关于冲压模具技术的研究

常淑敏

摘 要：高品质、高性能、低成本将主导未来模具材料研发方向，欧、美、日等发达国家垄断高档模具材料研发和生产的局面将被打破。随着汽车、电子电器等制造业快速发展及产品更新换代周期加快，先进多工位与多功能冲压模具，特别是大型高精、超高速冲压、超薄、超强和微细型零件成形冲压模具的市场需求将稳定增长。

关键词：高品质 高性能 低成本

中图分类号：TG385 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0000-0091-01

1 冲压模具技术概述

冷冲压模具主要指先进多工位与多功能冲压模具、精密冲压模具和汽车车身冲压模具等。

先进多工位与多功能冲压模具的代表主要有精密多工位级进模、精密多工位冲压传递模、复杂精密多功能冲压模具等，是汽车、电子电器等制造业的关键工艺装备。这类模具的总体水平与国际先进水平接近，一部分模具已出口到工业发达国家和地区。但是与国外先进冲压模具水平相比，仍然有差距，如模具寿命较低，模具试模周期长，模具调整和维修时间较长，模具材料、标准件等模具基础技术水平差距较大，特别是缺乏设计和制造相关基础理论技术的支撑等。

精冲模具是采用负间隙或零间隙冲裁金属板材类零件的模具，在精密零件成形领域的应用越来越广泛。我国在精冲模具方面具备了一定的开发能力，而在复杂精冲模具，特别是精冲复合成形模具的开发方面仍缺乏经验，水平不高，进口模具仍占较大比重。

汽车冲压模具主要用于汽车的外形件、结构件以及内饰件成形制造等。国内模具企业已经可以设计制造B 级轿车的全套模具，开始向C级轿车的高难度复杂模具进军。

冷冲压模具技术的总体发展是“由模具自身的品质提升向冲压件产品的控形控性方向发展”。即客户要求从主要考虑模具本身品质向使用模具生产的最终冲压产品品质控制方向发展，从对冲压模具品质的单一要求向企业产品的系统解决方案发展。多领域交叉技术的应用以及以模具为核心的系统解决方案将是今后模具技术发展的主要特征。冲压模具技术的主要方向：特大型高精、超高速冲压、超薄、超强和微细型零件成形冲压模具设计、制造关键技术；多功能复合模具技术以及该类模具的试模技术、模具可靠性技术等。

未来20年，我国冲压模具设计制造综合水平达到当时国际先进水平，差距缩短到5年左右。

2 未来市场需求及产品

随着汽车、电子电器等制造业快速发展及产品更新换代周期加快，先进多工位与多功能冲压模具，特别是大型高精、超高速冲压、超薄、超强和微细型零件成形冲压模具的市场需求将稳定增长。

随着客户要求从主要考虑模具本身品质向使用模具生产的最终冲压产品品质控制方向转移，向用户企业提供产品冲压系统解决方案的技术服务方式将得到快速发展。

3 关键技术

3.1 冲压模具产品的信息化和智能化

（1）现状：目前冲压模具主要考虑的是冲压件的“控形”问题，同时考虑“控形和控性”尚缺乏冲压成形“控形和控性”技术理论研究、模具产品的信息化和智能化等基础条件。

（2）挑战：需掌握冲压件的成形形状智能控制技术、冲压件强度、刚度和厚度合理分布的控制技术与模具设计技术、冲压成形过程及零部件质量的控制技术等。

（3）目标：预计到2030年，突破冲压件的控形和控性理论、掌握冲压模具成形过程的信息获取、应用与冲压件的控形控性模具设计实现方法等关键技术，达到世界先进水平。

3.2 新型工艺及冲压模具理论与技术

（1）现状：新材料和新工艺不断出现，如硼钢板热冲压技术、管材的内高压成形技术、镁合金板的冲压技术等，而现有的模具成形理论与技术不能完全适应新材料和新工艺对模具的要求，也缺乏综合工程研发机构。

（2）挑战：需协调新材料变形特性研究、新成形工艺开发和模具设计制造间的关系。

（3）目标：新材料成形模具的设计制造技术、新成形工艺所需模具的设计制造技术达到国际先进水平。

4 汽车覆盖件成形数值模拟技术（ CAE分析）

4.1 汽车覆盖件成形数值模拟技术（CAE分析）的优点

（1）缩短开发周期。如某汽车地板总成的模具开发由44周缩短为20周；（2）降低开发成本；（3）提高产品质量；（4）深化对成形过程的科学认识。

4.2 CAE技术的数值模拟的核心思想——有限元法

起源：有限元法是随着计算机技术发展而出现的一种基于变分原理来求解偏微分方程的有效数值计算方法。

基本思想：把连续体视为离散单元的集合体。

“化整为零”。将连续体分解为有限个性态比较简单的“单元”。对这些单元分别进行分析。

“积零为整”。将各个单元重新组合为原来的连续体的简化“模型”，求解得到基本未知量（位移）在若干离散点的数值解。

根据数值解再回到各单元中计算其他物理量（应变、应力、温度等）。

引入CAE数值仿真的模具开发。

结合板料CAE数值模拟在模具开发中的作用。

4.3 金属塑性有限元法的实施步骤

（1）用假想的线、面将连续体分成若干具有简单几何形状的“有限单元”。

假设这些单元在且仅在其边界上的若干个离散节点处互相连接。将这些节点的位移（速度）作为问题的基本未知量。

（2）选择适当的插值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移（速度）唯一地确定该单元中的位移（速度）分布。

（3）利用位移（速度）函数对坐标的偏导数可根据节点位移（速度）唯一地确定一个单元中的应变（或应变速率）分布。由单元的应变（或应变速率）以及材料的本构关系，可确定单元的应力分布。

（4）根据虚功原理可建立每个单元中节点位移（速度）和节点力的关系，即单元刚度方程。

（5）将每个单元所受的外载荷根据作用力等效的原则移置到该单元的节点上，形成等效节点力。

（6）按照各节点整体编号及节点自由度的顺序，将各单元的刚度方程迭加，组装成问题的整体刚度方程。

（7）根据边界节点必须满足的位移（速度）条件，修改整体刚度方程。

（8）求解整体刚度方程，得到节点位移（速度）。根据求得的节点位移（速度），计算各单元的应变（或应变速率）和应力。

参考文献

[1] 工业和信息化部装备工业司.模具行业“十二五”发展规划[R].北京：工业和信息化部，2011.

[2] 李志刚.模具制造业信息化的现状与发展[C]//中国模具工业协会，中国模具工业年鉴2008.北京：机械工业出版社，2008.

[3]李志刚.国内外汽车模具，技术的发展趋势[J].金属：冷加工，2011（16）：12-15，54.