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XX大學
畢業(yè)設計(論文)
文獻綜述
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
材料成型及控制工程
學生姓名
指導教師
20xx年 03 月 10 日
沖壓工藝與模具技術
摘要：通過翻閱相關的參考資料和文獻，本文介紹了沖壓工藝、模具的發(fā)展和研究趨勢；以及沖壓材料的性能及要求，這些對沖壓模具技術有一個大致的了解，為進一步學習沖壓工藝及模具設計提供了方向性的指導和準備。
關鍵字：模具先進制造技術，沖壓模具，沖壓工藝
Abstract：Through reading relevant information and literature, this paper introduces the stamping process, mold the development and research trend; and stamping materials and the performance requirement of stamping die, these techniques have a general understanding, for further study of the stamping process and die design provides guidance and preparation
Key words: Advanced manufacturing technology of die, stamping die, stamping process
前言
改革開放以來，隨著國民經濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。近年來，模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展?！澳＞呤枪I(yè)生產的基礎工藝裝備”也已經取得了共識。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通信等產品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產制件所具備的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”，用模具生產的最終產品的價值，往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。目前全世界模具年產值約為600億美元，日、美等工業(yè)發(fā)達國家的模具工業(yè)產值已超過機床工業(yè)，從1997年開始，我國模具工業(yè)產值也超過了機床工業(yè)產值。模具生產技術水平的高低，已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志，因為模具在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。鑒于模具工業(yè)的重要性，在1989年3月國務院頒布的《關于當前產業(yè)政策要點的決定》中，把模具列為機械工業(yè)技術改造序列的第一位、生產和基本建設序列的第二位。1997年以來，又相繼把模具及其加工技術和設備列入了《當前國家重點鼓勵發(fā)展的產業(yè)、產品和技術目錄》和《鼓勵外商投資產業(yè)目錄》。經國務院批準，從1997年到2000年，對80多家國有專業(yè)模具廠實行增值稅返還70%的優(yōu)惠政策，以扶植模具工業(yè)的發(fā)展。所有這些，都充分體現(xiàn)了國務院和國家有關部門對發(fā)展模具工業(yè)的重視和支持。本文著重探討沖壓工藝與模具的發(fā)展。
1 沖壓工藝的特點
沖壓即在室溫下，利用安裝在壓力機上的沖壓模具對材料施加壓力，使其產生分離或發(fā)生塑性變形,從而獲得所需形狀和尺寸,具有一定力學性能的零件的一種壓力加工方法[1]。
沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現(xiàn)。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素[2]。
由于沖壓加工的沖壓件的形狀、尺寸和表面質量是由模具保證的，所以在大量生產中可以獲得穩(wěn)定的加工質量，可以滿足一般的裝配和使用要求。此外，沖壓加工具有很高的生產率。一般在一臺沖壓設備上每分可以生產中小尺寸工件幾件到幾十件，高速沖床可達幾百件，這是其他任何加工方法都無法實現(xiàn)的。沖壓加工所用坯料是板材或卷料，通常又是在常溫下加工，故易于實現(xiàn)機械化與自動化，可大幅度地提高生產率，這對于我國大力發(fā)展的航空業(yè)具有積極作用。
由于某些彎曲件形狀不規(guī)則，利用一般的沖壓技術成形困難，可以采用杠桿塊沖壓成形工藝。由于彎曲件形狀多樣，彎曲方向變換多端，當彎曲方向與沖壓設備中滑塊的運動方向垂直或成一定角度時，常采用一些機構把滑塊的向下運動轉變?yōu)樗枰较虻倪\動，從而實現(xiàn)工件的成形。常采用的機構有：斜楔滑塊機構、杠桿塊機構、齒輪齒條機構等。通過這些機構的巧妙動作，可實現(xiàn)多種復雜彎曲件的成形[3]。
2 沖壓成形工藝發(fā)展歷史
沖壓技術的真正發(fā)展，始于汽車的產業(yè)化生產。20世紀初，美國福特汽車的產業(yè)化生產大大推動了沖術的研究和發(fā)展[5]。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，關鍵題目是破裂、起皺與回彈，涉及可成形性預估、成形方法的創(chuàng)新，以及成形過程的分析與控制[6]。但在20世紀的大部分時間里，對沖壓技術的把握基本上是經驗形的。分析工具是經典的成形力學理論，能求解的題目十分有限。研究的重點是板材沖壓性能及成形力學，遠不能滿足汽車產業(yè)的需求[7]。60年代是沖壓技術發(fā)展的重要時期，各種新的成形技術相繼出現(xiàn)。尤其是成形極限圖的提出，推動了板材性能、成形理論、成形工藝和質量控制的協(xié)調發(fā)展，成為沖壓技術發(fā)展史上的一個里程碑[8]。?
