冲压属于汽车制造的关键工艺流程之一,车身成型质量高度依赖于冲压环节及其配套设备的精密程度。这项工艺的兴起主要得益于大规模生产的推动和需求,特别是在汽车行业中的广泛应用至今依然保持着这个特点。近些年,我国冲压模具制造技术取得了长足进步。目前,国内已能制造出单套重量超过五十吨的大型冲压模具,并且能够为普通档次的汽车提供配套的覆盖件模具。我国冲压模具的规模持续增长,整体水平显著提升,但在数量、质量、技术及生产能力等方面与世界顶尖水平相比仍存在明显不足,部分大型精密复杂的长寿命模具仍需大量进口,国内高端汽车模具企业不仅要达到传统模具企业的质量成本周期标准,冲压模具的新技术研究和推广将成为国内模具行业未来发展的关键,这一趋势值得行业关注。
中国汽车产业快速进步,让国内汽车模具行业也获得了巨大的成长机遇。受制于费用和市场环境,先进国家模具生产的中心正慢慢转向以中国为代表的新兴经济体。国内外各种条件共同推动了本国模具产业的迅猛提升,因而涌现出许多新的汽车模具公司。模协调查发现，核心模具制造公司将近有 110 家，其中冲压模具的比例高达 37% ，中国确实已是汽车模具生产的重要国家。国内汽车外壳零件的自动化制造虽非迅猛冲压，但自动化比例同样很高，主要体现为大量应用自动化连续冲压设备。成线压制通常配置四台压机形成一个闭环生产线,线内由机械臂负责自动上料和取件,制造节奏在每分钟十到十五次左右,常见的配置是首部采用双动1630吨压机,后面接续800吨压机;对于车顶、车底等覆盖件,多采用自动化或半自动化方式制造,这类零件的生产模式主要受批量影响,多数会选用自动化或半自动化工艺。本土企业除合资公司外,起家时大多使用半自动化的冲压技术;这种技术对冲压设备有明确标准:设备工作台面必须宽阔;因为成型力度较大,第一台设备需达到2000吨或2400吨级别,之后陆续使用的设备吨位也要在1000吨或1250吨以上;底盘骨架这类零件通常由专门的零部件制造企业生产,然后运往整车厂;规模较大的零部件企业一般设有6条冲压生产线,为了加强品质管理和配合整车厂的生产流程,这类企业还会配备焊接乃至后续的喷涂或涂装工艺,这样就能直接将组装好的部件卖给整车厂。
精密冲压工艺伴随钟表工业进步诞生于瑞士,是汽车制造领域的重要技术之一,常用于汽车门铰链组件、玻璃升降机构等部件的生产。这类零件厚度通常在3到5毫米之间,对零件的精确度、强度以及整体运行稳定性都有较高要求,确保装配后能平稳可靠地工作。多年积累下来，精密冲压工艺在中国汽车领域获得了显著进展，如今国内已经出现了一批技术实力很强的专业制造公司。
先进的多工位连续模和精密冲压模引领着冲压模具行业的前沿,对加工精度和耐用性有着极为严苛的标准,主要服务于汽车制造、电子信息设备、测量仪器、电机电器等领域。国内在这两种模具领域已经具备一定实力,引进了国外的先进技术装备,部分企业的产品已经跻身国际先进行列,但多数企业仍与顶尖水平存在明显距离,整体产量无法满足市场需求,导致进口依赖度较高。为超大规模集成电路服务的精密模具至关重要,为引线脚超过百个且间隙小于0.2毫米的引线框架配套的精密模具至关重要,为公差达到5毫米以上的精密微型连接件配套的精密模具至关重要,为直径不足1.6毫米的微型马达铁芯配套的精密模具至关重要,为显像管和电子枪等设备配套的精密模具也是发展的核心。发展高端汽车模具是模具企业进步的关键路径，市场需求和行业趋势也要求大型冲压件配套的多功能连续模得到优先推进。
