沖壓技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

近十多年來，隨著對發(fā)展先進制造技術(shù)的重要性獲得前所未有的共識，沖壓成形技術(shù)無論在深度和廣度上都取得了前所未有的進展，其特征是與高新技術(shù)結(jié)合，在方法和體系上開始發(fā)生很大變化。計算機技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測控技術(shù)等沖壓領(lǐng)域的滲透與交叉融合，推動了先進沖壓成形技術(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。
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，美國福特汽車的工業(yè)化生產(chǎn)大大推動了沖術(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展開，關(guān)鍵問題是破裂、起皺與回彈，涉及可成形性預(yù)估、成形方法的創(chuàng)新，以及成形過程的分析與控制。但在20世紀(jì)的大部分時間里，對沖壓技術(shù)的掌握基本上是經(jīng)驗型的。分析工具是經(jīng)典的成形力學(xué)理論，能求解的問題十分有限。研究的重點是板材沖壓性能及成形力學(xué)，遠不能滿足汽車工業(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算機應(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程設(shè)計的有力工具。汽車沖壓技術(shù)真正進入了分析階段，傳統(tǒng)的板成形技術(shù)開始從經(jīng)驗走向科學(xué)化。
縱觀上世紀(jì)的發(fā)展歷程可見：
（1）沖壓性能的研究和改進是與沖壓技術(shù)的發(fā)展相輔相承的。
（2）汽車、飛機等工業(yè)的飛速發(fā)展，以及能源因素都是沖壓技術(shù)發(fā)展的主要推動力。進入新世紀(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)計和制造成為當(dāng)前的重要課題。
（3）成形過程數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，推動傳統(tǒng)沖壓技術(shù)走向科學(xué)化，進入先進制造技術(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)計未來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度和比剛度及發(fā)展高效的輕量化結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代車身結(jié)構(gòu)中，高強度鋼約占25%。目前在繼續(xù)開發(fā)超高強度鋼的同時，結(jié)合發(fā)展新的“高效結(jié)構(gòu)”和制造技術(shù)，爭取使車身重量減少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。
    歐美正在研究開發(fā)未來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。目前的主要問題是開發(fā)低成本鋁合金，發(fā)展新結(jié)構(gòu)和高效制造方法，以及改進回收技術(shù)。一旦成本問題解決了，鋁合金可能成為汽車的主要結(jié)構(gòu)材料。
    自1991年以來，鎂的產(chǎn)量每5年增加1倍，是很有前途的未來材料，預(yù)計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、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，不僅對于飛機，未來汽車也將擴大應(yīng)用。
    隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的擴大應(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：
    鋁合金覆蓋件等車身零件的沖壓技術(shù)。國外已有實用的工藝及模具設(shè)計數(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。
    對于飛機工業(yè)來說，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。
    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（已有近60年歷史），是飛機鈑金零件的主要制造方法。近十多年來在高壓源及高壓密封問題解決后，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)實用化、工業(yè)化，生產(chǎn)發(fā)動機的支架、排氣管、凸輪軸及框架件等，達到了很好的效率和效益預(yù)計液壓成形、拼焊毛坯沖壓成形及激光焊接裝配將是未來汽車輕量化的三項關(guān)鍵技術(shù)。
    此外粘介質(zhì)壓力成形、磁脈沖成形，以及各種無模成形技術(shù)的研究也有很大進展，顯現(xiàn)出越來越多的工藝柔性。
3.數(shù)字化成形技術(shù)的發(fā)展
    先進成形技術(shù)是在傳統(tǒng)成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計算機為支柱，綜合利用信息、電子、材料、能源、環(huán)境工程等各項高新技術(shù)及現(xiàn)代管理技術(shù)，有利于最終實現(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)展先進成形技術(shù)的關(guān)鍵在于：
