精沖技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

文／楊澤亞，杜貴江，李佳盈，彭群·北京機(jī)電研究所有限公司

精密沖裁技術(shù)(簡(jiǎn)稱精沖)是一種基于普通沖裁技術(shù)發(fā)展而來的塑性加工技術(shù)，采用齒圈壓邊，引入壓邊力和反壓力，抑制沖裁過程中原材料的撕裂，使材料在分離前基本保持塑性變形，從而得到表面粗糙度低、尺寸精度高、斷面質(zhì)量好的精沖件。精沖技術(shù)具有加工效率高、加工周期短、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、航空工業(yè)、軍工機(jī)械、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

本文主要針對(duì)精沖技術(shù)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，對(duì)精密沖裁技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納整理，并對(duì)精沖技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與展望。

精沖技術(shù)研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)20 年代德國(guó)人Fritz Schiess-Forrer 通過試驗(yàn)研究發(fā)明了精沖方法并獲得精沖技術(shù)專利，經(jīng)過不斷改進(jìn)工藝方法和模具制造技術(shù)，于上世紀(jì)50 年代在歐洲進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。到目前為止全世界精沖機(jī)已經(jīng)突破4500 臺(tái)，零件種類接近10000 種。

進(jìn)入新世紀(jì)之后，隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，零件的技術(shù)要求越來越高。為了滿足精沖自動(dòng)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)要求，生產(chǎn)出高精度、大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，相關(guān)學(xué)者對(duì)精沖機(jī)理、精沖工藝、精沖設(shè)備、模具等方面進(jìn)行了全方面的研究。

精沖機(jī)理研究現(xiàn)狀

區(qū)別于普通沖壓過程，在精沖過程中材料的橫向流動(dòng)被齒圈壓板抑制，變形區(qū)受到三向壓應(yīng)力，這使得在精沖接近完成時(shí)工件和原材料仍然保持為一個(gè)整體。因此，精沖過程中材料變形過程為塑性變形，在分離前基本不產(chǎn)生撕裂。

目前，精沖機(jī)理的研究方法主要是有限元分析和試驗(yàn)手段。研究對(duì)象主要針對(duì)精沖過程中的材料流動(dòng)變化和加工效果，分析壓邊力、反壓力、凸凹模間隙等加工參數(shù)對(duì)不同材料和精沖件質(zhì)量的影響。有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，為更加深入理解精沖機(jī)理提供了條件。通過有限元方法，能夠得到材料及模具中剪切應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布，便于建立精沖力、模具和零件的關(guān)系。結(jié)合試驗(yàn)，可以對(duì)精沖過程進(jìn)行分析，設(shè)定不同的邊界條件，分析不同情況下的材料流動(dòng)以及應(yīng)力應(yīng)變分布。

研究發(fā)現(xiàn)，增大壓邊力和反頂力能夠有效提高零件表面質(zhì)量。改變凸、凹模間隙和圓角半徑主要影響零件剪切面質(zhì)量。結(jié)合有限元方法，對(duì)V 形齒圈的角度、高度和位置與工件厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，精沖過程中變形區(qū)能夠產(chǎn)生渦旋流動(dòng)時(shí)精沖件質(zhì)量較好。

目前對(duì)于薄板材料的精沖機(jī)理理論已經(jīng)趨近成熟，但是對(duì)于一些齒面、厚板等特殊零件結(jié)構(gòu)，仍舊需要進(jìn)行相關(guān)研究。

精沖工藝方法研究現(xiàn)狀

精沖工藝方法的提出主要是因?yàn)樾碌漠a(chǎn)品要求。面對(duì)高要求的零件，舊的精沖工藝不能滿足產(chǎn)品要求，因此需要開發(fā)針對(duì)性的工藝方法。

閉擠式精沖工藝，利用前期擠壓使材料徑向流動(dòng)，在沖裁過程前使廢料區(qū)受到擠壓變形從而封閉在模具型腔之內(nèi)。封閉過程會(huì)使廢料區(qū)預(yù)先產(chǎn)生塑性衰竭，導(dǎo)致精沖過程中基本不再產(chǎn)生徑向變形，使變形區(qū)處于極大的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，提高材料塑性。閉擠式精沖工藝生產(chǎn)的精沖件沒有毛刺，能夠省去去毛刺的工序。閉擠式精沖工藝的開發(fā)降低了齒輪和鏈輪精沖的難度，并解決了厚板及低塑性材料在精沖過程中材料流動(dòng)不足的問題。

精沖技術(shù)生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低，但是難以完成一些復(fù)雜零件的加工，為了解決這一問題，開展了精沖工藝與其他工藝復(fù)合的研究。精沖擠壓復(fù)合成形工藝在理想的邊界條件下，精沖變形與擠壓變形相互獨(dú)立，不存在相互作用，能夠很好的完成凸臺(tái)、沉孔等加工任務(wù)。