国内高端汽车模具制造企业技术水平进步迟缓，缺乏创新技能，对新型模具技术的研发与运用也存在欠缺，因此国内高端模具的研制水平无法充分满足国内汽车工业的配套要求，高端汽车模具中相当一部分仍需依赖进口。此外，国内高端模具企业有时会因生产任务不饱和，被迫调整原有市场方向，转而争夺中低端市场。公司存活难题已获解决，不过中低端市场盈利微薄，造成其用于研发和技术革新的资源投入十分有限，某种程度上演变成负面循环，致使公司未能步入健康增长轨道，这些因素也让我们与真正的汽车模具“制造大国”尚有差距。当前，国内高端汽车模具生产商数量可观，导致行业竞争愈发白热化。国内高端汽车模具制造商在达到常规模具企业的质量、成本、周期标准的同时,模具领域新技术的开拓和实施,必定是未来国内模具产业着力推进的核心环节。
一.汽车冲压模具设计与制造能力的现状
模具生产技艺的优劣,是评估一个国家制造能力的重要参照,并且对产品品质、盈利状况以及创新产品的研制能力有极大影响;此外模具被视为企业的“利润倍增器",通过模具制造出的终端产品价值通常是模具本身价值的数十倍乃至上百倍。
模具制造展现出高效能、费用少、准确度高、品质均一等优势,汽车行业、电子领域、电器产业、仪器装置、家庭用具、飞行航天、建筑原料、电动设备以及通讯器具等众多行业里,大约六成到八成的零件都需借助模具成型,所以模具在全球范围内被誉为“制造业的根基”。在市场层面,汽车、电子信息、家用电器、办公装置、机械以及建筑材料行业是模具需求量最大的几个领域,这些行业合计占据整个模具市场八成以上的份额,而汽车模具市场预计将实现每年超过百分之十的增长率。
模具行业与企业谋求进步需紧跟时代步伐，主动革新自身技术体系。陈旧的模具设计生产方法必须借助前沿实用科技加以革新，产品的科技水准将迅速攀升，现代工业的管理理念也必然会取代落后的手工式经营方式。多年来持续奋斗，我国冲压模具的设计与制造实力已取得显著进步，诸如信息工程和虚拟技术之类的诸多现代设计制造技术，已在众多模具制造企业中得到普遍采用。然而，即便如此，我国冲压模具的设计制造实力同市场需求和国际顶尖水平相比，还存在明显不足。
在汽车外壳研发和大型板件模具快速生成领域，近些年出现若干创新制造技术，例如，无模多点成型、激光冲击成型和电磁成型等工艺已逐步投入实际生产，这些技术均体现出成本减少、速度加快的优势。这些差异主要体现在高端轿车与大中型汽车覆盖件模具以及高精度冲模上,在设计、加工工艺和能力方面都存在明显不足。轿车覆盖件模具具有制造难度高、品质和精度标准严苛的特点,能够反映覆盖件模具的整体水平。
当前造车工艺与手段已大体符合国际水准，模具构造性能也贴近国际水准，轿车模具本土化进程获得显著进展，不过制造品质、精确度、制造时长等方面，与海外相比仍存在一定差距，汽车覆盖件模具制造技术持续进步并完善，高精度、高效率加工设备应用日益普遍。先进的五轴高速切削机床和三轴高速切削机床的使用越来越普遍,自动化和数字化技术日趋完善,能够实现斜面加工和精密加工,这些都有助于提升模具表面加工的精确度,增强模具的整体性能,并有效压缩模具的生产时间。
国内模具领域整体精细化水平尚不突出，自主生产配套现象十分严重。国际行业惯例中，模具自主生产配套占比通常在百分之三十左右，而我国冲压模具的自主生产配套比例达到了百分之六十。因为配套比例大,所以冲压模具制造能力的布局大致依照冲压零件制造能力的布局,不过,汽车外壳模具和能同时加工多个工序、具备多种功能的精密冲模的专业制造公司的布局,却有不少并不依照冲压零件能力分布,而是主要取决于主要出资人的选择。
二. 汽车覆盖件主要冲压工艺及发展应用
