金屬沖壓是一種通過(guò)壓力機(jī)和模具對(duì)板、材、管和型材施加外力，以產(chǎn)生塑性變形和分離，從而形成具有所需形狀和尺寸的工件(沖壓件)的方法。汽車(chē)車(chē)身、儀器儀表、家用電器、辦公機(jī)械、生活用具、容器等產(chǎn)品大多采用沖壓成型。

一、縮短金屬成形模具的試模時(shí)間

目前，隨著大型設(shè)備制造技術(shù)的成熟，沖壓設(shè)備主要發(fā)展液壓試驗(yàn)機(jī)和沖壓拉伸機(jī)械壓力機(jī)。特別是，機(jī)械壓力機(jī)上的模具測(cè)試時(shí)間可以減少80%，這具有很大的節(jié)省潛力。這種機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是采用多連桿拉伸壓力機(jī)，該壓力機(jī)配有數(shù)控液壓拉伸墊，并具有參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)記憶功能。

二、制造業(yè)中的級(jí)進(jìn)模發(fā)展迅速

近年來(lái)，級(jí)進(jìn)組合沖裁模在車(chē)身制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。級(jí)進(jìn)模用于將卷材加工為直接加工成成型件和拉伸件。加工零件越來(lái)越大，生產(chǎn)多工位壓力機(jī)和成套模具所需的板材剪切、涂油和板坯運(yùn)輸?shù)群罄m(xù)工序也被省去了。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，模具成本低，無(wú)需切割板材，與多工位壓力機(jī)上使用的階梯模具相比，節(jié)省30%。

1、沖壓技術(shù)發(fā)展的特征

沖壓技術(shù)的真正發(fā)展是汽車(chē)的工業(yè)生產(chǎn)。20世紀(jì)初，美國(guó)福特汽車(chē)的工業(yè)生產(chǎn)極大地促進(jìn)了沖壓技術(shù)的研究和發(fā)展。研究工作主要從板料成形技術(shù)和成形性兩個(gè)方面展開(kāi)。關(guān)鍵問(wèn)題是斷裂、起皺和回彈，涉及成形性預(yù)測(cè)、成形方法的創(chuàng)新以及成形過(guò)程的分析和控制。但是在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，對(duì)沖壓技術(shù)的掌握基本上是經(jīng)驗(yàn)性的。分析工具是經(jīng)典的成形力學(xué)理論，可以解決的問(wèn)題非常有限。成形極限圖(FLD)的提出促進(jìn)了板材性能、成形理論、成形工藝和質(zhì)量控制的協(xié)調(diào)發(fā)展，成為沖壓技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。

回顧上個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，我們可以看到：

(1)沖壓性能的研究與改進(jìn)與沖壓技術(shù)的發(fā)展相得益彰。

(2)隨著汽車(chē)、飛機(jī)等行業(yè)的快速發(fā)展，以及能量因素是沖壓技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)入新世紀(jì)，與環(huán)境因素相關(guān)的法律約束日益突出，汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)和制造成為當(dāng)前的重要課題。

(3)成形過(guò)程數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)沖壓工藝向科學(xué)、先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。

(4)沖壓技術(shù)的發(fā)展涉及材料、能源、模具、設(shè)備等方面?？茖W(xué)分析和控制技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程是技術(shù)發(fā)展的核心;模具技術(shù)是沖壓技術(shù)發(fā)展的體現(xiàn)，是決定產(chǎn)品制造周期、成本和質(zhì)量的重要因素。

沖壓技術(shù)的發(fā)展與材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。預(yù)計(jì)在未來(lái)10—15年，環(huán)境要求和日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)法律將導(dǎo)致汽車(chē)材料和結(jié)構(gòu)的巨大變化。為了減少城市CO2排放量，汽車(chē)正在努力實(shí)現(xiàn)輕量化，其最顯著的發(fā)展方向是提高所用材料的比強(qiáng)度和比剛度以及發(fā)展效率的輕量化結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代車(chē)身結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)度鋼占25%。目前，超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展仍在繼續(xù)。結(jié)合新的“高效結(jié)構(gòu)”和制造技術(shù)的發(fā)展，我們將努力將車(chē)身重量減少20%以上。重點(diǎn)是擴(kuò)大鋁和鎂等低密度合金材料在汽車(chē)中的應(yīng)用。

