冲压与钣金制作行业技术观察与思考

文／李凤华·中国锻压协会

本人连续参加了中国锻压协会主办的2018 年、2019 年全国冲压、钣金制作企业厂长会议和中国国际金属成形展览会。通过参会和参观展览，自己对冲压、钣金制作行业新技术、新装备发展状态有了更深的认识和思考，以下是参会、参观印象比较深刻的几个方面。

伺服技术逐渐普及应用

伴随汽车整车产品竞争日趋激烈，冲压产品外形越来越复杂，冲压加工工艺多样化，模具结构复杂化，材料轻量化、多样化；同时，随着家电、电子通讯等行业产品的高端化、定制化，各种钣金制作件及精密冲裁拉深件的精细化质量要求也越来越高。先进冲压工艺的应用，离不开装备的技术进步，近年来，伺服冲压、钣金制作设备顺应产品和工艺的需求，开始普及应用。

20 世纪90 年代中期，伺服压力机应运而生，以其优越的性能得到了迅速发展。在我国，伺服压力机的发展方兴未艾，在各大汽车主机厂已广泛普及和应用。据不完全统计，全国目前共有大型伺服压力机生产线50 条以上，中小型伺服压力机的应用更不计其数。

最初人们还对伺服压力机的优势和节能方面持有怀疑态度，不能确定伺服压力机的性价比是否合理。经过近二十年伺服压力机技术的发展和应用，伺服压力机的优势不断被发现和证明，并根据产品和工艺的需求不断完善和开发新的技术，而且有了一些实际数据的支撑。伺服压力机技术近年来一直是持续的热门话题。

伺服压力机功能与优势再梳理

⑴产品成形性提高，质量提高。

伺服压力机兼具机械式的可靠性和油压式的灵活性。可根据不同的产品和工艺需求，输出不同的运动曲线，其滑块行程和速度都可以调整，满足不同的工艺和质量特性要求，而且可以有效解决材料变化带来的质量风险，大幅减小回弹量和冲切分离的撕裂带。

⑵提高生产效率，实现经济效益最大化。

全行程模式下：相同或更低的成形速度下对滑块运动进行单独编程控制，大大缩短了循环时间，提高效率。

摆动行程模式下：允许对滑块行程高度进行自由编程。通过力矩电机的反向转动，滑块的偏心驱动装置以摆动形式运动，这可以显著提高效率节省能源。

根据舒勒公司伺服压力机冲压生产的经验，与普通压力机相比，一些中小型级进模及多工位模具生产的零件，采用伺服压力机生产效率平均提高70%。

⑶节省能源。伺服压力机配备能源反馈管理系统，可节省能源20%～30%。

⑷降低噪声，提高模具寿命。由于更好地控制接触模具瞬间的速度，能有效减少对模具的冲击和振动，降低噪声，提高模具和压力机寿命，改善了以往冲压工厂恶劣的工作环境。

⑸压力机结构简单，故障率低，更易于维修保养，如图1 所示。

⑹压力机整体高度降低，结构紧凑占地面积小，降低了对冲压厂房高度的要求和限制，降低了冲压厂房的投资成本。

⑺普通压力机模具安装和试模时，使用的“寸动运转”需要较高的操作技能，且控制不准确，而伺服压力机做模具调整时可以做到每次0.01mm的微动操作，使模具的调整操作变得简单、方便、快捷、准确。

⑻伺服压力机可实现与自动化装置的有机结合，控制更灵活，效率最大化。通过高动态性能的伺服电机对滑块运动进行编程控制，使其简单快速的适应模具和自动化工艺参数，使滑块和自动化装置等各方面得到最优化的配合，在保证质量的情况下提高效率。有的伺服压力机配有“优化程序曲线发生器”，能够根据模具和参数自动优化滑块与自动化系统运行参数曲线。目前大型伺服压力机自动线的最高节拍达到18 次/分钟。

⑼伺服压力机使冲压生产更容易实现自动化、信息化、智能化。

伺服压力机新技术及应用

⑴实现后续工艺整合。零部件生产经常涉及诸多工序，需要不同的工艺来完成，逐一执行需要增加工装设备，浪费大量时间，降低生产效率。伺服压力机可根据用户需求实现对行程高度和运动序列自由编程，实现最大的灵活性，也可利用伺服压力机将焊接或激光之类的工艺直接可靠地整合到一个高效的冲压循环中，如焊接螺帽、焊接螺栓、螺纹成形、部件焊接、铆接等。

⑵可实现传统压力机不能做到的板材锻造。

⑶一种新型的伺服直驱技术的冲裁压力机：高动态性的驱动电机与一到两个肘杆。不存在机械连接，无润滑、无磨损传动系统可大大提高工艺可靠性和零件质量。

⑷舒勒的双伺服技术(图2)：主要用于1000 吨以上的大台面多工位及独立压力机，其特点是双伺服电机驱动，驱动装置下置，拉着滑块运动，实现同步控制。显著提高压力机抗偏载能力，压力机挠度减少30%，单工序承载能力更高，保护模具，提高零件质量；为多工位布局提供更大的灵活性；主动式滑块平行控制，压力机整体高度更低，封闭性更好，满足防噪、无油等环保要求。