当前国内外的汽车生产与运用场景持续演变,对车身的设计制造有了更严格的标准。虽然面临资本投入、技术稳定性等难题,国内部分规模较小的企业仍旧将改进既有制造流程视为公司进步的关键策略。然而在海外以及国内部分龙头企业那里,已经普遍着手探索并实践板料加工的全新方法与途径,例如液压拉伸成型、高温成型工艺和回转剪切技术等。新方法具备诸多技术层面的好处,有助于提升物料使用效能,简化部件生产流程,从而削减制造开销。汽车制造以及航空航天等行业,持续致力于降低构造重量以节省运作过程中的能耗,这既是长久以来的期望,也是前沿制造技术演进的主要方向之一。以散热器支架为例,它的散热区域扩大了四成三,连接点从一百七十四个削减到二十个,制造流程从十三步简化为六步,制造效能提升了百分之六十六;增强了结构强度与刚性,特别是抗疲劳性能,例如经过液压成型的散热器支架,其垂直方向的刚性提升了百分之三十九,水平方向的刚性则提高了百分之五十;同时压缩了制造成本。根据对液压成形零件使用情况的统计,这类零件制造费用比冲压件通常减少15%到20%,模具开销也相应削减20%至30%。
加工时若零件因构造特征或特殊条件无法胀形至目标规格,则需实施切割、冲压或铣削等操作。该工艺在实践领域展现出广泛适应性,凭借多样的结构形式与设计思路,已成功制造出众多高承压、长耐用、轻重量的组件。典型应用包括汽车排气管、前后减震系统、车架以及各类结构件等。现在，欧宝发动机支架、BMW仪表盘支撑梁以及大众公司某汽油发动机排气管制造都运用了内高压成形技术。在热成形时，因为热应力的作用，材料非常容易产生裂纹，一般可以通过增设工序，将总变形量细分到各个成形步骤来处理；起皱问题则可以在增加工序的同时，借助过渡结构来消除。但是增加工艺步骤不仅需要提升模具的总数，而且每个步骤完成后，材料表层会因为氧化和温度分布不均等状况，导致模具接触面之间非常容易产生卡滞，因此热成形模具的设计方案应当尽量做到简化。
对于汽车压铸件加工公司而言,虽然在新产品成型环节运用新方法和新技术会面临资金投入多、新技术不够完善等难题,但只有精通新方法、新技术,才可能大幅度减少开销和提升工作效率,才可能获得市场优势,持续研发和采纳新方法、新技术是汽车工业进步的标志和前景。
三.汽车冲压模具设计的 CAD/ CAE 系统集成技术
有限元模拟分析软件这类 CAE 工具在国际上应用将近三十年了。最近十年间，塑性变形理论在板料成形技术领域发展迅速，促使 CAE 技术在汽车模具制造环节更加成熟可靠。若将 CAE 应用于冲压工艺设计，能够大幅降低试模数量，减少一半以上。当前国内众多汽车模具企业已经采用了 CAE 技术,其中 Autoform 软件的使用尤为普遍,这种技术的应用显著地压缩了模具调试所需时间。常规的 CAE 工具能够执行成型性评估,但必须由专业技术人员完成繁琐的前置准备工作,一旦分析成效未达预期,就需要重新开始整个流程。常规的仿真工具仅作为核实工具,仅能用于方案间的比对,无法用于制造过程的辅助,因此导致仿真技术长期与生产环节脱节。
