀具轨迹的曲率半径直接相关，当曲面变化非常大时，不管设定的F值多大，实际平均走刀速度都会非常低。而且如果F值设置过大，会出现过切和抹角现象，严重降低型面精度。

传统的仿型加工为了保证楞线清晰，一般采用垂直楞线加工。用这种方法，编程简单但实际加工速度变化极大，严重影响了加工效率。现在大部分编程方法是对整个型面作45°加工，优点是编程简单，可以保证大部分楞线清晰，但加工效率仍然不高。

高速高精度加工编程的方法和应注意的问题很多，简单列举如下：

·根据曲面几何特点来分块编程和加工；

·加工方向选用顺楞线，大曲率方向走刀，减少拐弯引起的减速；

·加工线速度与进给速度相配合，尽量保持实际切削量不变；

·大斜率曲面加工，行间距在曲面切线方向上保持等距；

·根据曲面的部位改变行间距，如：凸圆角行距加密、凹圆角清亏等；

·合理安排加工分块的顺序，避免因刀具磨损造成的型面断差。

总之，高速高精度加工的NC编程比普通加工麻烦得多，只有投入大量的编程工时和编程人员才有可能完成编程工作，但这种投入会因为加工效率和精度的提高而得到成倍的回报。

3．高精度加工的目标

高精度加工的目标就是最大程度地减少修正。如：上下模刃口间隙直接加工到位；冲孔凸凹模直接安装无需调试；拉延模曲面很高的光顺性、无接刀痕迹；凸楞的较高光洁度和凹角无干涉等等。

4．粗加工高速化

传统的粗加工一般通过深切削、低转速、低进给而一次加工完成。随着机床加工速度的提高，机床的加工性能已经发生了改变。数控机床在低转速、低进给条件下的加工扭力很大，而总的功率却很低，机床效率发挥不出来。为提高加工效率，现在粗加工的发展趋势是中转速、中吃深、高进给、多层加工完成。虽然加工的层数增加了。但由于机床功率实现了最大化，一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工艺方法，特加适应了粗精一体化加工机床的特点，不失为一种值得推广的新技术。二、