国内伺服压力机已经有了很大发展，但是，低速大扭矩伺服电机和控制系统核心技术的研发还处于起步阶段，制约我国伺服压力机的发展。目前国内在用的50 余条大型伺服压力机生产线，国外品牌压力机占90%的份额，仅舒勒公司即占全部大型伺服压力机保有量的50%，国产品牌压力机仅占10%，而这些国产伺服压力机的核心伺服电机及控制系统全部依赖进口。这些核心技术掌握在德国和日本少数几家公司，售价高昂，国内厂家的技术开发滞后、一直没有突破欧美日的技术壁垒，只能依赖进口。随着对伺服压力机需求的增加，我国亟需研制出大扭矩伺服电机与控制系统等核心部件。

激光技术无所不能

激光技术“无所不能”，堪称万能的“光刀”。激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，激光技术已经广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车制造、船舶制造、工程机械、农业机械、电梯制造、厨具家电、电子电气等各个行业。激光技术可以完成打标、切割、焊接、熔覆与淬火、表面热处理、3D 打印、制孔、清洗等工艺。目前，国产激光技术得到长足发展，已经打破了国外高端激光设备公司垄断的局面。

切割方面

⑴厚板切割厚度最高达不锈钢50mm 以上，碳钢40mm 以上。

⑵高速切割机最大定位速度可达200m/min以上。

⑶大功率切割机国内可以做到15kW 以上。

⑷超大幅面切割机，大尺寸零件一次下料成形。宽度可达5m，长度可达8 ～50m。

⑸全自动柔性加工生产线(图3)，由多台激光切割机及自动化系统组成，全自动上下料及过程传输，整个加工过程实现信息化、智能化控制，打破国外垄断。

⑹全自动光纤三维切管机，实现各类管件各种断面和孔的三维切割。

⑺开卷激光切割线，代替开卷落料线，节省模具投资，更适合多品种、小批量柔性化生产，打破国外垄断。

⑻机器人三维激光切割机，光纤激光与工业机器人高度融合，柔性化加工，一次完成。主要用于汽车覆盖件的切割，代替等离子切割，代替修边模和冲孔模，可提高零件质量，节省模具成本。

⑼热成形件三维五轴激光切割机-高强度钢激光切割成形，打破国外垄断。

⑽三维五轴激光切割、焊接与3D 打印一体装备，多种功能，一机实现。

焊接方面

⑴激光-电弧复合焊接系统兼具激光焊接和电弧焊接的优点，适用于难焊材料和金属厚板的焊接，适用于碳钢、不锈钢、钛合金、铝合金等材料的焊接加工。

⑵大族激光智能装备集团先后推出15kW、16kW、20kW 等超高功率激光焊接装备，可实现20mm 不锈钢优质焊接、单面焊接和双面焊接。

⑶激光拼焊生产线：实现不同材质、不同厚度、不同强度材料的拼接。

⑷远程焊接-无填料焊接，实现对一些空间狭小区域的自动化焊接。

⑸汽车车身零部件、动力总成与传动系统部件的激光自动焊接，有效保证汽车关键零部件的焊接质量。

熔覆与淬火

⑴激光熔覆：提高耐磨性、硬度、耐蚀性，表面修复。

⑵激光淬火：齿轮、轴类及模具表面淬火强化及表面热处理。

3D 激光打印

⑴铺粉式3D 打印装备，可打印不锈钢、钛合金、钴铬合金等材料，成形精度高，尺寸精度可达20 ～100μm，可成形结构复杂、壁厚小于0.2mm的薄壁零件，医学、汽车、模具行业应用广泛。

⑵送粉式增减材复合制造装备，3D 打印和切削加工自动切换，实现增材制造与减材制造的有机结合，复杂曲面3D 打印与五轴加工，一次成形，适用于发动机叶片、结构件、模具制造等。

激光清洁

采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，可用于工业模具清洗，锈迹、油漆去除等。清洗迅速快捷，不损伤基材，可达性好。

目前，国产激光设备虽然得到快速发展，但激光发生器等核心部件大多需要进口，国内激光设备研发厂家及相关科研单位需加大对激光器等核心部件的研发力度。

自动化、信息化、智能化是用户需求，也是装备发展方向

冲压行业处于产业链中游，在原材料价格上涨、人工成本上涨、主机厂压缩成本、提高质量要求的背景下，处于产业链中游的冲压企业，特别是中小型冲压企业，走专业化、自动化道路是企业在竞争激烈的环境下生存和发展的方向。自动化是企业降低人工成本、提高产品质量，进而提高竞争力的重要途径之一，也是实现信息化、智能化的基础。无论是零部件生产企业还是装备生产企业都越来越重视自动化、信息化和智能化的发展和应用。

