關于沖壓模具技術的研究

常淑敏

摘 要：高品質、高性能、低成本將主導未來模具材料研發方向，歐、美、日等發達國家壟斷高檔模具材料研發和生產的局面將被打破。隨著汽車、電子電器等制造業快速發展及產品更新換代周期加快，先進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、超強和微細型零件成形沖壓模具的市場需求將穩定增長。

關鍵詞：高品質 高性能 低成本

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

1 沖壓模具技術概述

冷沖壓模具主要指先進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。

先進多工位與多功能沖壓模具的代表主要有精密多工位級進模、精密多工位沖壓傳遞模、復雜精密多功能沖壓模具等，是汽車、電子電器等制造業的關鍵工藝裝備。這類模具的總體水平與國際先進水平接近，一部分模具已出口到工業發達國家和地區。但是與國外先進沖壓模具水平相比，仍然有差距，如模具壽命較低，模具試模周期長，模具調整和維修時間較長，模具材料、標準件等模具基礎技術水平差距較大，特別是缺乏設計和制造相關基礎理論技術的支撐等。

精沖模具是采用負間隙或零間隙沖裁金屬板材類零件的模具，在精密零件成形領域的應用越來越廣泛。我國在精沖模具方面具備了一定的開發能力，而在復雜精沖模具，特別是精沖復合成形模具的開發方面仍缺乏經驗，水平不高，進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、結構件以及內飾件成形制造等。國內模具企業已經可以設計制造B 級轎車的全套模具，開始向C級轎車的高難度復雜模具進軍。

冷沖壓模具技術的總體發展是“由模具自身的品質提升向沖壓件產品的控形控性方向發展”。即客戶要求從主要考慮模具本身品質向使用模具生產的最終沖壓產品品質控制方向發展，從對沖壓模具品質的單一要求向企業產品的系統解決方案發展。多領域交叉技術的應用以及以模具為核心的系統解決方案將是今后模具技術發展的主要特征。沖壓模具技術的主要方向：特大型高精、超高速沖壓、超薄、超強和微細型零件成形沖壓模具設計、制造關鍵技術；多功能復合模具技術以及該類模具的試模技術、模具可靠性技術等。

未來20年，我國沖壓模具設計制造綜合水平達到當時國際先進水平，差距縮短到5年左右。

2 未來市場需求及產品

隨著汽車、電子電器等制造業快速發展及產品更新換代周期加快，先進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、超強和微細型零件成形沖壓模具的市場需求將穩定增長。

隨著客戶要求從主要考慮模具本身品質向使用模具生產的最終沖壓產品品質控制方向轉移，向用戶企業提供產品沖壓系統解決方案的技術服務方式將得到快速發展。

3 關鍵技術

3.1 沖壓模具產品的信息化和智能化

（1）現狀：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”技術理論研究、模具產品的信息化和智能化等基礎條件。

（2）挑戰：需掌握沖壓件的成形形狀智能控制技術、沖壓件強度、剛度和厚度合理分布的控制技術與模具設計技術、沖壓成形過程及零部件質量的控制技術等。

（3）目標：預計到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、應用與沖壓件的控形控性模具設計實現方法等關鍵技術，達到世界先進水平。

3.2 新型工藝及沖壓模具理論與技術

（1）現狀：新材料和新工藝不斷出現，如硼鋼板熱沖壓技術、管材的內高壓成形技術、鎂合金板的沖壓技術等，而現有的模具成形理論與技術不能完全適應新材料和新工藝對模具的要求，也缺乏綜合工程研發機構。

（2）挑戰：需協調新材料變形特性研究、新成形工藝開發和模具設計制造間的關系。

（3）目標：新材料成形模具的設計制造技術、新成形工藝所需模具的設計制造技術達到國際先進水平。

4 汽車覆蓋件成形數值模擬技術（ CAE分析）

4.1 汽車覆蓋件成形數值模擬技術（CAE分析）的優點

（1）縮短開發周期。如某汽車地板總成的模具開發由44周縮短為20周；（2）降低開發成本；（3）提高產品質量；（4）深化對成形過程的科學認識。

4.2 CAE技術的數值模擬的核心思想——有限元法

起源：有限元法是隨著計算機技術發展而出現的一種基于變分原理來求解偏微分方程的有效數值計算方法。

基本思想：把連續體視為離散單元的集合體。

“化整為零”。將連續體分解為有限個性態比較簡單的“單元”。對這些單元分別進行分析。

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

根據數值解再回到各單元中計算其他物理量（應變、應力、溫度等）。

引入CAE數值仿真的模具開發。

結合板料CAE數值模擬在模具開發中的作用。

4.3 金屬塑性有限元法的實施步驟

（1）用假想的線、面將連續體分成若干具有簡單幾何形狀的“有限單元”。

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

（2）選擇適當的插值函數，以便由每個“有限單元”的節點位移（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）函數對坐標的偏導數可根據節點位移（速度）唯一地確定一個單元中的應變（或應變速率）分布。由單元的應變（或應變速率）以及材料的本構關系，可確定單元的應力分布。

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

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

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

（7）根據邊界節點必須滿足的位移（速度）條件，修改整體剛度方程。

（8）求解整體剛度方程，得到節點位移（速度）。根據求得的節點位移（速度），計算各單元的應變（或應變速率）和應力。

參考文獻

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