现在 CAE 软件的功能已经超越了仅仅进行成型评估,它还能融入冲压制造的全部环节,这就是所谓的计算机辅助冲压制造。现阶段,CAE 软件已经成为模具设计过程中不可或缺的环节。这款软件非常注重终端使用者的体验,使用者即便不具备深厚的 CAE 领域知识,也不需要太多实际操作调试的积累,就能够轻松上手使用。新手要达到同等程度,至少需要一两年功夫。市面上现在通用的 CAD/ CAE 软件跟十年前相比,变化非常显著。过去都是比较通用的版本,如今都针对模具行业做了大量定制化改进或调整,这无疑是长足的发展。当前市面上主流的 CAD/CAE 软件虽然性能卓越，但在实际操作层面，受限于外界条件的影响，往往难以完全符合预期目标，或者还存在一些需要改进的环节。长远来看，从控制成本和提升服务质量的角度出发，若能拥有功能完备的国产 CAD/CAM 平台，将更为理想。从未来的角度来看，计算机辅助设计和分析技术的融合会变成一种必然或动向，实际上目前存在不少这样的实践，不过就实际运用情况而言，成效还比较有限。
从事CAD/CAE系统研发的人员,需要针对覆盖件模具的设计理念进行深入细致的探讨、研究,并实施特征化操作,接着从软件系统的层面寻求一个契合点。软件系统之间的融合在不断深化,物理层面的网络化运作已不存在障碍,部分模具制造企业已经达成了PDM环境下CAD/CAM的整合状态。从系统研制和模具制造行业实际运作的相互联系来看,缺少行业实践就无法获得成熟的经验可以参考,模具制造企业若想采用就必须进行资金投入,而资金投入必然要求有回报。当前，新的制造技术和产品持续不断出现，海外冲压模具已经从传统的单一组合式向多种功能集成模具、生产体系配套模具工装、大型组合式进给模具以及微型零件冲压成型模具等方向拓展，而国内企业大多仍将主要精力用于常规单一组合式进给模具的系列化和规模化生产，尚未掌握特殊高精度模具如巨型高精度、超高速冲压、超薄、超强以及微型零件冲压成型模具的核心技术，对于多功能复合模具的设计还比较有限。
中国必须持续加强新型模具的核心技术攻关,扩大其使用范围,为超越世界领先水准奠定根基。基础零件和配合件是多工位及多功能冲压模具整体快速进步的关键要素,国内在热处理、材料、标准件等基础零件和配合件领域的技术与品质相对落后,高端模具所需的基础零件和配合件主要从国外采购,所以国内迫切需要提高基础零件和配合件的技术水准与品质。模具的设计与制造是一项实践性突出的专门技艺,中国长期以来,对模具设计与制造的实践性十分看重,不过由于对冲压模具的基础理论和技术研究不够充分,造成模具设计与制造的基础理论和技术发展迟缓。冲压模具行业专业化程度有待提升,存在规模不一的企业模式,核心竞争优势难以建立,自身技术水平和创新方面落后于国际同行。
此外, 模具所用材质及通用组件等基础工艺比较陈旧, 直接阻碍了中国多工位与多功能冲压模具的整体发展水平, 所以, 在多工位与多功能冲压模具的基础工艺支撑方面 依然有很多不足之处。国内模具行业研发能力不足,部分尖端模具的关键构思和技术,以及生产流程中的基础知识、理论及核心技能掌握不牢,造成整体水平难以提高,长期处于模仿和吸收阶段,要实现赶超乃至超越世界顶尖水平,还缺少必要的设计和制造技术作为后盾。为此,我国要持续进行新型模具的核心技术攻关,扩大其使用范围,为追上世界顶尖水准奠定根基。
5 汽车冲压模具制造对机床和刀具的要求
高效的生产工艺和精良的设备是提升制造效能和维护物件精度的关键支撑。在顶尖的汽车零件制造单位里，配备有两工位数控机床、刀具自动更换系统、自动化光电操控装置、工件实时检测装置等情况非常普遍。数字化加工已从仅限于轮廓处理扩展到涵盖轮廓与构造的完整处理，从低中速切削进步到超高速切削，加工自动化水平进步迅猛。汽车模具的材质优劣及其功能表现，对模具的优劣程度、使用期限和价格起着关键作用。近些年，除了持续研发出具备高韧性、高抗磨蚀性的冷作模具钢材、经过火焰加热处理的冷作模具钢材、通过粉末冶金工艺制造的冷作模具钢材之外，国外在大中型冲压模具领域采用铸铁材料，已成为一个值得重视的进步方向。这种材料具备优越的强度和韧性,同时耐磨损性能也很突出,焊接、加工以及表面硬化处理都十分方便,并且费用比合金铸铁要经济,所以常被用于制造冲压模具。
