沖壓與鈑金制作行業(yè)技術(shù)觀察與思考

文／李鳳華·中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)

本人連續(xù)參加了中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)主辦的2018 年、2019 年全國(guó)沖壓、鈑金制作企業(yè)廠長(zhǎng)會(huì)議和中國(guó)國(guó)際金屬成形展覽會(huì)。通過(guò)參會(huì)和參觀展覽，自己對(duì)沖壓、鈑金制作行業(yè)新技術(shù)、新裝備發(fā)展?fàn)顟B(tài)有了更深的認(rèn)識(shí)和思考，以下是參會(huì)、參觀印象比較深刻的幾個(gè)方面。

伺服技術(shù)逐漸普及應(yīng)用

伴隨汽車整車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，沖壓產(chǎn)品外形越來(lái)越復(fù)雜，沖壓加工工藝多樣化，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，材料輕量化、多樣化；同時(shí)，隨著家電、電子通訊等行業(yè)產(chǎn)品的高端化、定制化，各種鈑金制作件及精密沖裁拉深件的精細(xì)化質(zhì)量要求也越來(lái)越高。先進(jìn)沖壓工藝的應(yīng)用，離不開裝備的技術(shù)進(jìn)步，近年來(lái)，伺服沖壓、鈑金制作設(shè)備順應(yīng)產(chǎn)品和工藝的需求，開始普及應(yīng)用。

20 世紀(jì)90 年代中期，伺服壓力機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，以其優(yōu)越的性能得到了迅速發(fā)展。在我國(guó)，伺服壓力機(jī)的發(fā)展方興未艾，在各大汽車主機(jī)廠已廣泛普及和應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)目前共有大型伺服壓力機(jī)生產(chǎn)線50 條以上，中小型伺服壓力機(jī)的應(yīng)用更不計(jì)其數(shù)。

最初人們還對(duì)伺服壓力機(jī)的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能方面持有懷疑態(tài)度，不能確定伺服壓力機(jī)的性價(jià)比是否合理。經(jīng)過(guò)近二十年伺服壓力機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，伺服壓力機(jī)的優(yōu)勢(shì)不斷被發(fā)現(xiàn)和證明，并根據(jù)產(chǎn)品和工藝的需求不斷完善和開發(fā)新的技術(shù)，而且有了一些實(shí)際數(shù)據(jù)的支撐。伺服壓力機(jī)技術(shù)近年來(lái)一直是持續(xù)的熱門話題。

伺服壓力機(jī)功能與優(yōu)勢(shì)再梳理

⑴產(chǎn)品成形性提高，質(zhì)量提高。

伺服壓力機(jī)兼具機(jī)械式的可靠性和油壓式的靈活性。可根據(jù)不同的產(chǎn)品和工藝需求，輸出不同的運(yùn)動(dòng)曲線，其滑塊行程和速度都可以調(diào)整，滿足不同的工藝和質(zhì)量特性要求，而且可以有效解決材料變化帶來(lái)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，大幅減小回彈量和沖切分離的撕裂帶。

⑵提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

全行程模式下：相同或更低的成形速度下對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行單獨(dú)編程控制，大大縮短了循環(huán)時(shí)間，提高效率。

擺動(dòng)行程模式下：允許對(duì)滑塊行程高度進(jìn)行自由編程。通過(guò)力矩電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊的偏心驅(qū)動(dòng)裝置以擺動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)，這可以顯著提高效率節(jié)省能源。

根據(jù)舒勒公司伺服壓力機(jī)沖壓生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，與普通壓力機(jī)相比，一些中小型級(jí)進(jìn)模及多工位模具生產(chǎn)的零件，采用伺服壓力機(jī)生產(chǎn)效率平均提高70%。

⑶節(jié)省能源。伺服壓力機(jī)配備能源反饋管理系統(tǒng)，可節(jié)省能源20%～30%。

⑷降低噪聲，提高模具壽命。由于更好地控制接觸模具瞬間的速度，能有效減少對(duì)模具的沖擊和振動(dòng)，降低噪聲，提高模具和壓力機(jī)壽命，改善了以往沖壓工廠惡劣的工作環(huán)境。

