文献综述-冲压工艺与模具技术

毕业设计论文文献综述院（系）名称工学院机械系专业名称材料成型及控制工程2012年03月10日冲压工艺与模具技术摘要通过翻阅相关的参考资料和文献，本文介绍了冲压工艺、模具的发展和研究趋势；以及冲压材料的性能及要求，这些对冲压模具技术有一个大致的了解，为进一步学习冲压工艺及模具设计提供了方向性的指导和准备。关键字模具先进制造技术，冲压模具，冲压工艺ABSTRACTTHROUGHREADINGRELEVANTINFORMATIONANDLITERATURE,THISPAPERINTRODUCESTHESTAMPINGPROCESS,MOLDTHEDEVELOPMENTANDRESEARCHTRENDANDSTAMPINGMATERIALSANDTHEPERFORMANCEREQUIREMENTOFSTAMPINGDIE,THESETECHNIQUESHAVEAGENERALUNDERSTANDING,FORFURTHERSTUDYOFTHESTAMPINGPROCESSANDDIEDESIGNPROVIDESGUIDANCEANDPREPARATIONKEYWORDSADVANCEDMANUFACTURINGTECHNOLOGYOFDIE,STAMPINGDIE,STAMPINGPROCESS前言改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长。近年来，模具工业一直以15左右的增长速度快速发展。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经取得了共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，6080的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业，从1997年开始，我国模具工业产值也超过了机床工业产值。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。鉴于模具工业的重要性，在1989年3月国务院颁布的关于当前产业政策要点的决定中，把模具列为机械工业技术改造序列的第一位、生产和基本建设序列的第二位。1997年以来，又相继把模具及其加工技术和设备列入了当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录和鼓励外商投资产业目录。经国务院批准，从1997年到2000年，对80多家国有专业模具厂实行增值税返还70的优惠政策，以扶植模具工业的发展。所有这些，都充分体现了国务院和国家有关部门对发展模具工业的重视和支持。本文着重探讨冲压工艺与模具的发展。1冲压工艺的特点冲压即在室温下，利用安装在压力机上的冲压模具对材料施加压力，使其产生分离或发生塑性变形,从而获得所需形状和尺寸,具有一定力学性能的零件的一种压力加工方法1。冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素2。由于冲压加工的冲压件的形状、尺寸和表面质量是由模具保证的，所以在大量生产中可以获得稳定的加工质量，可以满足一般的装配和使用要求。此外，冲压加工具有很高的生产率。一般在一台冲压设备上每分可以生产中小尺寸工件几件到几十件，高速冲床可达几百件，这是其他任何加工方法都无法实现的。冲压加工所用坯料是板材或卷料，通常又是在常温下加工，故易于实现机械化与自动化，可大幅度地提高生产率，这对于我国大力发展的航空业具有积极作用。由于某些弯曲件形状不规则，利用一般的冲压技术成形困难，可以采用杠杆块冲压成形工艺。由于弯曲件形状多样，弯曲方向变换多端，当弯曲方向与冲压设备中滑块的运动方向垂直或成一定角度时，常采用一些机构把滑块的向下运动转变为所需要方向的运动，从而实现工件的成形。常采用的机构有斜楔滑块机构、杠杆块机构、齿轮齿条机构等。通过这些机构的巧妙动作，可实现多种复杂弯曲件的成形3。2冲压成形工艺发展历史冲压技术的真正发展，始于汽车的产业化生产。20世纪初，美国福特汽车的产业化生产大大推动了冲术的研究和发展5。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，关键题目是破裂、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6。但在20世纪的大部分时间里，对冲压技术的把握基本上是经验形的。分析工具是经典的成形力学理论，能求解的题目十分有限。研究的重点是板材冲压性能及成形力学，远不能满足汽车产业的需求7。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8。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。冲压技术真正进入了分析阶段，传统的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、飞机等产业的飞速发展，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，轻量化设计和制造成为当前的重要课题9。（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、本钱、质量的重要因素10。3冲压成形工艺现状31先进冲压成形技术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治理技术，有利于终极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（1）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，为冲压模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径，是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。应用此种技术模具设计和试模的时间减少50以上。目前，板料冲压成形过程的计算机仿真已经走出理论研究及软件开发阶段，正进入实用化阶段。在世界范围内，美、法、德顺序处于该技术的领先地位，已经推出了商品软件。这些软件都采用弹塑性有限元方法，在大型计算机或工作站上运行。在美国，三大汽车公司都已采用了冲压成形过程仿真技术。