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金属冲压成形加工的发展趋势是什么?

时间:2022-08-26 作者:百富都

金属冲压是一种通过压力机和模具对板、材、管和型材施加外力,以产生塑性变形和分离,从而形成具有所需形状和尺寸的工件(冲压件)的方法。汽车车身、仪器仪表、家用电器、办公机械、生活用具、容器等产品大多采用冲压成型。

一、缩短金属成形模具的试模时间

目前,随着大型设备制造技术的成熟,冲压设备主要发展液压试验机和冲压拉伸机械压力机。特别是,机械压力机上的模具测试时间可以减少80%,这具有很大的节省潜力。这种机械压力机的发展趋势是采用多连杆拉伸压力机,该压力机配有数控液压拉伸垫,并具有参数设置和状态记忆功能。

二、制造业中的级进模发展迅速

近年来,级进组合冲裁模在车身制造中的应用越来越广泛。级进模用于将卷材加工为直接加工成成型件和拉伸件。加工零件越来越大,生产多工位压力机和成套模具所需的板材剪切、涂油和板坯运输等后续工序也被省去了。其优点是生产率高,模具成本低,无需切割板材,与多工位压力机上使用的阶梯模具相比,节省30%。

金属冲压成形加工的发展趋势是什么?

1、冲压技术发展的特征

冲压技术的真正发展是汽车的工业生产。20世纪初,美国福特汽车的工业生产极大地促进了冲压技术的研究和发展。研究工作主要从板料成形技术和成形性两个方面展开。关键问题是断裂、起皱和回弹,涉及成形性预测、成形方法的创新以及成形过程的分析和控制。但是在20世纪的大部分时间里,对冲压技术的掌握基本上是经验性的。分析工具是经典的成形力学理论,可以解决的问题非常有限。成形极限图(FLD)的提出促进了板材性能、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。

回顾上个世纪的发展历程,我们可以看到:

(1)冲压性能的研究与改进与冲压技术的发展相得益彰。

(2)随着汽车、飞机等行业的快速发展,以及能量因素是冲压技术发展的主要驱动力。进入新世纪,与环境因素相关的法律约束日益突出,汽车的轻量化设计和制造成为当前的重要课题。

(3)成形过程数字仿真技术的发展促进了传统冲压工艺向科学、先进制造技术的发展。

(4)冲压技术的发展涉及材料、能源、模具、设备等方面。科学分析和控制技术创新过程是技术发展的核心;模具技术是冲压技术发展的体现,是决定产品制造周期、成本和质量的重要因素。

冲压技术的发展与材料和结构密切相关。预计在未来10—15年,环境要求和日益严格的环境保护法律将导致汽车材料和结构的巨大变化。为了减少城市CO2排放量,汽车正在努力实现轻量化,其最显著的发展方向是提高所用材料的比强度和比刚度以及发展效率的轻量化结构。在现代车身结构中,高强度钢占25%。目前,超高强度钢的发展仍在继续。结合新的“高效结构”和制造技术的发展,我们将努力将车身重量减少20%以上。重点是扩大铝和镁等低密度合金材料在汽车中的应用。

欧洲和美国正在研究和开发未来的铝制车身家庭轿车,可以减轻40—50%的重量,油耗是目前汽车平均值的三分之一。目前,主要问题是开发低成本铝合金,开发新结构和高效制造方法,以及改进回收技术。随着成本问题的解决,铝合金可能成为汽车的主要结构材料。

自1991年以来,镁的产量每五年翻一番。它是一种很有前途的未来材料。从2003年后镁的应用将显著增加,包括身体的大型外部零件。

复合板材在汽车、飞机、医药、食品、化工、日用品等领域具有广阔的应用前景。

另外,烘烤硬化板、表面改性板等改性材料。20世纪80年代,欧美研究了镀锌板的冲压工艺;20世纪90年代,我们专注于激光拼焊板和各种挤压管坯的精密成形技术研究。铝型材骨架零件的数量正在增加。

结构一体化是一个重要的发展趋势,未来将应用于飞机和汽车。

随着新材料和新结构的广泛应用,迫切需要开发相应的低成本冲压成形技术。当前研究重点:铝合金覆盖件等车身零件冲压技术。国外已有工艺模具设计的实用数据。

(2)各种厚度激光拼焊板的冲压技术。

(3)挤压管坯内高压成形技术。

(4)复合板的成形技术等。

对于飞机工业而言,钛合金、铝锂合金复杂形状零件和铝合金特殊结构零件的成形技术是当前研究的重点。

直接或间接使用液体作为半模感应介质的各种液压成形技术属于半模成形和软模成形。它们具有许多优点(已有近60年历史),是飞机钣金零件的主要制造方法。在过去的十年中,高压源的高压密封问题得到解决后,得到了迅速发展,并在汽车行业中得到了广泛应用。液压成形包括液压橡胶袋成形、充液拉深成形和内高压胀管成形。新兴的内部高压成形技术已应用并工业化生产发动机支架、排气管、凸轮轴框架零件等,并取得了良好的效率和效益。预计液压成形、拼焊板冲压和激光焊接装配将成为未来汽车轻量化的三大关键技术。

粘性介质压力成形、磁脉冲成形和各种无模成形技术的研究取得了很大进展,显示出越来越多的工艺灵活性。

3、数字成形技术的发展

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、能源和环境工程等多种高新技术和现代管理技术的冲压成形技术,有利于最终实现整个产品生命周期的综合优化。它是一种能在更大程度上实现“精、省、净”目标,并获得较高综合效益的成形技术。

发展先进成形技术的关键在于:

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,以冲压模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径,将是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。国外大型企业的应用步伐非常迅速,而汽车工业走在前列,现已逐渐成熟,用于模具设计和试模的时间减少50%以上。美国GM居世界领先地位。

数值模拟技术的发展趋势可概括如下:

进一步提高模拟计算的精度和速度。重点突破回弹精确预测;发展快速有限元模拟技术,实现“当天工程”、甚至“2小时工程”;同时加强基础研究,解决复杂变形路径等基础性问题。

(2)降低软件对人员专业素质的要求。目前市场软件功能强大,主要面向分析师,买了先进软件系统,不一定能获得好的模拟结果。面向中小企业,推广更加困难。

(3)降低软件对硬件平台的要求。目前,几乎著名的冲压模拟软件都已完成向微机版的转化。

(4)加强初始化设计环节的研究。初始化设计环节(初始方案),作为计算分析的起点和修改的基础,至今仍需要靠有经验的人员完成。迫切需要发展知识库工程(KBE),将专家系统(ES)、人工智能技术(AI)与有限元模拟软件相结合,实现智能化初始工作,减少对工艺专家的依赖。

(5)加强基础试验。材料性能本构关系、摩擦状态、缺陷判据等数据来自试验,其真实性、准确性是限制模拟分析达到可靠精度的重要因素。

(6)进一步向产品冲压制造系统扩展,实现制造全过程、全生命期的综合优化。目前,成形过程分析,仍重在解决成“形”问题。未来,将同时向改“性”发展,实现变形方式、成形过程及成形后性能的综合优化。

(7)普及CAE技术势在必行。CAD技术经过5-10年的大力普及,基本解决了手工绘图问题。未来5-10年,CAE技术的普及将势在必行。

中小机械制造企业70多万家,冲压、模具企业为数甚大,以高新技术改造传统技术的任务十分艰巨,结合产业调整,统筹规划,需要提上日程。

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。21世纪的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。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

(6)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。

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