⑸壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率低，更易于維修保養(yǎng)，如圖1 所示。

⑹壓力機(jī)整體高度降低，結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小，降低了對(duì)沖壓廠房高度的要求和限制，降低了沖壓廠房的投資成本。

⑺普通壓力機(jī)模具安裝和試模時(shí)，使用的“寸動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)”需要較高的操作技能，且控制不準(zhǔn)確，而伺服壓力機(jī)做模具調(diào)整時(shí)可以做到每次0.01mm的微動(dòng)操作，使模具的調(diào)整操作變得簡(jiǎn)單、方便、快捷、準(zhǔn)確。

⑻伺服壓力機(jī)可實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化裝置的有機(jī)結(jié)合，控制更靈活，效率最大化。通過(guò)高動(dòng)態(tài)性能的伺服電機(jī)對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程控制，使其簡(jiǎn)單快速的適應(yīng)模具和自動(dòng)化工藝參數(shù)，使滑塊和自動(dòng)化裝置等各方面得到最優(yōu)化的配合，在保證質(zhì)量的情況下提高效率。有的伺服壓力機(jī)配有“優(yōu)化程序曲線發(fā)生器”，能夠根據(jù)模具和參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化滑塊與自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線。目前大型伺服壓力機(jī)自動(dòng)線的最高節(jié)拍達(dá)到18 次/分鐘。

⑼伺服壓力機(jī)使沖壓生產(chǎn)更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化、智能化。

伺服壓力機(jī)新技術(shù)及應(yīng)用

⑴實(shí)現(xiàn)后續(xù)工藝整合。零部件生產(chǎn)經(jīng)常涉及諸多工序，需要不同的工藝來(lái)完成，逐一執(zhí)行需要增加工裝設(shè)備，浪費(fèi)大量時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。伺服壓力機(jī)可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)行程高度和運(yùn)動(dòng)序列自由編程，實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，也可利用伺服壓力機(jī)將焊接或激光之類的工藝直接可靠地整合到一個(gè)高效的沖壓循環(huán)中，如焊接螺帽、焊接螺栓、螺紋成形、部件焊接、鉚接等。

⑵可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)壓力機(jī)不能做到的板材鍛造。

⑶一種新型的伺服直驅(qū)技術(shù)的沖裁壓力機(jī)：高動(dòng)態(tài)性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與一到兩個(gè)肘桿。不存在機(jī)械連接，無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)磨損傳動(dòng)系統(tǒng)可大大提高工藝可靠性和零件質(zhì)量。

⑷舒勒的雙伺服技術(shù)(圖2)：主要用于1000 噸以上的大臺(tái)面多工位及獨(dú)立壓力機(jī)，其特點(diǎn)是雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置下置，拉著滑塊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步控制。顯著提高壓力機(jī)抗偏載能力，壓力機(jī)撓度減少30%，單工序承載能力更高，保護(hù)模具，提高零件質(zhì)量；為多工位布局提供更大的靈活性；主動(dòng)式滑塊平行控制，壓力機(jī)整體高度更低，封閉性更好，滿足防噪、無(wú)油等環(huán)保要求。

國(guó)內(nèi)伺服壓力機(jī)已經(jīng)有了很大發(fā)展，但是，低速大扭矩伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)核心技術(shù)的研發(fā)還處于起步階段，制約我國(guó)伺服壓力機(jī)的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)在用的50 余條大型伺服壓力機(jī)生產(chǎn)線，國(guó)外品牌壓力機(jī)占90%的份額，僅舒勒公司即占全部大型伺服壓力機(jī)保有量的50%，國(guó)產(chǎn)品牌壓力機(jī)僅占10%，而這些國(guó)產(chǎn)伺服壓力機(jī)的核心伺服電機(jī)及控制系統(tǒng)全部依賴進(jìn)口。這些核心技術(shù)掌握在德國(guó)和日本少數(shù)幾家公司，售價(jià)高昂，國(guó)內(nèi)廠家的技術(shù)開發(fā)滯后、一直沒(méi)有突破歐美日的技術(shù)壁壘，只能依賴進(jìn)口。隨著對(duì)伺服壓力機(jī)需求的增加，我國(guó)亟需研制出大扭矩伺服電機(jī)與控制系統(tǒng)等核心部件。