德国巴伐里亚汽车厂1993年引入该项技术，在两年多时间内每项工作的平均时间从四周左右缩短到少于两周11。1991年末日本钣金成形工业面临需求短缺。日本模具工业很发达，但迄今很少有通用目的程序被开发出来，正在使用的都是引进软件。周边国家韩国、新加坡等也在越来越多地采用板料冲压成形仿真技术。该技术在我国仍属起步阶段，研究工作主要在少数重点大学如北京航空航天大学、吉林大学、华中理工大学、湖南大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、上海交通大学等高校进行。少数企业如一汽、上汽、嘉陵及研究所等开始引进国外软件。由于缺乏售后服务支持，更多地靠自己在实践中探索试用。32冲压模具的发展冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。提高冲压模具制造效率，提高模具表面质量，延长模具使用寿命是模具制造领域的主要课题。为此，对模具加工装备、模具制造技术的革新是模具制造业发展的两大方向。过去的中国冲压模具行业，车、刨、铣、钻、磨等传统普通机床和电火花线切割机床，曾经在绝大多数冲压模具企业使用，进口的数控龙门仿形铣床由于没有采用CADCAM技术，也只能当作靠模仿形铣床使用，采用这些装备加工冲压模具时，通常需要对模具零件反复装夹和定位，因而加工生产效率低、模具产品质量差12。在2002年12月德国法兰克福举办的EUROMOLD展会上的1493个参展厂商中，约有30是机床和刀具厂商，展出高速加工机床的最高转速在2500030000RMIN之间，这是对传统切削加工的非常显著的变革，体现了模具加工技术装备高速化、集成化趋势13。国外的模具制造企业，广泛使用先进的高精度、高速度、专业化加工装备，如日本丰田汽车模具公司14拥有构造面加工数控铣床39台套、型面加工高速五轴五面铣床15台套、其它新型一体化专门加工设备6台套。加工工艺方法包括等高线加工、最大长度顺向走刀加工等，精加工走刀移行密度仅有03MM。同时，可以实现内凹圆角清根、外凸圆角加工到位等，因而可以控制模具配合的不等距间隙、最大可能的缩小型面误差，实现模面的精细加工。为提高模具制造效率可采用快速成型技术。快速成型RAPIDPROTOTYPING，简称RP技术是指在计算机控制与管理下，由零件实物或模型直接驱动，采用材料精确堆积成复杂三维实体的原型或零件制造技术，是一种集计算机包括CADCAMCAE等、光学扫描、新型材料、数控、激光等技术于一体的新型高新制造技术。主要用于零件设计的快速检验以及各种模具模型的快速制造。快速模具RAPIDTOOLING，筒称RT技术是利用RP技术成型功能零件尤其是金属模具或零件的一种方法。可以克服传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高等缺点，应用RP技术制造快速、经济模具成为RP技术发展的主要推动力之一。RP和RT技术集成的快速制造精密模具的方法，被称为先进的“柔性工具”方法，适应了现代工业向着多品种、变批量发展的趋势，为冲压模具的多品种、小批量、快速生产奠定了技术基础。模具表面的质量对模具使用寿命、制件外观质量等方面均有较大的影响，研究自动化、智能化的研磨与抛光方法替代现有手工操作，以提高模具表面质量，同样也是重要的发展趋势。这方面的研究工作十分活跃，张学良15在数控铣床上研究了利用直流电进行磁性抛光的情况，精铣加工后表面粗糙度10微米的试样只需研抛32MIN，可获得表面粗糙度为01微米的高质量表面，显示了高精度、高效率和高可靠性。日本冈山大学的宇野羲幸16等人，采用直径达60RM的大面积脉冲电子束，研究了能量密度、照射次数、粗加工质量等因素对模具精整加工质量的影响，得出“大面积脉冲电子束照射有望代替传统精整抛光”的可喜结论。33先进冲压材料冲压技术的发展与材料和结构密切相关。预计未来1015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的铝车身家用小汽车，可使重量减轻4050，耗油仅为现行小汽车均匀值的三分之一。目前的主要题目是开发低本钱铝合金，发展新结构和高效制造方法，以及改进回收技术。一旦本钱题目解决了，铝合金可能成为汽车的主要结构材料。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形材的精密成形技术。铝形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，对于飞机将扩大应用。随着新材料和新结构的扩大应用，迫切需要发展相应的低本钱冲压成形技术。当前的研究重点（1）铝合金覆盖件等机身零件的冲压技术。（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。对于飞机产业来说，钛合金、铝锂合金复杂外形零件及铝合金特殊结构件的成形技术是当前的研究重点。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。以后冲压技术将以更快的速度持续发展，发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。达到这些要求急需发展如下几项（1）冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。科学化主要体现在对成形过程、产品质量、成本、效益的预测和可控程度。成形过程的数值模拟技术将在实用化方面取得很大发展，并与数字化制造系统很好地集成。人工智能技术、智能化控制将从简单形状零件成形发展到覆盖件等复杂形状零件成形，从而真正进入实用阶段17。（2）注重产品制造全过程，最大程度地实现多目标全局综合优化。优化将从传统的单一成形环节向产品制造全过程及全生命期的系统整体发展。（3）对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展。以便从产品初步设计甚至构思时起，就能针对零件的可成形性及所需性能的保证度，作出快速分析评估。（4）冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以适应未来小指量多品种混流生产模式及市场多样化、个性化需求的发展趋势，加强企业对市场变化的快速响应能力。（5）重视复合化成形技术的发展。以复合工艺为基础的先进成形技术不仅正在从制造毛坯向直接制造零件方向发展，也正在从制造单个零件向直接制造结构整体的方向发展18。参考文献1高军冲压工艺及模具设计化学工业出版社2周斌兴冲压模