⑴冲压件的成形开裂在线监测：利用传感技术、光学照相技术等监测温度、润滑条件、零件状态等，判断零件是否开裂，保证冲压自动线高效运行，质量可靠。

⑵设备自动化、智控技术：设备的各种传感检测等，如吨位检测指示、装模高度指示、控制，设备辅助视觉系统等；

⑶模具数字化及智能化技术：传感器及信号处理技术、算法及工业专用软件开发应用，冲压CAE 精准仿真技术研究，车身覆盖件冲压模具型面精益设计（回弹补偿、A 面重构、压力机及模具变形等问题的分析与解决），汽车模具动态调试数字化设计仿真平台建立等。

⑷智能制造信息化云平台：设备的接入、管理，远程数据采集，数据存储图形组态，数据展示，数据分析，用户管理等。

⑸压力机周边自动化设备：各种形式的自动化上下料机械手、自动开卷送料机、线边料库、模具库、气动落料(废料）输送系统等，这些周边辅助工艺的自动化装置，体现了构思巧妙和匠心制作。

CAE 虚拟分析技术日趋成熟，应用越来越广泛

板材成形有限元分析，是现代金属板材成形产品开发和工艺开发不可或缺的手段，CAE 软件功能越来越强大，越来越与实际接近，充分考虑影响因素，接近实际，利用大数据，提高分析稳健性。某些板材模拟分析软件在原有基础上又增加了新的功能。

摩擦系统模块(Tribo Form)：模具材料、粗糙度、成形速度、润滑条件等影响成形的因素和条件都考虑到，使分析结果更接近实际，更准确。

稳健性分析：利用CAE软件进行6σ稳定性分析，利用大数据分析参数在一定变化范围内的结果，预判风险，提前改进优化成形条件，确保后续生产准备的质量和周期，提前得到稳健可靠的结果和方案。

考虑各种软件之间的接口和转化，使软件利用起来更方便、快捷。

遗憾的是，我们所使用的模拟分析软件大多是进口软件，中国面临缺乏自主CAE 软件的尴尬局面。国家应鼓励和扶持有能力的高校、科研机构和企事业单位研发有核心自主产权的国产CAE 软件，否则我们的板材成形技术和产业仍然会受制于人。

其他技术发展及观点

汽车轻量化技术及装备得到快速发展

为了满足节能环保要求，无论是针对燃油车不断提高的国家排放标准，还是电动车的发展，汽车轻量化是必由之路。目前汽车轻量化的主要途径仍是材料和结构两个努力方向。材料轻量化方面，高强度板、管材、铝板、复合材料的应用仍是主要路径，未来工艺技术和装备的发展仍将主要围绕这些新材料、新技术展开，典型的如高强板热成形、内高压成形、滚压成形、铝合金成形等。目前，热成形和内高压成形设备已实现国产化，打破了国外垄断局面。随着需求的增加，包括复合材料在内的新材料的研发、新工艺开发及相关装备技术将迎来快速发展阶段。

精冲件需求增加

精冲零件由于其断面质量高、尺寸精度高和互换性好、生产成本低等优势，在汽车、电子等行业应用越来越广泛，但是在高精度的精冲零件生产上国内精冲企业的竞争力还有待提高，精冲工艺、模具、设备都亟待进步和发展。精冲传递模开发应用，板锻技术研究应用，形状更复杂、精度更高的精密冲压成形技术等将是精冲领域重点研发方向。

工艺结合更紧密

冲压、钣金制作、精密挤压成形（体积成形）越来越相互联系、相互渗透，有许多零件采用冲压和挤压复合工艺。同时，许多产品和企业也都是冲压和钣金制作工艺紧密结合的。

在工艺和装备技术上：江苏中兴西田研制开发出了具有自主产权的江苏省首台套冲锻复合加工的多工位压力机(图4)，将冲压与锻造工艺相结合，在成形下死点完成材料增厚和体积成形。压力机结构保证刚性，采用伺服控制。

农机冲压产品升级

我国正处于从传统农业向现代农业转变的关键时期，对国内农机工业发展既是机遇也是挑战。一方面现代农业对农机需求大幅增加，加之政府的补贴政策，农机行业迎来了前所未有的发展机遇；另一方面，现代农业需要的大型、高效、复杂的农业装备及核心零部件依然依赖进口，国际资本大举进入我国农机领域。同时，人们对传统农机的要求也由过去注重实用性转向既注重实用性又注重视觉效果和操作的舒适性，对农机驾驶室覆盖件的造型和质量提出了更高的要求。农机企业需要产品和工艺并举，冲压和钣金制作工艺相结合来满足新时代对农机钣金制作、冲压件的需求。

零部件厂和设备厂联合开发装备已成一种趋势

设备生产厂与零部件生产厂联合开发设计冲压工艺和冲压装备，已成为双方共同愿望。根据产品工艺需求和特点，设备厂和冲压生产厂合作，共同研究开发适合的工艺、模具、设备、自动化系统等。这就要求设备企业拥有工艺开发的人才和能力，对设备企业的要求会越来越高。