精沖設(shè)備及模具研究現(xiàn)狀

精沖設(shè)備是決定精沖能力的重要因素之一，自1956年瑞士Schmid公司制造了第一臺(tái)精沖機(jī)之后，精沖設(shè)備不斷發(fā)展進(jìn)步。我國(guó)精沖機(jī)通過進(jìn)口和自主研發(fā)相結(jié)合，在普通沖壓機(jī)上加裝液壓模架進(jìn)行改造等方式進(jìn)行開發(fā)研制。通過不斷改進(jìn)，在自動(dòng)化、大型化上取得了很大進(jìn)展。

精沖模具是精沖生產(chǎn)中最重要的部分之一，近幾年來針對(duì)精沖模具的失效分析和壽命預(yù)測(cè)做了很多研究。圖1 所示為一種典型的精沖模具。

精沖模具的研究方向主要分為三類：一是減少磨損、提高模具壽命，精沖模具工作環(huán)境惡劣，不可避免的受到磨損，為了延長(zhǎng)模具使用周期，開展了一系列相關(guān)研究，主要利用有限元模擬等手段，改進(jìn)模具參數(shù)，減少加工過程中的模具損耗。二是提高模具的智能化，通過檢測(cè)模具使用過程中的各種參數(shù)以及模具工作區(qū)的殘留情況，提高模具的耐用性，避免模具意外損壞。三是模具設(shè)計(jì)制造，針對(duì)新的加工工藝，設(shè)計(jì)面向該工藝的精沖模具，再根據(jù)有限元仿真模擬和加工實(shí)際效果對(duì)模具進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

精沖件產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)現(xiàn)狀

自1965 年精沖技術(shù)被引進(jìn)中國(guó)以來，我國(guó)精沖產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前國(guó)內(nèi)已有精沖企業(yè)70 余家。在材料方面，國(guó)內(nèi)用于精沖的板料主要采用熱軋?jiān)?冷軋、球化退火，能夠生產(chǎn)精沖用鋼的企業(yè)眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈，但鋼材質(zhì)量上參差不齊。

隨著人力成本增加，精沖生產(chǎn)線的自動(dòng)化成為精沖行業(yè)發(fā)展的方向之一。精沖自動(dòng)化生產(chǎn)線包括自動(dòng)送料、送料位置檢測(cè)、零件檢測(cè)、物料管理、模具狀態(tài)檢測(cè)等部分。目前，自動(dòng)送料機(jī)的研究和應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，很多國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)能夠獨(dú)立制造針對(duì)卷料的自動(dòng)送料機(jī)。圖2 所示為北京機(jī)電研究所有限公司研制的全自動(dòng)精沖機(jī)。

對(duì)于大批量生產(chǎn)的精沖零件來說，保證零件合格率十分重要，為了降低大批量精沖零件的檢測(cè)難度，開展了很多精沖零件尺寸形狀視覺檢測(cè)的研究?；诰珱_件的特征識(shí)別與視覺檢測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)了一系列用于檢測(cè)零件缺陷的視覺檢測(cè)設(shè)備，并根據(jù)精沖件的毛刺和缺陷特征，表面破損、劃痕、壓痕的圖像特征，開發(fā)了相應(yīng)的圖像缺陷識(shí)別、分割與判別方法。

精沖技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)齒圈壓板精沖技術(shù)研究已經(jīng)比較成熟，但為了應(yīng)對(duì)更高的產(chǎn)品質(zhì)量要求，進(jìn)行了很多新工藝研發(fā)，新工藝和新技術(shù)的研究帶來了相應(yīng)的理論研究需求和設(shè)備需求。

從精沖件產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際來看，精沖技術(shù)未來主要有以下幾個(gè)研究方向：

⑴智能化精沖生產(chǎn)。人力成本的增加使得精沖產(chǎn)業(yè)中對(duì)智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)，以及自動(dòng)化排產(chǎn)的需求更加迫切。

⑵創(chuàng)新精沖技術(shù)方法。隨著產(chǎn)品要求的提高，高質(zhì)量、大尺寸、高精度的復(fù)雜零件，對(duì)精沖方法和精沖技術(shù)提出了更高的要求。

⑶實(shí)用的有限元模擬技術(shù)。有限元仿真技術(shù)給精沖技術(shù)研究帶來了很大便利，但對(duì)于零件生產(chǎn)而言，精沖件后續(xù)的熱處理、表面涂層工藝會(huì)嚴(yán)重影響零件尺寸，對(duì)零件從精沖到后續(xù)加工完整流程的仿真過程仍舊需要開展進(jìn)一步的研究。