激光技術(shù)無(wú)所不能

激光技術(shù)“無(wú)所不能”，堪稱萬(wàn)能的“光刀”。激光具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性的特點(diǎn)，激光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車制造、船舶制造、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、電梯制造、廚具家電、電子電氣等各個(gè)行業(yè)。激光技術(shù)可以完成打標(biāo)、切割、焊接、熔覆與淬火、表面熱處理、3D 打印、制孔、清洗等工藝。目前，國(guó)產(chǎn)激光技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展，已經(jīng)打破了國(guó)外高端激光設(shè)備公司壟斷的局面。

切割方面

⑴厚板切割厚度最高達(dá)不銹鋼50mm 以上，碳鋼40mm 以上。

⑵高速切割機(jī)最大定位速度可達(dá)200m/min以上。

⑶大功率切割機(jī)國(guó)內(nèi)可以做到15kW 以上。

⑷超大幅面切割機(jī)，大尺寸零件一次下料成形。寬度可達(dá)5m，長(zhǎng)度可達(dá)8 ～50m。

⑸全自動(dòng)柔性加工生產(chǎn)線(圖3)，由多臺(tái)激光切割機(jī)及自動(dòng)化系統(tǒng)組成，全自動(dòng)上下料及過(guò)程傳輸，整個(gè)加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)信息化、智能化控制，打破國(guó)外壟斷。

⑹全自動(dòng)光纖三維切管機(jī)，實(shí)現(xiàn)各類管件各種斷面和孔的三維切割。

⑺開卷激光切割線，代替開卷落料線，節(jié)省模具投資，更適合多品種、小批量柔性化生產(chǎn)，打破國(guó)外壟斷。

⑻機(jī)器人三維激光切割機(jī)，光纖激光與工業(yè)機(jī)器人高度融合，柔性化加工，一次完成。主要用于汽車覆蓋件的切割，代替等離子切割，代替修邊模和沖孔模，可提高零件質(zhì)量，節(jié)省模具成本。

⑼熱成形件三維五軸激光切割機(jī)-高強(qiáng)度鋼激光切割成形，打破國(guó)外壟斷。

⑽三維五軸激光切割、焊接與3D 打印一體裝備，多種功能，一機(jī)實(shí)現(xiàn)。

焊接方面

⑴激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)兼具激光焊接和電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)，適用于難焊材料和金屬厚板的焊接，適用于碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料的焊接加工。

⑵大族激光智能裝備集團(tuán)先后推出15kW、16kW、20kW 等超高功率激光焊接裝備，可實(shí)現(xiàn)20mm 不銹鋼優(yōu)質(zhì)焊接、單面焊接和雙面焊接。

⑶激光拼焊生產(chǎn)線：實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)、不同厚度、不同強(qiáng)度材料的拼接。

⑷遠(yuǎn)程焊接-無(wú)填料焊接，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些空間狹小區(qū)域的自動(dòng)化焊接。

⑸汽車車身零部件、動(dòng)力總成與傳動(dòng)系統(tǒng)部件的激光自動(dòng)焊接，有效保證汽車關(guān)鍵零部件的焊接質(zhì)量。

熔覆與淬火

⑴激光熔覆：提高耐磨性、硬度、耐蝕性，表面修復(fù)。

⑵激光淬火：齒輪、軸類及模具表面淬火強(qiáng)化及表面熱處理。

3D 激光打印

⑴鋪粉式3D 打印裝備，可打印不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金等材料，成形精度高，尺寸精度可達(dá)20 ～100μm，可成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚小于0.2mm的薄壁零件，醫(yī)學(xué)、汽車、模具行業(yè)應(yīng)用廣泛。

⑵送粉式增減材復(fù)合制造裝備，3D 打印和切削加工自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)增材制造與減材制造的有機(jī)結(jié)合，復(fù)雜曲面3D 打印與五軸加工，一次成形，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、結(jié)構(gòu)件、模具制造等。

激光清潔

采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，可用于工業(yè)模具清洗，銹跡、油漆去除等。清洗迅速快捷，不損傷基材，可達(dá)性好。

目前，國(guó)產(chǎn)激光設(shè)備雖然得到快速發(fā)展，但激光發(fā)生器等核心部件大多需要進(jìn)口，國(guó)內(nèi)激光設(shè)備研發(fā)廠家及相關(guān)科研單位需加大對(duì)激光器等核心部件的研發(fā)力度。

