第1章绪论
1.1精冲与复合精冲基本原理
精冲是在普通冲压基础上形成的一种冲压落料工艺。其基本成形原理如图1-1所示。精冲模具由压边圈、凸模、凹模、反顶杆组成。在精冲过程中，压边圈首先以压边力压紧坯料。然后，凸模开始往下挤压坯料，同时反顶杆以一定的反顶力顶住工件与凸模同步往下运动。因此，在冲压力Fp、压边力Fbh和反顶力Fcp的共同作用下，变形区的材料处于三向静水压应力状态，发生纯剪切塑性变形[1]。通过一次精冲成形即可获得高尺寸精度与高断面质量的精冲件。
图1-1精冲基本成形原理
精冲技术诞生于20世纪20年代。1922年4月9日，德国的Schiess申请了“金属零件液压冲压装置”的德国专利证书，并于次年3月9日取得精冲技术的专利权[2]。1924年，Schiess在瑞士建立世界上第一个精冲工厂，并在1925年生产了世界上第一个精冲零件。1957年，瑞士Heinrich-Schmid公司制造出世界上第一台精冲压力机，采用肘杆式机械传动结构。随后，该公司生产了第一台全液压三动精冲压力机。
精冲技术的发展可分为三个阶段：第一阶段是秘密期，1923～1956年，精冲技术主要用于钟表、打字机、纺织机械等工业领域；第二阶段是普及期，1957～1979年，此时精冲技术主要用在机械、仪器仪表、照相机、电子、小五金、家电等工业领域；第三阶段是发展期，从1980年至今，精冲技术进入汽车、摩托车和计算机等工业领域，得到全面发展。尤其是在汽车领域，据不完全统计，在汽车的整车零件中，精冲件约占冲压件的25%，包括刹车蹄片、电机凸轮轴齿轮、棘轮、扇形齿板、座椅调角器、拨叉等。
随着中厚板类结构件的应用领域越来越广泛，其形状越来越复杂，承担的功能要求也越来越多[3]。精冲工艺与其他的板料体积成形工艺，如挤压、镦粗、冷锻、拉深、弯曲、翻边等相结合成为复合精冲成形技术，可以将精冲落料获得的二维平面件提升到具有复杂形状的三维立体件[4-6]。通过复合精冲工艺，可以进一步拓展精冲技术的应用范围。典型的复合精冲中厚板结构件如图1-2所示。
图1-2典型的复合精冲中厚板结构件
复合精冲成形三维复杂形状中厚板结构件逐步取代了普通冲压落料后再进行焊接、机加工的传统制造工艺，具有生产效率高、产品尺寸精度高且一致性好、材料利用率高、零件塑性成形流线保留完整性好等优点。以汽车变速器换挡拨叉结构件为例，传统拨叉大部分采用铸造工艺制造，随着复合精冲技术的发展，开始逐步替代传统工艺。目前的变速器换挡拨叉总成基本采用复合精冲技术生产制造。以大众系汽车为例，从02K手动变速箱拨叉、MQ200和MQ250手动变速箱拨叉，到DQ250双离合自动变速箱拨叉，均采用复合精冲件组装而成。复合精冲制造的MQ200和MQ250变速箱换挡拨叉总成如图1-3所示。
图1-3复合精冲制造的MQ200和MQ250变速箱换挡拨叉总成
复合精冲是采用板料体积成形工艺获得零件的结构特征，采用精冲工艺实现落料。板料体积成形与精冲落料有三种组合方式，即先体积成形，然后横向级进到下一个工步进行精冲落料；体积成形与精冲落料在同一个工步同时进行；先精冲落料，然后通过模具旋转或者机械手将零件移动到各体积成形工步实现条料外体积成形。
1.2精冲产业发展现状
中国精冲技术经历了50多年的发展，取得了快速的进步。尤其是近10年，中国汽车市场的飞速发展带动了整个行业的腾飞，越来越多的企业和人才投身到精冲行业。精冲件原材料和精冲模具原材料供应、精冲装备制造、产品工艺开发、模具设计制造、开卷校平设备、精冲润滑油、去毛刺设备等企业都得到发展和完善，形成了完整的精冲产业链。
据统计，截至2018年底，国内有精冲企业约130余家，分布在19个省市，主要集中在湖北、江苏、浙江、广东、山东、河北等地。初步统计，这些精冲企业拥有各类精冲机300～400台。随着中厚板零部件的加工精度、性能和成本的要求越来越高，许多中厚板结构件生产逐步从普通冲压生产技术转变为复合精冲技术。诸多普通冲压企业也逐步新增精冲生产线。未来中国精冲市场至少还需要600多条精冲生产线才能满足市场对精冲件的需求。目前，90%左右的精冲件供汽车行业使用。未来，精冲件的种类和应用领域将更加的多元化，如高铁、航空发动机、核电、石油化工、武器装备、纺织机械、电动工具等，都给精冲市场提供了更多的可能性。
1.3复合精冲技术发展趋势