歐洲和美國(guó)正在研究和開(kāi)發(fā)未來(lái)的鋁制車(chē)身家庭轎車(chē)，可以減輕40—50%的重量，油耗是目前汽車(chē)平均值的三分之一。目前，主要問(wèn)題是開(kāi)發(fā)低成本鋁合金，開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)和高效制造方法，以及改進(jìn)回收技術(shù)。隨著成本問(wèn)題的解決，鋁合金可能成為汽車(chē)的主要結(jié)構(gòu)材料。

自1991年以來(lái)，鎂的產(chǎn)量每五年翻一番。它是一種很有前途的未來(lái)材料。從2003年后鎂的應(yīng)用將顯著增加，包括身體的大型外部零件。

復(fù)合板材在汽車(chē)、飛機(jī)、醫(yī)藥、食品、化工、日用品等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，烘烤硬化板、表面改性板等改性材料。20世紀(jì)80年代，歐美研究了鍍鋅板的沖壓工藝;20世紀(jì)90年代，我們專注于激光拼焊板和各種擠壓管坯的精密成形技術(shù)研究。鋁型材骨架零件的數(shù)量正在增加。

結(jié)構(gòu)一體化是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)將應(yīng)用于飛機(jī)和汽車(chē)。

隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，迫切需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的低成本沖壓成形技術(shù)。當(dāng)前研究重點(diǎn)：鋁合金覆蓋件等車(chē)身零件沖壓技術(shù)。國(guó)外已有工藝模具設(shè)計(jì)的實(shí)用數(shù)據(jù)。

(2)各種厚度激光拼焊板的沖壓技術(shù)。

(3)擠壓管坯內(nèi)高壓成形技術(shù)。

(4)復(fù)合板的成形技術(shù)等。

對(duì)于飛機(jī)工業(yè)而言，鈦合金、鋁鋰合金復(fù)雜形狀零件和鋁合金特殊結(jié)構(gòu)零件的成形技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

直接或間接使用液體作為半模感應(yīng)介質(zhì)的各種液壓成形技術(shù)屬于半模成形和軟模成形。它們具有許多優(yōu)點(diǎn)(已有近60年歷史)，是飛機(jī)鈑金零件的主要制造方法。在過(guò)去的十年中，高壓源的高壓密封問(wèn)題得到解決后，得到了迅速發(fā)展，并在汽車(chē)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。液壓成形包括液壓橡膠袋成形、充液拉深成形和內(nèi)高壓脹管成形。新興的內(nèi)部高壓成形技術(shù)已應(yīng)用并工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)支架、排氣管、凸輪軸框架零件等，并取得了良好的效率和效益。預(yù)計(jì)液壓成形、拼焊板沖壓和激光焊接裝配將成為未來(lái)汽車(chē)輕量化的三大關(guān)鍵技術(shù)。

粘性介質(zhì)壓力成形、磁脈沖成形和各種無(wú)模成形技術(shù)的研究取得了很大進(jìn)展，顯示出越來(lái)越多的工藝靈活性。

3、數(shù)字成形技術(shù)的發(fā)展

先進(jìn)成形技術(shù)是在傳統(tǒng)成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)為支柱，綜合利用信息、電子、材料、能源和環(huán)境工程等多種高新技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的沖壓成形技術(shù)，有利于最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的綜合優(yōu)化。它是一種能在更大程度上實(shí)現(xiàn)“精、省、凈”目標(biāo)，并獲得較高綜合效益的成形技術(shù)。

發(fā)展先進(jìn)成形技術(shù)的關(guān)鍵在于：

大力發(fā)展沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)分析仿真技術(shù)(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(jì)算機(jī)輔助過(guò)程分析仿真(CAE)是20世紀(jì)后期對(duì)于金屬成形最具重大意義的技術(shù)進(jìn)步之一，其核心是有限元分析技術(shù)。

以有限元法為基礎(chǔ)的沖壓成形過(guò)程中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或數(shù)值模擬技術(shù)，以沖壓模具設(shè)計(jì)、沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)的新途徑，將是解決復(fù)雜沖壓過(guò)程設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的最有效手段。國(guó)外大型企業(yè)的應(yīng)用步伐非常迅速，而汽車(chē)工業(yè)走在前列，現(xiàn)已逐漸成熟，用于模具設(shè)計(jì)和試模的時(shí)間減少50%以上。美國(guó)GM居世界領(lǐng)先地位。

