第壹,縮短金屬成型模具的試模時間
目前,由於大型設備制造技術日益成熟,未來沖壓設備將主要發展液壓高速試壓機和沖壓拉伸機械壓力機,特別是在機械壓力機上試模時間可減少80%,具有很大的節約潛力。這類機械壓力機的發展趨勢是采用多連桿拉伸壓力機,配備數控液壓拉伸墊,具有參數設定和狀態記憶功能。
第二,制造業中的級進模發展迅速。
近年來,級進模組合沖裁模在汽車車身制造中得到了廣泛的應用,卷材通過級進模直接加工成成型件和拉伸件。加工的零件越來越大,省去了多工位壓力機和成套模具生產所必須的剪板、塗油、板坯輸送等後續工序。其優點是生產率高,模具成本低,不需要剪切板材,比多工位壓力機使用的階梯模節省30%。
1、沖壓技術發展的特點
沖壓技術的真正發展始於汽車的工業化生產。20世紀初,美國福特汽車的工業化生產,極大地推動了沖壓技術的研發。研究工作基本上是在板料成形技術和成形性兩方面同時進行的。關鍵問題是破裂、起皺和回彈,涉及到成形性預測、成形方法創新和成形過程分析與控制。但在20世紀的大部分時間裏,對沖壓技術的掌握基本上是憑經驗的。解析工具是成形力學的經典理論,能解決的問題非常有限。目前的研究主要集中在板料的沖壓性能和成形力學方面,遠遠不能滿足汽車工業的需要。20世紀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。特別是FLD的提出,促進了板材性能、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裏程碑。
由於20世紀80年代有限元方法和CAD技術的早期發展,90年代以數值模擬為核心的計算機應用技術迅速發展並在沖壓領域實用化,成為材料變形行為研究和工藝設計的有力工具。汽車沖壓技術真正進入了分析階段,傳統的板料成形技術開始從經驗走向科學。
縱觀上個世紀的發展,我們可以看到:
(1)沖壓性能的研究和提高是對沖壓技術發展的補充。
(2)汽車、飛機等行業的快速發展,以及能源因素是沖壓技術發展的主要動力。進入新世紀,環境因素和相關法律約束日益突出,汽車的輕量化設計和制造成為當前的重要課題。
(3)成形過程數字仿真技術的發展促進了傳統沖壓技術的科學化,進入先進制造技術的行列。
(4)沖壓技術的發展涉及材料、能源、模具、設備等多個方面。技術方法的創新及其過程的科學分析和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、成本和質量的重要因素。
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。據預測,在未來10-15年,環保要求和日益嚴格的環保法規將推動汽車材料和結構發生巨大變化。為了減少城市中的CO2排放,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,開發高效的輕量化結構。在現代汽車車身結構中,高強度鋼約占25%。目前,在繼續開發超高強度鋼的同時,結合新型“高效結構”和制造技術的發展,力爭車身重量減輕20%以上。但更有意思的方向是拓展鋁、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的鋁車身家用車,可以減輕40-50%的重量,油耗僅為目前汽車平均油耗的三分之壹。目前的主要問題是開發低成本的鋁合金,開發新的結構和高效的制造方法,提高回收技術。壹旦成本問題解決,鋁合金可能成為汽車的主要結構材料。
自1991年以來,鎂的產量每五年增加1倍,是壹種很有前途的未來材料。預計2003年以後,鎂的應用將明顯增加,包括汽車車身的大型外部零件。
復合材料在汽車、飛機、醫藥、食品、化工、日用品等方面也有廣闊的應用前景。
此外,還烘烤硬化板和表面改性板等改性材料。80年代歐美研究鍍鋅板沖壓技術。90年代主要研究激光拼焊板的沖壓和各種擠壓管坯型材的精密成形技術。鋁型材骨架零件的數量也在增加。
結構壹體化是壹個重要的發展趨勢,不僅是飛機,未來汽車也是如此。
隨著新材料、新結構的推廣應用,迫切需要發展相應的低成本沖壓成形技術。當前研究重點:
鋁合金板等汽車車身零件的沖壓技術。國外已有實用工藝和模具設計數據。
(2)不同厚度激光拼焊板的沖壓技術。
(3)擠壓管坯的內高壓成形技術。
(4)復合板成型技術。
對於航空工業來說,鈦合金、鋁鋰合金復雜形狀零件和鋁合金特殊結構零件的成形技術是當前的研究熱點。