复合精冲成形技术的应用较为广泛，但是随着零部件轻量化的要求越来越高，以及绿色制造和智能制造的发展要求，复合精冲技术发展面临着新的挑战[7]。其发展趋势主要包括以下几个方面。
(1)高强度轻量化材料的复合精冲技术。基于零部件轻量化设计制造要求，高强度轻量化材料的应用急剧增加，如高强钢、高强度铝合金、钛合金等。受限于精冲变形机理，精冲材料需要具有良好的塑性，目前精冲材料主要是中低强度的碳钢或合金钢。因此，亟须对高强度轻量化材料的复合精冲成形理论与技术开展研究。
(2)高速复合精冲成形技术。随着复合精冲在工业领域的广泛应用，复合精冲件的需求越来越大。根据中国锻压协会2016年精冲行业分析报告，中国复合精冲结构件年需求量约50亿件，而国内每年仅能生产10亿～15亿件，远不能满足市场需求。因此，必须进一步提高生产效率，开发高速复合精冲成形技术。目前复合精冲的生产效率一般为25～40件/min，对于某些合适的零件，精冲效率有望提高到100～200件/min，因此迫切需要攻克机械伺服的高速复合精冲成形工艺和装备技术。
(3)长寿命复合精冲模具技术。复合精冲模具的寿命决定复合精冲工艺的生产效率和经济性。随着复合精冲材料强度的提高、零件厚度的增加，以及复合精冲频次的提高，对模具寿命提出了严峻挑战。因此，需要开发新的复合精冲模具设计技术，以及新的涂层技术，使其具有更高的硬度、更好的耐磨性和更好的韧性[8-10]。另外，为了提高复合精冲模具设计制作效率，复合精冲模具还需要尽快制定国家或者行业标准，形成复合精冲模具的标准化，从而实现复合精冲模具的智能设计，即通过输入零件图形，就能完成复合精冲模具的设计。
(4)节能高效复合精冲装备技术。目前，复合精冲装备主要为液压式，即主冲压力、压边力和反顶力全为液压驱动。液压驱动的能量利用率非常低(约7%～15%)，为了实现节能减排，需要开发新的伺服电机液压驱动，或者液压直驱等液压系统设计技术[11]。另外，为了满足复杂形状的中厚板结构件复合精冲，精冲装备还需要尽可能地提供力源，如第4、5力，甚至第6、7力。同时，为了实现高速精冲，还需要开发主冲压力为机械伺服驱动的高速精冲机设计制造技术。
参考文献
第2章静水压应力增塑复合成形理论
2.1增塑成形概述
塑性成形是通过模具和设备对材料施加力场或再辅以温度等外场，利用塑性使其成形，获得形状、尺寸和力学性能满足要求的零部件制造技术。塑性是指材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。当材料塑性不足时，其在成形的过程中就易产生损伤、破裂等缺陷，因此需要尽量提高其变形能力。
对于提高材料塑性，首先要保证原材料的质量，如提高材料成分的均匀性、消除原材料内部的缺陷、细化材料晶粒的尺寸，并尽量提高组织的均匀性等[1]。另外，还可以通过改变塑性成形工艺条件来提升材料的塑性。具体措施如下。
1)设置合理的变形温度
从总体上来说，在塑性变形过程中，随着温度的升高，塑性增加。但是，这种增加并非简单的线性上升。在加热过程的某些温度区间，材料内部往往由于相态或晶粒边界状态的变化而出现脆性区，使金属的塑性降低。以普通碳钢为例，在温度升高的过程中可能出低温的蓝脆区、中温热脆区和高温脆区等。因此，在工艺设计时，需要避开这些脆性变形区。
2)选取适宜的应变速率
一般情况下，随着应变速率的降低，材料塑性增强。因此，对于高强度低塑性难变形材料，需要尽量降低应变速率，如TC4钛合金冷轧板材，在830℃和0.001s.1条件下，伸长率达到1259.0%[2]。但是，在极高的应变速率下，材料的塑性变形能力会大为提高，如爆炸成形等。
3)外场辅助变形
超声波辅助塑性成形是一种典型的外场辅助塑性成形工艺。其基本原理是将高强度超声波输入模具中，在模具表面产生振幅为a的高频周期振动位移。因此，在成形过程中，模具与工件之间由于振动而产生瞬间分离，使工件产生强烈的体积效应和表面效应。其作用主要体现在以下方面[3-8]。
(1)静应力的叠加和温度效应的影响使坯料的流变应力减小。
(2)摩擦力矢量反向使振动周期部分时间的摩擦力有利于变形加工。
(3)局部热效应的作用使局部粘焊现象减少。
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