汽车模具的精密加工是发展方向，所谓精密加工，是指模具的制作流程和成品质量，具体表现为冲压工艺和模具构造的优化，模具制作的精准度，模具产品的高质量和技术控制的高标准，精密加工并非孤立的技术，是设计、制作和控制技术的全面体现。精细制造模具需要技术不断进步,同时管理也要严格。数控加工已经从简单的平面加工转变为全方位数控加工,从低速度加工提升到高速高精度加工,从按照图纸人工操作发展到无需图纸、少人甚至无人操作。现阶段重点推进的加工技术有:高速高精度加工,全部采用数控技术加工,减少人工或实现无人化加工,以及钳工装配只需安装不需调试和修整。
当今世界顶尖的制造公司广泛运用了高速精密的加工技术，我国也正逐步推广并日渐完善这种工艺。高速加工的核心目标，并不仅仅是提升生产效率，更关键的是借助高速运转实现微小的进给量以及极低的加工残留。实际操作中，高速精密加工的加工速度和加工精度，固然受到设备性能的制约，但在特定情况下，更主要地受到加工方案和数控编程水平的影响。我们应当关注并探究数控编程方法对加工精确度及生产力的作用。比如：刀具的即时移动速率和刀具运行路线的弯曲程度密切相关，一旦曲面形态变化剧烈，不论预设的进给参数为何，实际平均移动速率都将显著减缓；此外，倘若进给参数设定过高，便容易引发过量切削和边缘磨损，从而严重损害轮廓的准确性。高速高精度制造所需的数控编程任务复杂程度远超常规加工,需要投入大量编程时间与专业人员才能实现,不过这种投入最终会因加工效能和准确性的提升而获得数倍回报。
汽车冲压模具的加工制造对机器有明确标准,关键在于性能的稳定和运作的可靠。现今机器的运行效果越来越需要操作工的技术水平和专业态度,操作工必须确保机器安装得当,并且调整到最优状态,在指导操作工使用机器时要特别指出正确操作和精心维护的方法,以及这样做能产生的实际效果。铸造厂对投入重金的机器设备寄予厚望,这就要求所有参与方齐心协力达成既定成效,促成互利与融洽。倘若设备生产商能时常探望客户并提供现场维护,乃至开展大型检修和升级工作那就更佳。汽车压铸模生产对刀具的重视点在于品质、成本、创新实力以及供货时效。现阶段需要关注并提升的技术因公司而异, 大致可归纳为冲压技术、构造规划与生产技能等三个领域, 这些领域均依赖于 CAD/ CAM/ CAE 等技术的进步。在汽车模具制造领域, 计算机应用与数控加工正日益发挥其关键作用。
四.汽车冲压模具技术的发展前景
汽车覆盖件有内外之别,相应地也有内外覆盖件模具之分。内覆盖件的外观品质关键在于回弹程度和扭曲状况,模具的稳固性在于避免拉伤,并提升制件的平整度和形态;外覆盖件的外观品质主要涉及划痕、孔洞边缘的粗糙感、局部下陷、贴合面成型效果以及总成装配后的空隙等,模具需要工作部件精密加工,装配严丝合缝,运行过程顺畅无阻。
国内已经完全有能力生产全套的中级车车身模具,不过模具不能大量制造,每套模具不论由哪个工厂生产,最终都要靠具体负责设计制造的人员来完成,我们在整体经验积累和标准化方面还有很多事情可做,但因为是单独生产,实际上还是取决于个人的能力。现阶段国内汽车制造商的内饰件模具多由国内企业负责生产,而部分关键的外饰件模具则选择委托外部加工。委托加工是因为国外在这方面经验更充足,委托方对产品生产周期和质量有更高的要求。实际上委托生产的模具也存在不少缺陷,但委托方从心理上会觉得国内存在更多的问题。