智能化精沖生產(chǎn)

精沖生產(chǎn)的自動(dòng)化已經(jīng)初見成果，瑞士Feintool公司生產(chǎn)的自動(dòng)化精沖設(shè)備已經(jīng)能夠完成從上料、精沖到下料的生產(chǎn)過程，我國(guó)也自主研制了自動(dòng)化精沖生產(chǎn)線并投入實(shí)際生產(chǎn)。但是根據(jù)精沖加工的生產(chǎn)流程，精沖生產(chǎn)線的自動(dòng)化還需要考慮到生產(chǎn)排產(chǎn)的智能化，在設(shè)定生產(chǎn)計(jì)劃之后，應(yīng)當(dāng)能夠自動(dòng)對(duì)原材料進(jìn)行出庫管理，以便于精沖加工。在實(shí)際生產(chǎn)中，精沖件排產(chǎn)、去毛刺、檢驗(yàn)等工序目前仍依賴人工操作。

對(duì)于去毛刺等工序的自動(dòng)化研究進(jìn)展緩慢，大型精沖零件可以采用數(shù)控機(jī)床沿零件邊緣去除毛刺，但面對(duì)小型大批量零件，尚未出現(xiàn)較好的可以替代人工的去毛刺加工方法。

因此，精沖智能化生產(chǎn)主要發(fā)展方向是對(duì)精沖生產(chǎn)線的整合以及個(gè)別工序的自動(dòng)化研究，通過提高每個(gè)工序的自動(dòng)化水平，完成智能化精沖制造要求。

創(chuàng)新精沖技術(shù)方法

自精沖技術(shù)出現(xiàn)以來，為了滿足不同的制造需求，發(fā)明了很多實(shí)用的創(chuàng)新型精沖技術(shù)。傳統(tǒng)精沖加工方法只能加工薄板類簡(jiǎn)單零件。為了解決厚板的精沖問題，先后出現(xiàn)了對(duì)向凹模精沖，往復(fù)成形精沖、擠壓精沖等加工方式；為了避免壓邊圈對(duì)零件造成影響，研發(fā)了平面強(qiáng)力壓板精沖技術(shù)；為了能夠減小精沖零件的毛刺高度，形成光潔的沖裁面，開發(fā)了負(fù)間隙精沖方法。

隨著制造業(yè)的發(fā)展以及制造要求的復(fù)雜化，對(duì)精沖生產(chǎn)的要求也越來越高。為了加工一些結(jié)構(gòu)特殊的零件，以及滿足更多的生產(chǎn)需求，創(chuàng)新的精沖方法是未來應(yīng)當(dāng)繼續(xù)研究的方向之一。

實(shí)用的有限元模擬技術(shù)

由于精沖模具價(jià)格高昂，制作周期漫長(zhǎng)，開展精沖試驗(yàn)研究十分不易。為了研究精沖加工中的各種工藝參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變情況，有限元模擬技術(shù)被大量使用。但有限元模擬技術(shù)的研究仍舊停留在對(duì)精沖過程中的零件和模具分析上，僅對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)整和模具設(shè)計(jì)起到了幫助。

對(duì)于精沖件的生產(chǎn)過程來說，其在精沖工序結(jié)束后還需要經(jīng)歷去毛刺、熱處理以及表面處理等多道后續(xù)工序。其中一些工序?qū)珱_件的尺寸和形狀會(huì)產(chǎn)生很大影響，某些零件在經(jīng)過后續(xù)工序加工之后尺寸和形狀可能無法滿足圖紙的相關(guān)技術(shù)要求。

目前，對(duì)于整個(gè)零件生產(chǎn)周期的模擬研究少之又少。設(shè)計(jì)開發(fā)能夠?qū)珱_件完整生產(chǎn)周期進(jìn)行計(jì)算、仿真、控制，集成塑性變形、熱處理和表面處理等模塊的有限元仿真軟件是未來研究的方向之一。

結(jié)束語

本文從精沖機(jī)理、精沖工藝方法、精沖設(shè)備及模具、精沖產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等四個(gè)方面介紹了精沖技術(shù)的研究現(xiàn)狀，根據(jù)精沖技術(shù)面臨的問題和困難，簡(jiǎn)述了當(dāng)前的解決方案并進(jìn)行了分析。根據(jù)精沖產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低的技術(shù)特點(diǎn)，以及零件愈發(fā)復(fù)雜的需求狀態(tài)，對(duì)精沖技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，闡述了智能化精沖生產(chǎn)、創(chuàng)新精沖方法、精沖有限元模擬技術(shù)的重要性。