關(guān)于沖壓模具技術(shù)的研究

常淑敏

摘 要：高品質(zhì)、高性能、低成本將主導(dǎo)未來模具材料研發(fā)方向，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家壟斷高檔模具材料研發(fā)和生產(chǎn)的局面將被打破。隨著汽車、電子電器等制造業(yè)快速發(fā)展及產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，先進(jìn)多工位與多功能沖壓模具，特別是大型高精、超高速沖壓、超薄、超強(qiáng)和微細(xì)型零件成形沖壓模具的市場需求將穩(wěn)定增長。

關(guān)鍵詞：高品質(zhì) 高性能 低成本

中圖分類號：TG385 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0000-0091-01

1 沖壓模具技術(shù)概述

冷沖壓模具主要指先進(jìn)多工位與多功能沖壓模具、精密沖壓模具和汽車車身沖壓模具等。

先進(jìn)多工位與多功能沖壓模具的代表主要有精密多工位級進(jìn)模、精密多工位沖壓傳遞模、復(fù)雜精密多功能沖壓模具等，是汽車、電子電器等制造業(yè)的關(guān)鍵工藝裝備。這類模具的總體水平與國際先進(jìn)水平接近，一部分模具已出口到工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。但是與國外先進(jìn)沖壓模具水平相比，仍然有差距，如模具壽命較低，模具試模周期長，模具調(diào)整和維修時間較長，模具材料、標(biāo)準(zhǔn)件等模具基礎(chǔ)技術(shù)水平差距較大，特別是缺乏設(shè)計和制造相關(guān)基礎(chǔ)理論技術(shù)的支撐等。

精沖模具是采用負(fù)間隙或零間隙沖裁金屬板材類零件的模具，在精密零件成形領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。我國在精沖模具方面具備了一定的開發(fā)能力，而在復(fù)雜精沖模具，特別是精沖復(fù)合成形模具的開發(fā)方面仍缺乏經(jīng)驗，水平不高，進(jìn)口模具仍占較大比重。

汽車沖壓模具主要用于汽車的外形件、結(jié)構(gòu)件以及內(nèi)飾件成形制造等。國內(nèi)模具企業(yè)已經(jīng)可以設(shè)計制造B 級轎車的全套模具，開始向C級轎車的高難度復(fù)雜模具進(jìn)軍。

冷沖壓模具技術(shù)的總體發(fā)展是“由模具自身的品質(zhì)提升向沖壓件產(chǎn)品的控形控性方向發(fā)展”。即客戶要求從主要考慮模具本身品質(zhì)向使用模具生產(chǎn)的最終沖壓產(chǎn)品品質(zhì)控制方向發(fā)展，從對沖壓模具品質(zhì)的單一要求向企業(yè)產(chǎn)品的系統(tǒng)解決方案發(fā)展。多領(lǐng)域交叉技術(shù)的應(yīng)用以及以模具為核心的系統(tǒng)解決方案將是今后模具技術(shù)發(fā)展的主要特征。沖壓模具技術(shù)的主要方向：特大型高精、超高速沖壓、超薄、超強(qiáng)和微細(xì)型零件成形沖壓模具設(shè)計、制造關(guān)鍵技術(shù)；多功能復(fù)合模具技術(shù)以及該類模具的試模技術(shù)、模具可靠性技術(shù)等。

未來20年，我國沖壓模具設(shè)計制造綜合水平達(dá)到當(dāng)時國際先進(jìn)水平，差距縮短到5年左右。

2 未來市場需求及產(chǎn)品

隨著汽車、電子電器等制造業(yè)快速發(fā)展及產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，先進(jìn)多工位與多功能沖壓模具，特別是大型高精、超高速沖壓、超薄、超強(qiáng)和微細(xì)型零件成形沖壓模具的市場需求將穩(wěn)定增長。

隨著客戶要求從主要考慮模具本身品質(zhì)向使用模具生產(chǎn)的最終沖壓產(chǎn)品品質(zhì)控制方向轉(zhuǎn)移，向用戶企業(yè)提供產(chǎn)品沖壓系統(tǒng)解決方案的技術(shù)服務(wù)方式將得到快速發(fā)展。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 沖壓模具產(chǎn)品的信息化和智能化

（1）現(xiàn)狀：目前沖壓模具主要考慮的是沖壓件的“控形”問題，同時考慮“控形和控性”尚缺乏沖壓成形“控形和控性”技術(shù)理論研究、模具產(chǎn)品的信息化和智能化等基礎(chǔ)條件。