经济全球化进程加速，中国从制造大国向制造强国的转变持续推进，期间“服务科学”“服务制造”等新兴理念应运而生，这对我国模具行业的发展必将产生深远作用。模具行业的服务制造业属性将显著提升，模具理应成为率先参与服务制造的生产设备。观察模具制造领域的历史进程和当前行业动态,可以发现技术进步的主要方向是"从提升模具自身性能转向确保冲压件形态精度和综合性能,并开发配套的整体服务方案。这意味着客户关注点正从单纯重视模具本身的优劣,转变为更注重模具所生产出的最终产品品质,同时需求也从单一的产品质量保障,升级为提供覆盖全流程的系统性解决方案。"用户的需求超越了模具产品的固有范畴,需要从整个产业环节中寻找统筹的应对策略,从而推动模具技术和相关企业向制造业的上下游产业扩展。由此看来,未来模具行业的发展将显著体现出跨学科技术的融合应用,以及以模具为关键节点的集成化服务方案成为主流趋势。
中国冲压模具当前的发展状况和面临的挑战表明,多工位与多功能冲压模具是能够迎头赶上世界顶尖水平的其中一类,不过,模具行业必须在专业领域深化分工、增强自主创新能力,并且在设计制造工艺的基础理论和技术层面加强细致研究,为国内多工位与多功能冲压模具的整体技术水平追平国际先进水平奠定坚实基础,在持续保持电机铁芯自动叠片级进模、空调换热器翅片级进模、集成电路框架级进模、电子连接器级进模等高水准模具发展的同时,也要重视发展大型汽车零件级进模、多功能复合冲压模具、微小零件冲压模具、特殊板料等微特冲压模具及其相关技术,全面提高多工位与多功能冲压模具的整体水平。
当前电子科技等先进技术持续进步，市场需要逐渐呈现独特化和多元化特点，高速精密冲压领域以及以优质模具为中心的发展方向，将逐步实现精准化、快速化、灵活化、互联化、一体化、数据化以及智能化的目标，同时注重绿色环保和世界范围的发展。我国模具产业发展历程不长，不过得益于上游机械制造等领域的市场拉动，整体进步显著，体量持续扩展。近些年，国内模具设备制造领域发展迅速，市场体量完成从弱到强的跨越式提升，多年稳居全球首位。但是，整体上，国内模具机床行业依旧处在全球产业布局和供应链的次要位置，顶尖产品在市场上的竞争力不强，相关公司为高端专业市场提供配套服务的本领比较差，因此，我国经济关键部门和军事安全核心领域的设备需求依然大量依赖国外，存在被动局面。对用户生产流程的掌握程度不足,以及无法提供完整的产品服务,是模具机床行业长期存在的明显短板,同时也是阻碍我国高端模具及相关产品进入航空航天等高端行业的主要瓶颈。需要强化模具机床行业与客户之间的交流,构建紧密的协作机制,促进双方共同进步。
当下尚无一个高效渠道用于双方交流,所以两个领域必须协力构建沟通桥梁,以此强化彼此沟通,提升模具机床行业为其他产业输送服务的整体效能与品质,推动双方缔结紧密协作伙伴,实现共同进步。
五. 结语
冲压工艺技术是汽车模具制造的关键所在。冲压工艺技术的水平直接关系到模具的设计和制造水平。国内汽车工业持续发展，中国汽车模具行业也在不断前进。国外汽车模具厂的竞争优势将逐渐减弱，最终会越来越认可国内模具。企业唯有不断进行转型升级，才能实现模具产业的壮大和增强。模具行业发展由小到大是一个整体工程，关键要处理好两个要点：首先，要加速改进生产模式，强调品质优势，达成质量与效率并进的目标；其次，要持续推动技术创新，促进产业层次提升，以适应制造业对模具提出的更高标准。
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