自動(dòng)化、信息化、智能化是用戶需求，也是裝備發(fā)展方向

沖壓行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)鏈中游，在原材料價(jià)格上漲、人工成本上漲、主機(jī)廠壓縮成本、提高質(zhì)量要求的背景下，處于產(chǎn)業(yè)鏈中游的沖壓企業(yè)，特別是中小型沖壓企業(yè)，走專業(yè)化、自動(dòng)化道路是企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境下生存和發(fā)展的方向。自動(dòng)化是企業(yè)降低人工成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑之一，也是實(shí)現(xiàn)信息化、智能化的基礎(chǔ)。無(wú)論是零部件生產(chǎn)企業(yè)還是裝備生產(chǎn)企業(yè)都越來(lái)越重視自動(dòng)化、信息化和智能化的發(fā)展和應(yīng)用。

⑴沖壓件的成形開裂在線監(jiān)測(cè)：利用傳感技術(shù)、光學(xué)照相技術(shù)等監(jiān)測(cè)溫度、潤(rùn)滑條件、零件狀態(tài)等，判斷零件是否開裂，保證沖壓自動(dòng)線高效運(yùn)行，質(zhì)量可靠。

⑵設(shè)備自動(dòng)化、智控技術(shù)：設(shè)備的各種傳感檢測(cè)等，如噸位檢測(cè)指示、裝模高度指示、控制，設(shè)備輔助視覺(jué)系統(tǒng)等；

⑶模具數(shù)字化及智能化技術(shù)：傳感器及信號(hào)處理技術(shù)、算法及工業(yè)專用軟件開發(fā)應(yīng)用，沖壓CAE 精準(zhǔn)仿真技術(shù)研究，車身覆蓋件沖壓模具型面精益設(shè)計(jì)（回彈補(bǔ)償、A 面重構(gòu)、壓力機(jī)及模具變形等問(wèn)題的分析與解決），汽車模具動(dòng)態(tài)調(diào)試數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)建立等。

⑷智能制造信息化云平臺(tái)：設(shè)備的接入、管理，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖形組態(tài)，數(shù)據(jù)展示，數(shù)據(jù)分析，用戶管理等。

⑸壓力機(jī)周邊自動(dòng)化設(shè)備：各種形式的自動(dòng)化上下料機(jī)械手、自動(dòng)開卷送料機(jī)、線邊料庫(kù)、模具庫(kù)、氣動(dòng)落料(廢料）輸送系統(tǒng)等，這些周邊輔助工藝的自動(dòng)化裝置，體現(xiàn)了構(gòu)思巧妙和匠心制作。

CAE 虛擬分析技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用越來(lái)越廣泛

板材成形有限元分析，是現(xiàn)代金屬板材成形產(chǎn)品開發(fā)和工藝開發(fā)不可或缺的手段，CAE 軟件功能越來(lái)越強(qiáng)大，越來(lái)越與實(shí)際接近，充分考慮影響因素，接近實(shí)際，利用大數(shù)據(jù)，提高分析穩(wěn)健性。某些板材模擬分析軟件在原有基礎(chǔ)上又增加了新的功能。

摩擦系統(tǒng)模塊(Tribo Form)：模具材料、粗糙度、成形速度、潤(rùn)滑條件等影響成形的因素和條件都考慮到，使分析結(jié)果更接近實(shí)際，更準(zhǔn)確。

穩(wěn)健性分析：利用CAE軟件進(jìn)行6σ穩(wěn)定性分析，利用大數(shù)據(jù)分析參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)的結(jié)果，預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，提前改進(jìn)優(yōu)化成形條件，確保后續(xù)生產(chǎn)準(zhǔn)備的質(zhì)量和周期，提前得到穩(wěn)健可靠的結(jié)果和方案。

考慮各種軟件之間的接口和轉(zhuǎn)化，使軟件利用起來(lái)更方便、快捷。

遺憾的是，我們所使用的模擬分析軟件大多是進(jìn)口軟件，中國(guó)面臨缺乏自主CAE 軟件的尷尬局面。國(guó)家應(yīng)鼓勵(lì)和扶持有能力的高校、科研機(jī)構(gòu)和企事業(yè)單位研發(fā)有核心自主產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)CAE 軟件，否則我們的板材成形技術(shù)和產(chǎn)業(yè)仍然會(huì)受制于人。