由于80年代有限元方法及CAD技術的先期發(fā)展，使90年代以數(shù)值模擬仿真為中心的計算機應用技術在沖壓領域得以迅速發(fā)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。沖壓技術真正進入了分析階段，傳統(tǒng)的成形技術開始從經驗走向科學化。
縱觀上世紀的發(fā)展歷程可見：
?。?）沖壓性能的研究和改進是與沖壓技術的發(fā)展相輔相承的?！?
（2）汽車、飛機等產業(yè)的飛速發(fā)展，以及能源因素都是沖壓技術發(fā)展的主要推動力。進入新世紀，環(huán)境因素及相關的法律約束日益突出，輕量化設計和制造成為當前的重要課題[9]。
?。?）成形過程數(shù)字化仿真技術的發(fā)展，推動傳統(tǒng)沖壓技術走向科學化，進入先進制造技術行列。
?。?）沖壓技術的發(fā)展涉及材料、能源、模具、設備等各方面。工藝方法的創(chuàng)新及其過程的科學分析與控制是技術發(fā)展的核心；模具技術是沖壓技術發(fā)展的體現(xiàn)，是決定產品制造周期、本錢、質量的重要因素[10]。
3 沖壓成形工藝現(xiàn)狀
3.1 先進沖壓成形技術
先進成形技術是在傳統(tǒng)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(huán)境工程等各項高新技術及現(xiàn)代治理技術，有利于終極實現(xiàn)產品全生命期綜合優(yōu)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(fā)展先進成形技術的關鍵在于：
（1）大力發(fā)展沖壓成形過程的計算機分析仿真技術（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(shù)值模擬技術，為沖壓模具設計、沖壓過程設計與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學的新途徑，是解決復雜沖壓過程設計和模具設計的最有效手段。應用此種技術模具設計和試模的時間減少50%以上。
目前，板料沖壓成形過程的計算機仿真已經走出理論研究及軟件開發(fā)階段，正進入實用化階段。在世界范圍內，美、法、德順序處于該技術的領先地位，已經推出了商品軟件。這些軟件都采用彈塑性有限元方法，在大型計算機或工作站上運行。在美國，三大汽車公司都已采用了沖壓成形過程仿真技術。德國巴伐里亞汽車廠1993年引入該項技術，在兩年多時間內每項工作的平均時間從四周左右縮短到少于兩周[11]。
1991年末日本鈑金成形工業(yè)面臨需求短缺。日本模具工業(yè)很發(fā)達，但迄今很少有通用目的程序被開發(fā)出來，正在使用的都是引進軟件。周邊國家韓國、新加坡等也在越來越多地采用板料沖壓成形仿真技術。
該技術在我國仍屬起步階段，研究工作主要在少數(shù)重點大學如北京航空航天大學、吉林大學、華中理工大學、湖南大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、上海交通大學等高校進行。少數(shù)企業(yè)如一汽、上汽、嘉陵及研究所等開始引進國外軟件。由于缺乏售后服務支持，更多地靠自己在實踐中探索試用。
3.2 沖壓模具的發(fā)展
沖壓模具是沖壓生產必不可少的工藝裝備，是技術密集型產品。沖壓件的質量、生產效率以及生產成本等，與模具設計和制造有直接關系。模具設計與制造技術水平的高低，是衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志之一，在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發(fā)能力。提高沖壓模具制造效率，提高模具表面質量，延長模具使用壽命是模具制造領域的主要課題。為此，對模具加工裝備、模具制造技術的革新是模具制造業(yè)發(fā)展的兩大方向。
過去的中國沖壓模具行業(yè)，車、刨、銑、鉆、磨等傳統(tǒng)普通機床和電火花線切割機床，曾經在絕大多數(shù)沖壓模具企業(yè)使用，進口的數(shù)控龍門仿形銑床由于沒有采用CAD／CAM技術，也只能當作靠模仿形銑床使用，采用這些裝備加工沖壓模具時，通常需要對模具零件反復裝夾和定位，因而加工生產效率低、模具產品質量差[12]。
在2002年12月德國法蘭克福舉辦的EuroMold展會上的1493個參展廠商中，約有30％是機床和刀具廠商，展出高速加工機床的最高轉速在25000～30000r／min之間，這是對傳統(tǒng)切削加工的非常顯著的變革，體現(xiàn)了模具加工技術裝備高速化、集成化趨勢[13]。
國外的模具制造企業(yè)，廣泛使用先進的高精度、高速度、專業(yè)化加工裝備，如日本豐田汽車模具公司[14]擁有構造面加工數(shù)控銑床39臺套、型面加工高速五軸五面銑床1 5臺套、其它新型一體化專門加工設備6臺套。加工工藝方法包括等高線加工、最大長度順向走刀加工等，精加工走刀移行密度僅有0．3mm。同時，可以實現(xiàn)內凹圓角清根、外凸圓角加工到位等，因而可以控制模具配合的不等距間隙、最大可能的縮小型面誤差，實現(xiàn)模面的精細加工。
