沖壓技術的現狀和發展趨勢

近十多年來，隨著對發展先進制造技術的重要性獲得前所未有的共識，沖壓成形技術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結合，在方法和體系上開始發生很大變化。計算機技術、信息技術、現代測控技術等沖壓領域的滲透與交叉融合，推動了先進沖壓成形技術的形成和發展。本文著重結合汽車工業的發展需求，討論沖壓技術的現狀和發展趨勢。
1.沖壓技術發展的特征
    沖壓技術的真正發展，始于汽車的工業化生產。20世紀初，美國福特汽車的工業化生產大大推動了沖術的研究和發展。研究工作基本上在板料成形技術和成形性兩方面同時展開，關鍵問題是破裂、起皺與回彈，涉及可成形性預估、成形方法的創新，以及成形過程的分析與控制。但在20世紀的大部分時間里，對沖壓技術的掌握基本上是經驗型的。分析工具是經典的成形力學理論，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，遠不能滿足汽車工業的需求。60年代是沖壓技術發展的重要時期，各種新的成形技術相繼出現。尤其是成形極限圖（fld）的提出，推動了板材性能、成形理論、成形工藝和質量控制的協調發展，成為沖壓技術發展史上的一個里程碑。
    由于80年代有限元方法及cad技術的先期發展，使90年代以數值模擬仿真為中心的和計算機應用技術在沖壓領域得以迅速發展并走向實用化，成為材料變形行為研究和工藝過程設計的有力工具。汽車沖壓技術真正進入了分析階段，傳統的板成形技術開始從經驗走向科學化。
縱觀上世紀的發展歷程可見：
（1）沖壓性能的研究和改進是與沖壓技術的發展相輔相承的。
（2）汽車、飛機等工業的飛速發展，以及能源因素都是沖壓技術發展的主要推動力。進入新世紀，環境因素及相關的法律約束日益突出，汽車輕量化設計和制造成為當前的重要課題。
（3）成形過程數字化仿真技術的發展，推動傳統沖壓技術走向科學化，進入先進制造技術行列。
（4）沖壓技術的發展涉及材料、能源、模具、設備等各方面。工藝方法的創新及其過程的科學分析與控制是技術發展的核心；模具技術是沖壓技術發展的體現，是決定產品制造周期、成本、質量的重要因素。
2、先進成形技術的發展
    沖壓技術的發展與材料和結構密切相關。預計未來10-15年，環境要求和日益嚴格的環保法律，將促使汽車材料和結構發生很大變化。為了減少城市co2的排放量，汽車力求輕量化，其最突出的發展方向是提高所用材料的比強度和比剛度及發展高效的輕量化結構�，F代車身結構中，高強度鋼約占25%。目前在繼續開發超高強度鋼的同時，結合發展新的“高效結構”和制造技術，爭取使車身重量減少20%以上。但更引人關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用。
    歐美正在研究開發未來型的鋁車身家用小汽車，可使重量減輕40-50%，耗油僅為現行小汽車平均值的三分之一。目前的主要問題是開發低成本鋁合金，發展新結構和高效制造方法，以及改進回收技術。一旦成本問題解決了，鋁合金可能成為汽車的主要結構材料。
    自1991年以來，鎂的產量每5年增加1倍，是很有前途的未來材料，預計2003年后鎂的應用將有明顯上升，包括大的車身外部零件。
    復合板材料在汽車、飛機、醫藥、食品、化工、日用品等方面也均有廣闊應用前景。
    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；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。鋁型材骨架件的用量也在不斷增加。
    結構整體化是重要的發展趨勢，不僅對于飛機，未來汽車也將擴大應用。
    隨著新材料和新結構的擴大應用，迫切需要發展相應的低成本沖壓成形技術。當前的研究重點：
    鋁合金覆蓋件等車身零件的沖壓技術。國外已有實用的工藝及模具設計數據資料。
（2）多種厚度激光拼焊板坯的沖壓技術。
（3）擠壓管坯的內高壓成形技術。
（4）復合板的成形技術等。
    對于飛機工業來說，鈦合金、鋁鋰合金復雜形狀零件及鋁合金特殊結構件的成形技術是當前的研究重點。
    以液體直接或間接作為半�；騻鞲袘�介質的各種液壓成形技術，屬于半模成形或軟模成形，有很多優點（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，得以迅速發展，在汽車工業中獲得重要應用。液壓成形包括液壓橡皮囊成形、充液拉深成形和內高壓脹管成形。液壓橡皮成形已從航空工業的傳統應用擴大到汽車的復雜內外板件的成形，在100-140mpa的壓力下，成形質量很好，適用于試制和小批量生產。新興的內高壓成形技術已經實用化、工業化，生產發動機的支架、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鍵技術。