（2）挑戰(zhàn)：需掌握沖壓件的成形形狀智能控制技術(shù)、沖壓件強(qiáng)度、剛度和厚度合理分布的控制技術(shù)與模具設(shè)計技術(shù)、沖壓成形過程及零部件質(zhì)量的控制技術(shù)等。

（3）目標(biāo)：預(yù)計到2030年，突破沖壓件的控形和控性理論、掌握沖壓模具成形過程的信息獲取、應(yīng)用與沖壓件的控形控性模具設(shè)計實現(xiàn)方法等關(guān)鍵技術(shù)，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3.2 新型工藝及沖壓模具理論與技術(shù)

（1）現(xiàn)狀：新材料和新工藝不斷出現(xiàn)，如硼鋼板熱沖壓技術(shù)、管材的內(nèi)高壓成形技術(shù)、鎂合金板的沖壓技術(shù)等，而現(xiàn)有的模具成形理論與技術(shù)不能完全適應(yīng)新材料和新工藝對模具的要求，也缺乏綜合工程研發(fā)機(jī)構(gòu)。

（2）挑戰(zhàn)：需協(xié)調(diào)新材料變形特性研究、新成形工藝開發(fā)和模具設(shè)計制造間的關(guān)系。

（3）目標(biāo)：新材料成形模具的設(shè)計制造技術(shù)、新成形工藝所需模具的設(shè)計制造技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4 汽車覆蓋件成形數(shù)值模擬技術(shù)（ CAE分析）

4.1 汽車覆蓋件成形數(shù)值模擬技術(shù)（CAE分析）的優(yōu)點

（1）縮短開發(fā)周期。如某汽車地板總成的模具開發(fā)由44周縮短為20周；（2）降低開發(fā)成本；（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量；（4）深化對成形過程的科學(xué)認(rèn)識。

4.2 CAE技術(shù)的數(shù)值模擬的核心思想——有限元法

起源：有限元法是隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種基于變分原理來求解偏微分方程的有效數(shù)值計算方法。

基本思想：把連續(xù)體視為離散單元的集合體。

“化整為零”。將連續(xù)體分解為有限個性態(tài)比較簡單的“單元”。對這些單元分別進(jìn)行分析。

“積零為整”。將各個單元重新組合為原來的連續(xù)體的簡化“模型”，求解得到基本未知量（位移）在若干離散點的數(shù)值解。

根據(jù)數(shù)值解再回到各單元中計算其他物理量（應(yīng)變、應(yīng)力、溫度等）。

引入CAE數(shù)值仿真的模具開發(fā)。

結(jié)合板料CAE數(shù)值模擬在模具開發(fā)中的作用。

4.3 金屬塑性有限元法的實施步驟

（1）用假想的線、面將連續(xù)體分成若干具有簡單幾何形狀的“有限單元”。

假設(shè)這些單元在且僅在其邊界上的若干個離散節(jié)點處互相連接。將這些節(jié)點的位移（速度）作為問題的基本未知量。

（2）選擇適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，以便由每個“有限單元”的節(jié)點位移（速度）唯一地確定該單元中的位移（速度）分布。

（3）利用位移（速度）函數(shù)對坐標(biāo)的偏導(dǎo)數(shù)可根據(jù)節(jié)點位移（速度）唯一地確定一個單元中的應(yīng)變（或應(yīng)變速率）分布。由單元的應(yīng)變（或應(yīng)變速率）以及材料的本構(gòu)關(guān)系，可確定單元的應(yīng)力分布。

（4）根據(jù)虛功原理可建立每個單元中節(jié)點位移（速度）和節(jié)點力的關(guān)系，即單元剛度方程。

（5）將每個單元所受的外載荷根據(jù)作用力等效的原則移置到該單元的節(jié)點上，形成等效節(jié)點力。

（6）按照各節(jié)點整體編號及節(jié)點自由度的順序，將各單元的剛度方程迭加，組裝成問題的整體剛度方程。

（7）根據(jù)邊界節(jié)點必須滿足的位移（速度）條件，修改整體剛度方程。

（8）求解整體剛度方程，得到節(jié)點位移（速度）。根據(jù)求得的節(jié)點位移（速度），計算各單元的應(yīng)變（或應(yīng)變速率）和應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] 工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司.模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[R].北京：工業(yè)和信息化部，2011.

[2] 李志剛.模具制造業(yè)信息化的現(xiàn)狀與發(fā)展[C]//中國模具工業(yè)協(xié)會，中國模具工業(yè)年鑒2008.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]李志剛.國內(nèi)外汽車模具，技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].金屬：冷加工，2011（16）：12-15，54.