為提高模具制造效率可采用快速成型技術?？焖俪尚?Rapid Prototyping，簡稱RP)技術是指在計算機控制與管理下，由零件實物或模型直接驅動，采用材料精確堆積成復雜三維實體的原型或零件制造技術，是一種集計算機(包括CAD／CAM／CAE等)、光學掃描、新型材料、數(shù)控、激光等技術于一體的新型高新制造技術。主要用于零件設計的快速檢驗以及各種模具模型的快速制造。
快速模具(Rapid tooling，筒稱RT)技術是利用RP技術成型功能零件尤其是金屬模具或零件的一種方法?？梢钥朔鹘y(tǒng)模具制作過程復雜、耗時長、費用高等缺點，應用RP技術制造快速、經濟模具成為RP技術發(fā)展的主要推動力之一。
RP和RT技術集成的快速制造精密模具的方法，被稱為先進的“柔性工具”方法，適應了現(xiàn)代工業(yè)向著多品種、變批量發(fā)展的趨勢，為沖壓模具的多品種、小批量、快速生產奠定了技術基礎。
模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質量，同樣也是重要的發(fā)展趨勢。這方面的研究工作十分活躍，張學良[15]在數(shù)控銑床上研究了利用直流電進行磁性拋光的情況，精銑加工后表面粗糙度1．0微米的試樣只需研拋3．2min，可獲得表面粗糙度為0．1微米的高質量表面，顯示了高精度、高效率和高可靠性。日本岡山大學的宇野羲幸[16]等人，采用直徑達60 rm的大面積脈沖電子束，研究了能量密度、照射次數(shù)、粗加工質量等因素對模具精整加工質量的影響，得出“大面積脈沖電子束照射有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)精整拋光”的可喜結論。
3.3 先進沖壓材料
沖壓技術的發(fā)展與材料和結構密切相關。預計未來10-15年，環(huán)境要求和日益嚴格的環(huán)保法律，將促使汽車材料和結構發(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)展高效的輕量化結構?，F(xiàn)代車身結構中，高強度鋼約占25%。目前在繼續(xù)開發(fā)超高強度鋼的同時，結合發(fā)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(fā)未來的鋁車身家用小汽車，可使重量減輕40-50%，耗油僅為現(xiàn)行小汽車均勻值的三分之一。目前的主要題目是開發(fā)低本錢鋁合金，發(fā)展新結構和高效制造方法，以及改進回收技術。一旦本錢題目解決了，鋁合金可能成為汽車的主要結構材料。
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形材的精密成形技術。鋁形材骨架件的用量也在不斷增加。
結構整體化是重要的發(fā)展趨勢，對于飛機將擴大應用。
隨著新材料和新結構的擴大應用，迫切需要發(fā)展相應的低本錢沖壓成形技術。當前的研究重點：
?。?）鋁合金覆蓋件等機身零件的沖壓技術。
（2）多種厚度激光拼焊板坯的沖壓技術。?
?。?）擠壓管坯的內高壓成形技術。
（4）復合板的成形技術等。
對于飛機產業(yè)來說，鈦合金、鋁鋰合金復雜外形零件及鋁合金特殊結構件的成形技術是當前的研究重點。
4 沖壓成形技術的發(fā)展趨勢
進入90年代以來，高新技術全面促進了傳統(tǒng)成形技術的改造及先進成形技術的形成和發(fā)展。以后沖壓技術將以更快的速度持續(xù)發(fā)展，發(fā)展的方向將更加突出“精、省、凈”的需求。達到這些要求急需發(fā)展如下幾項：
（1）沖壓成形技術將更加科學化、數(shù)字化、可控化?？茖W化主要體現(xiàn)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(shù)值模擬技術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、智能化控制將從簡單形狀零件成形發(fā)展到覆蓋件等復雜形狀零件成形，從而真正進入實用階段[17]。
（2）注重產品制造全過程，最大程度地實現(xiàn)多目標全局綜合優(yōu)化。優(yōu)化將從傳統(tǒng)的單一成形環(huán)節(jié)向產品制造全過程及全生命期的系統(tǒng)整體發(fā)展。
（3）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(fā)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。
（4）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(fā)展趨勢，加強企業(yè)對市場變化的快速響應能力。
（5）重視復合化成形技術的發(fā)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(fā)展，也正在從制造單個零件向直接制造結構整體的方向發(fā)展[18]。
參考文獻
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