    此外粘介質壓力成形、磁脈沖成形，以及各種無模成形技術的研究也有很大進展，顯現出越來越多的工藝柔性。
3.數字化成形技術的發展
    先進成形技術是在傳統成形技術的基礎上，以計算機為支柱，綜合利用信息、電子、材料、能源、環境工程等各項高新技術及現代管理技術，有利于最終實現產品全生命期綜合優化的沖壓成形技術，是能越大程度地達到“精、省、凈”目標，獲得高綜合效益的成形技術。
    發展先進成形技術的關鍵在于：
    大力發展沖壓成形過程的計算機分析仿真技術（cae）。
（1）并行工程（ce）、并行工作模式逐步取代傳統的串行順序式工作模式。
    計算機輔助過程分析仿真（cae）是20世紀后期對于金屬成形最具重大意義的技術進步之一，其核心是有限元分析技術。
    以有限元法為基礎的沖壓成形過程中計算機仿真技術或數值模擬技術，以沖壓模具設計、沖壓過程設計與工藝參數優化提供了科學的新途徑，將是解決復雜沖壓過程設計和模具設計的最有效手段。國外大型企業的應用步伐非常迅速，而汽車工業走在前列，現已逐漸成熟，用于模具設計和試模的時間減少50%以上。美國gm居世界領先地位。
    數值模擬技術的發展趨勢可概括如下：
    進一步提高模擬計算的精度和速度。重點突破回彈精確預測；發展快速有限元模擬技術，實現“當天工程”、甚至“2小時工程”；同時加強基礎研究，解決復雜變形路徑等基礎性問題。
（2）降低軟件對人員專業素質的要求。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，不一定能獲得好的模擬結果。面向中小企業，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化。
（4）加強初始化設計環節的研究。初始化設計環節（初始方案），作為計算分析的起點和修改的基礎，至今仍需要靠有經驗的人員完成。迫切需要發展知識庫工程（kbe），將專家系統（es）、人工智能技術（ai）與有限元模擬軟件相結合，實現智能化初始工作，減少對工藝專家的依賴。 （5）加強基礎試驗。材料性能本構關系、摩擦狀態、缺陷判據等數據來自試驗，其真實性、準確性是限制模擬分析達到可靠精度的重要因素。
（6）進一步向產品沖壓制造系統擴展，實現制造全過程、全生命期的綜合優化。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”發展，實現變形方式、成形過程及成形后性能的綜合優化。
（7）普及cae技術勢在必行。cad技術經過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技術的普及將勢在必行。
中小機械制造企業70多萬家，沖壓、模具企業為數甚大，以高新技術改造傳統技術的任務十分艱巨，結合產業調整，統籌規劃，需要提上日程。
4、沖壓成形技術的發展趨勢
    進入90年代以來，高新技術全面促進了傳統成形技術的改造及先進成形技術的形成和發展。21世紀的沖壓技術將以更快的速度持續發展，發展的方向將更加突出“精、省、凈”的需求。
（2）沖壓成形技術將更加科學化、數字化、可控化�？茖W化主要體現在對成形過程、產品質量、成本、效益的預測和可控程度。成形過程的數值模擬技術將在實用化方面取得很大發展，并與數字化制造系統很好地集成。人工智能技術、智能化控制將從簡單形狀零件成形發展到覆蓋件等復雜形狀零件成形，從而真正進入實用階段。
（3）注重產品制造全過程，最大程度地實現多目標全局綜合優化。優化將從傳統的單一成形環節向產品制造全過程及全生命期的系統整體發展。 （4）對產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展。以便從產品初步設計甚至構思時起，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）沖壓技術將具有更大的靈活性或柔性，以適應未來小指量多品種混流生產模式及市場多樣化、個性化需求的發展趨勢，加強企業對市場變化的快速響應能力。
（6）重視復合化成形技術的發展。以復合工藝為基礎的先進成形技術不僅正在從制造毛坯向直接制造零件方向發展，也正在從制造單個零件向直接制造結構整體的方向發展。
    加入wto以后，中國的汽車工業、航空航天工業等支柱產業必將有大的發展。我國的沖壓行業既充滿發展的機遇，又面臨進一步以高新技術改造傳統技術的嚴峻挑戰。國民經濟和國防建設事業將向沖壓成形技術的發展提出更多更新更高的要求。我國的板料加工領域必須加強力量的聯合，加強技術的綜合與集成，加快傳統技術從經驗向科學化轉化的進程。加速人才培養，提升技術創新能力，提高沖壓技術隊伍的整體素質和生產企業的競爭力.