數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可概括如下：

進(jìn)一步提高模擬計(jì)算的精度和速度。重點(diǎn)突破回彈精確預(yù)測(cè);發(fā)展快速有限元模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“當(dāng)天工程”、甚至“2小時(shí)工程”;同時(shí)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，解決復(fù)雜變形路徑等基礎(chǔ)性問(wèn)題。

(2)降低軟件對(duì)人員專業(yè)素質(zhì)的要求。目前市場(chǎng)軟件功能強(qiáng)大，主要面向分析師，買(mǎi)了先進(jìn)軟件系統(tǒng)，不一定能獲得好的模擬結(jié)果。面向中小企業(yè)，推廣更加困難。

(3)降低軟件對(duì)硬件平臺(tái)的要求。目前，幾乎著名的沖壓模擬軟件都已完成向微機(jī)版的轉(zhuǎn)化。

(4)加強(qiáng)初始化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的研究。初始化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)(初始方案)，作為計(jì)算分析的起點(diǎn)和修改的基礎(chǔ)，至今仍需要靠有經(jīng)驗(yàn)的人員完成。迫切需要發(fā)展知識(shí)庫(kù)工程(KBE)，將專家系統(tǒng)(ES)、人工智能技術(shù)(AI)與有限元模擬軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化初始工作，減少對(duì)工藝專家的依賴。

(5)加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗(yàn)。材料性能本構(gòu)關(guān)系、摩擦狀態(tài)、缺陷判據(jù)等數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)，其真實(shí)性、準(zhǔn)確性是限制模擬分析達(dá)到可靠精度的重要因素。

(6)進(jìn)一步向產(chǎn)品沖壓制造系統(tǒng)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)制造全過(guò)程、全生命期的綜合優(yōu)化。目前，成形過(guò)程分析，仍重在解決成“形”問(wèn)題。未來(lái)，將同時(shí)向改“性”發(fā)展，實(shí)現(xiàn)變形方式、成形過(guò)程及成形后性能的綜合優(yōu)化。

(7)普及CAE技術(shù)勢(shì)在必行。CAD技術(shù)經(jīng)過(guò)5-10年的大力普及，基本解決了手工繪圖問(wèn)題。未來(lái)5-10年，CAE技術(shù)的普及將勢(shì)在必行。

中小機(jī)械制造企業(yè)70多萬(wàn)家，沖壓、模具企業(yè)為數(shù)甚大，以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)的任務(wù)十分艱巨，結(jié)合產(chǎn)業(yè)調(diào)整，統(tǒng)籌規(guī)劃，需要提上日程。

4、沖壓成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入90年代以來(lái)，高新技術(shù)全面促進(jìn)了傳統(tǒng)成形技術(shù)的改造及先進(jìn)成形技術(shù)的形成和發(fā)展。21世紀(jì)的沖壓技術(shù)將以更快的速度持續(xù)發(fā)展，發(fā)展的方向?qū)⒏油怀觥熬?、省、凈”的需求?/p>

(2)沖壓成形技術(shù)將更加科學(xué)化、數(shù)字化、可控化?？茖W(xué)化主要體現(xiàn)在對(duì)成形過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量、成本、效益的預(yù)測(cè)和可控程度。成形過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)將在實(shí)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(shù)、智能化控制將從簡(jiǎn)單形狀零件成形發(fā)展到覆蓋件等復(fù)雜形狀零件成形，從而真正進(jìn)入實(shí)用階段。

(3)注重產(chǎn)品制造全過(guò)程，最大程度地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)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(chǎn)品制造全過(guò)程及全生命期的系統(tǒng)整體發(fā)展。

(4)對(duì)產(chǎn)品可制造性和成形工藝的快速分析與評(píng)估能力將有大的發(fā)展。以便從產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)甚至構(gòu)思時(shí)起，就能針對(duì)零件的可成形性及所需性能的保證度，作出快速分析評(píng)估。

(5)沖壓技術(shù)將具有更大的靈活性或柔性，以適應(yīng)未來(lái)小指量多品種混流生產(chǎn)模式及市場(chǎng)多樣化、個(gè)性化需求的發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化的快速響應(yīng)能力。

(6)重視復(fù)合化成形技術(shù)的發(fā)展。以復(fù)合工藝為基礎(chǔ)的先進(jìn)成形技術(shù)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(gè)零件向直接制造結(jié)構(gòu)整體的方向發(fā)展。