各種直接或間接利用液體作為半模或感應介質的液壓成形技術都屬於半模成形或軟模成形,具有很多優點(近60年的歷史),是飛機鈑金零件的主要制造方法。近十年來在解決了高壓源和高壓密封問題後,發展迅速,並在汽車工業中獲得了重要應用。液壓成形包括液壓橡膠囊成形、充液拉深成形和內高壓脹管成形。液壓橡膠成形已經從航空工業的傳統應用擴展到汽車復雜內外板的成形。在100-140Mpa的壓力下,成形質量非常好,適合試制和小批量生產。新興的內高壓成形技術已經實用化、產業化,發動機支架、排氣管、凸輪軸、車架零件的生產取得了良好的效率和效益。預計液壓成形、拼焊板沖壓和激光焊接裝配將是未來汽車輕量化的三大關鍵技術。
此外,粘性介質壓力成形、磁脈沖成形以及各種無模成形技術的研究也取得了很大進展,表現出越來越多的工藝柔性。
3.數字成形技術的發展
先進成形技術是以傳統成形技術為基礎,以計算機為支柱,綜合利用信息、電子、材料、能源、環境工程等高新技術和現代管理技術的沖壓成形技術,有利於最終實現產品生命周期的全面優化。是壹種能更大程度實現“精密、經濟、清潔”目標,獲得較高綜合效益的成形技術。
發展先進成形技術的關鍵在於:
大力發展沖壓過程的計算機分析與仿真技術(CAE)。
(2)並行工程和並行工作模式逐漸取代了傳統的串行順序工作模式。
計算機輔助過程分析與模擬(CAE)是20世紀後期金屬成形領域最重大的技術進步之壹,其核心是有限元分析技術。
基於有限元方法的計算機模擬技術或數值模擬技術為沖壓模具設計、沖壓工藝設計和工藝參數優化提供了新的科學途徑,將是解決復雜沖壓工藝設計和模具設計的最有效手段。國外大企業申請非常迅速,汽車行業走在前列,已經逐漸成熟,模具設計和試模時間減少了50%以上。美國通用汽車在世界上處於領先地位。
數值模擬技術的發展趨勢可以概括如下:
進壹步提高模擬計算的精度和速度。重點突破回彈的精確預測;開發快速有限元仿真技術,實現“壹天工程”甚至“兩小時工程”;同時,加強基礎研究,解決復雜變形路徑等基礎問題。
(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,主要是針對分析師。如果妳買了壹個先進的軟件系統,妳可能得不到很好的模擬結果。對於中小企業來說,推廣難度更大。
(3)降低軟件對硬件平臺的要求。目前,幾乎所有著名的沖壓仿真軟件都已轉換成微機版本。
(4)加強初始化設計的研究。初始設計環節(初始方案),作為計算分析的起點和修改的依據,仍然需要有經驗的人員來完成。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,實現智能化的初始工作,減少對工藝專家的依賴。
(5)加強基礎測試。材料性能本構關系、摩擦狀態和缺陷判據的數據來自實驗,其真實性和準確性是限制仿真分析可靠性的重要因素。
(6)進壹步拓展到產品沖壓制造系統,實現整個制造過程和生命周期的全面優化。目前對成形過程的分析仍然側重於解決“形”的問題。未來還將向改變“性質”發展,實現變形方式、成形工藝和成形後性能的全面優化。
(7)普及CAE技術勢在必行。經過5-10年的大力普及,CAD技術已經基本解決了手工繪圖的問題。未來5-10年,CAE技術的普及將勢在必行。
中小型機械制造企業70多萬家,沖壓模具企業數量眾多。用高新技術改造傳統技術的任務十分艱巨,需要結合產業調整和統籌規劃提上日程。
4.沖壓技術的發展趨勢。
20世紀90年代以來,高新技術推動了傳統成形技術的變革和先進成形技術的形成與發展。21世紀沖壓技術將繼續以更快的速度發展,發展方向將突出“精密、經濟、清潔”的需求。
(2)沖壓技術將更加科學化、數字化和可控化。科學化主要體現在成型工藝、產品質量、成本和效益的預測和可控性。成形過程的數值模擬技術將在實用化方面取得很大進展,並與數字化制造系統很好地結合。人工智能技術和智能控制將從簡單形狀零件的成形發展到覆蓋件等復雜形狀零件的成形,從而真正進入實用階段。
(3)關註產品制造全過程,最大程度實現多目標全局綜合優化。優化將從傳統的單壹成型環節發展到產品制造的全過程和全生命周期。
(4)產品可制造性和成形工藝的快速分析和評價能力將得到很大發展。從而從產品的最初設計甚至構思開始,就可以快速分析和評估零件的成形性和所需性能的保證程度。
(5)沖壓工藝將更加靈活,以適應未來小指多品種混流生產方式和市場多樣化、個性化需求的發展趨勢,加強企業對市場變化的快速反應能力。
(6)重視復合材料成型技術的發展。基於復合材料技術的先進成形技術不僅從制造毛坯發展到直接制造零件,而且從制造單個零件發展到直接制造整體結構。