其他技術(shù)發(fā)展及觀點(diǎn)

汽車輕量化技術(shù)及裝備得到快速發(fā)展

為了滿足節(jié)能環(huán)保要求，無(wú)論是針對(duì)燃油車不斷提高的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，還是電動(dòng)車的發(fā)展，汽車輕量化是必由之路。目前汽車輕量化的主要途徑仍是材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)努力方向。材料輕量化方面，高強(qiáng)度板、管材、鋁板、復(fù)合材料的應(yīng)用仍是主要路徑，未來(lái)工藝技術(shù)和裝備的發(fā)展仍將主要圍繞這些新材料、新技術(shù)展開，典型的如高強(qiáng)板熱成形、內(nèi)高壓成形、滾壓成形、鋁合金成形等。目前，熱成形和內(nèi)高壓成形設(shè)備已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外壟斷局面。隨著需求的增加，包括復(fù)合材料在內(nèi)的新材料的研發(fā)、新工藝開發(fā)及相關(guān)裝備技術(shù)將迎來(lái)快速發(fā)展階段。

精沖件需求增加

精沖零件由于其斷面質(zhì)量高、尺寸精度高和互換性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，在汽車、電子等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是在高精度的精沖零件生產(chǎn)上國(guó)內(nèi)精沖企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力還有待提高，精沖工藝、模具、設(shè)備都亟待進(jìn)步和發(fā)展。精沖傳遞模開發(fā)應(yīng)用，板鍛技術(shù)研究應(yīng)用，形狀更復(fù)雜、精度更高的精密沖壓成形技術(shù)等將是精沖領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)方向。

工藝結(jié)合更緊密

沖壓、鈑金制作、精密擠壓成形（體積成形）越來(lái)越相互聯(lián)系、相互滲透，有許多零件采用沖壓和擠壓復(fù)合工藝。同時(shí)，許多產(chǎn)品和企業(yè)也都是沖壓和鈑金制作工藝緊密結(jié)合的。

在工藝和裝備技術(shù)上：江蘇中興西田研制開發(fā)出了具有自主產(chǎn)權(quán)的江蘇省首臺(tái)套沖鍛復(fù)合加工的多工位壓力機(jī)(圖4)，將沖壓與鍛造工藝相結(jié)合，在成形下死點(diǎn)完成材料增厚和體積成形。壓力機(jī)結(jié)構(gòu)保證剛性，采用伺服控制。

農(nóng)機(jī)沖壓產(chǎn)品升級(jí)

我國(guó)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)工業(yè)發(fā)展既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。一方面現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)農(nóng)機(jī)需求大幅增加，加之政府的補(bǔ)貼政策，農(nóng)機(jī)行業(yè)迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇；另一方面，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要的大型、高效、復(fù)雜的農(nóng)業(yè)裝備及核心零部件依然依賴進(jìn)口，國(guó)際資本大舉進(jìn)入我國(guó)農(nóng)機(jī)領(lǐng)域。同時(shí)，人們對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的要求也由過(guò)去注重實(shí)用性轉(zhuǎn)向既注重實(shí)用性又注重視覺(jué)效果和操作的舒適性，對(duì)農(nóng)機(jī)駕駛室覆蓋件的造型和質(zhì)量提出了更高的要求。農(nóng)機(jī)企業(yè)需要產(chǎn)品和工藝并舉，沖壓和鈑金制作工藝相結(jié)合來(lái)滿足新時(shí)代對(duì)農(nóng)機(jī)鈑金制作、沖壓件的需求。

零部件廠和設(shè)備廠聯(lián)合開發(fā)裝備已成一種趨勢(shì)

設(shè)備生產(chǎn)廠與零部件生產(chǎn)廠聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)沖壓工藝和沖壓裝備，已成為雙方共同愿望。根據(jù)產(chǎn)品工藝需求和特點(diǎn)，設(shè)備廠和沖壓生產(chǎn)廠合作，共同研究開發(fā)適合的工藝、模具、設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)等。這就要求設(shè)備企業(yè)擁有工藝開發(fā)的人才和能力，對(duì)設(shè)備企業(yè)的要求會(huì)越來(lái)越高。