    大力發(fā)展沖壓成形過程的計算機分析仿真技術(shù)（cae）。
（1）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。
    計算機輔助過程分析仿真（cae）是20世紀(jì)后期對于金屬成形最具重大意義的技術(shù)進步之一，其核心是有限元分析技術(shù)。
    以有限元法為基礎(chǔ)的沖壓成形過程中計算機仿真技術(shù)或數(shù)值模擬技術(shù)，以沖壓模具設(shè)計、沖壓過程設(shè)計與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑，將是解決復(fù)雜沖壓過程設(shè)計和模具設(shè)計的最有效手段。國外大型企業(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)計和試模的時間減少50%以上。美國gm居世界領(lǐng)先地位。
    數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢可概括如下：
    進一步提高模擬計算的精度和速度。重點突破回彈精確預(yù)測；發(fā)展快速有限元模擬技術(shù)，實現(xiàn)“當(dāng)天工程”、甚至“2小時工程”；同時加強基礎(chǔ)研究，解決復(fù)雜變形路徑等基礎(chǔ)性問題。
（2）降低軟件對人員專業(yè)素質(zhì)的要求。目前市場軟件功能強大，主要面向分析師，買了先進軟件系統(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）降低軟件對硬件平臺的要求。目前，幾乎著名的沖壓模擬軟件都已完成向微機版的轉(zhuǎn)化。
（4）加強初始化設(shè)計環(huán)節(jié)的研究。初始化設(shè)計環(huán)節(jié)（初始方案），作為計算分析的起點和修改的基礎(chǔ)，至今仍需要靠有經(jīng)驗的人員完成。迫切需要發(fā)展知識庫工程（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，實現(xiàn)智能化初始工作，減少對工藝專家的依賴。 （5）加強基礎(chǔ)試驗。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)來自試驗，其真實性、準(zhǔn)確性是限制模擬分析達到可靠精度的重要因素。
（6）進一步向產(chǎn)品沖壓制造系統(tǒng)擴展，實現(xiàn)制造全過程、全生命期的綜合優(yōu)化。目前，成形過程分析，仍重在解決成“形”問題。未來，將同時向改“性”發(fā)展，實現(xiàn)變形方式、成形過程及成形后性能的綜合優(yōu)化。
（7）普及cae技術(shù)勢在必行。cad技術(shù)經(jīng)過5-10年的大力普及，基本解決了手工繪圖問題。未來5-10年，cae技術(shù)的普及將勢在必行。
中小機械制造企業(yè)70多萬家，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
    進入90年代以來，高新技術(shù)全面促進了傳統(tǒng)成形技術(shù)的改造及先進成形技術(shù)的形成和發(fā)展。21世紀(jì)的沖壓技術(shù)將以更快的速度持續(xù)發(fā)展，發(fā)展的方向?qū)⒏�加突�?ldquo;精、省、凈”的需求。
（2）沖壓成形技術(shù)將更加科學(xué)化、數(shù)字化、可控化。科學(xué)化主要體現(xiàn)在對成形過程、產(chǎn)品質(zhì)量、成本、效益的預(yù)測和可控程度。成形過程的數(shù)值模擬技術(shù)將在實用化方面取得很大發(fā)展，并與數(shù)字化制造系統(tǒng)很好地集成。人工智能技術(shù)、智能化控制將從簡單形狀零件成形發(fā)展到覆蓋件等復(fù)雜形狀零件成形，從而真正進入實用階段。
（3）注重產(chǎn)品制造全過程，最大程度地實現(xiàn)多目標(biāo)全局綜合優(yōu)化。優(yōu)化將從傳統(tǒng)的單一成形環(huán)節(jié)向產(chǎn)品制造全過程及全生命期的系統(tǒng)整體發(fā)展。 （4）對產(chǎn)品可制造性和成形工藝的快速分析與評估能力將有大的發(fā)展。以便從產(chǎn)品初步設(shè)計甚至構(gòu)思時起，就能針對零件的可成形性及所需性能的保證度，作出快速分析評估。
（5）沖壓技術(shù)將具有更大的靈活性或柔性，以適應(yīng)未來小指量多品種混流生產(chǎn)模式及市場多樣化、個性化需求的發(fā)展趨勢，加強企業(yè)對市場變化的快速響應(yīng)能力。
（6）重視復(fù)合化成形技術(shù)的發(fā)展。以復(fù)合工藝為基礎(chǔ)的先進成形技術(shù)不僅正在從制造毛坯向直接制造零件方向發(fā)展，也正在從制造單個零件向直接制造結(jié)構(gòu)整體的方向發(fā)展。
    加入wto以后，中國的汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)等支柱產(chǎn)業(yè)必將有大的發(fā)展。我國的沖壓行業(yè)既充滿發(fā)展的機遇，又面臨進一步以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國民經(jīng)濟和國防建設(shè)事業(yè)將向沖壓成形技術(shù)的發(fā)展提出更多更新更高的要求。我國的板料加工領(lǐng)域必須加強力量的聯(lián)合，加強技術(shù)的綜合與集成，加快傳統(tǒng)技術(shù)從經(jīng)驗向科學(xué)化轉(zhuǎn)化的進程。加速人才培養(yǎng)，提升技術(shù)創(chuàng)新能力，提高沖壓技術(shù)隊伍的整體素質(zhì)和生產(chǎn)企業(yè)的競爭力.