精密沖裁技術(簡稱精沖)是一種基于普通沖裁技術發展而來的塑性加工技術，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、斷面質量好的精沖件。精沖技術具有加工效率高、加工周期短、綠色節能等優點，被廣泛應用于汽車行業、航空工業、軍工機械、電氣設備等領域。
本文主要針對精沖技術生產中的實際問題，對精密沖裁技術的研究現狀進行了歸納整理，并對精沖技術的發展趨勢進行了分析與展望。
精沖技術研究現狀
上世紀20 年代德國人Fritz Schiess-Forrer 通過試驗研究發明了精沖方法并獲得精沖技術專利，經過不斷改進工藝方法和模具制造技術，于上世紀50 年代在歐洲進入了實際應用階段。到目前為止全世界精沖機已經突破4500 臺，零件種類接近10000 種。
進入新世紀之后，隨著制造業的不斷發展，零件的技術要求越來越高。為了滿足精沖自動化、智能化、標準化的生產要求，生產出高精度、大尺寸、結構復雜的零件，相關學者對精沖機理、精沖工藝、精沖設備、模具等方面進行了全方面的研究。
精沖機理研究現狀
區別于普通沖壓過程，在精沖過程中材料的橫向流動被齒圈壓板抑制，變形區受到三向壓應力，這使得在精沖接近完成時工件和原材料仍然保持為一個整體。因此，精沖過程中材料變形過程為塑性變形，在分離前基本不產生撕裂。
目前，精沖機理的研究方法主要是有限元分析和試驗手段。研究對象主要針對精沖過程中的材料流動變化和加工效果，分析壓邊力、反壓力、凸凹模間隙等加工參數對不同材料和精沖件質量的影響。有限元模擬技術的發展，為更加深入理解精沖機理提供了條件。通過有限元方法，能夠得到材料及模具中剪切應力和塑性應變的分布，便于建立精沖力、模具和零件的關系。結合試驗，可以對精沖過程進行分析，設定不同的邊界條件，分析不同情況下的材料流動以及應力應變分布。
研究發現，增大壓邊力和反頂力能夠有效提高零件表面質量。改變凸、凹模間隙和圓角半徑主要影響零件剪切面質量。結合有限元方法，對V 形齒圈的角度、高度和位置與工件厚度的對應關系進行研究發現，精沖過程中變形區能夠產生渦旋流動時精沖件質量較好。
目前對于薄板材料的精沖機理理論已經趨近成熟，但是對于一些齒面、厚板等特殊零件結構，仍舊需要進行相關研究。
精沖工藝方法研究現狀
精沖工藝方法的提出主要是因為新的產品要求。面對高要求的零件，舊的精沖工藝不能滿足產品要求，因此需要開發針對性的工藝方法。
閉擠式精沖工藝，利用前期擠壓使材料徑向流動，在沖裁過程前使廢料區受到擠壓變形從而封閉在模具型腔之內。封閉過程會使廢料區預先產生塑性衰竭，導致精沖過程中基本不再產生徑向變形，使變形區處于極大的三向壓應力狀態，提高材料塑性。閉擠式精沖工藝生產的精沖件沒有毛刺，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不足的問題。
精沖技術生產效率高、生產成本低，但是難以完成一些復雜零件的加工，為了解決這一問題，開展了精沖工藝與其他工藝復合的研究。精沖擠壓復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立，不存在相互作用，能夠很好的完成凸臺、沉孔等加工任務。
精沖設備及模具研究現狀
精沖設備是決定精沖能力的重要因素之一，自1956年瑞士Schmid公司制造了第一臺精沖機之后，精沖設備不斷發展進步。我國精沖機通過進口和自主研發相結合，在普通沖壓機上加裝液壓模架進行改造等方式進行開發研制。通過不斷改進，在自動化、大型化上取得了很大進展。
精沖模具是精沖生產中最重要的部分之一，近幾年來針對精沖模具的失效分析和壽命預測做了很多研究。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，精沖模具工作環境惡劣，不可避免的受到磨損，為了延長模具使用周期，開展了一系列相關研究，主要利用有限元模擬等手段，改進模具參數，減少加工過程中的模具損耗。二是提高模具的智能化，通過檢測模具使用過程中的各種參數以及模具工作區的殘留情況，提高模具的耐用性，避免模具意外損壞。三是模具設計制造，針對新的加工工藝，設計面向該工藝的精沖模具，再根據有限元仿真模擬和加工實際效果對模具進行調整和改進。
精沖件產業化生產現狀
自1965 年精沖技術被引進中國以來，我國精沖產業規模不斷擴大，目前國內已有精沖企業70 余家。在材料方面，國內用于精沖的板料主要采用熱軋原料+冷軋、球化退火，能夠生產精沖用鋼的企業眾多，競爭激烈，但鋼材質量上參差不齊。
隨著人力成本增加，精沖生產線的自動化成為精沖行業發展的方向之一。精沖自動化生產線包括自動送料、送料位置檢測、零件檢測、物料管理、模具狀態檢測等部分。目前，自動送料機的研究和應用已經十分成熟，很多國內企業已經能夠獨立制造針對卷料的自動送料機。圖2 所示為北京機電研究所有限公司研制的全自動精沖機。
對于大批量生產的精沖零件來說，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難度，開展了很多精沖零件尺寸形狀視覺檢測的研究。基于精沖件的特征識別與視覺檢測系統，開發了一系列用于檢測零件缺陷的視覺檢測設備，并根據精沖件的毛刺和缺陷特征，表面破損、劃痕、壓痕的圖像特征，開發了相應的圖像缺陷識別、分割與判別方法。
精沖技術發展趨勢
傳統齒圈壓板精沖技術研究已經比較成熟，但為了應對更高的產品質量要求，進行了很多新工藝研發，新工藝和新技術的研究帶來了相應的理論研究需求和設備需求。
⑴智能化精沖生產。人力成本的增加使得精沖產業中對智能化、自動化生產，以及自動化排產的需求更加迫切。
⑵創新精沖技術方法。隨著產品要求的提高，高質量、大尺寸、高精度的復雜零件，對精沖方法和精沖技術提出了更高的要求。
⑶實用的有限元模擬技術。有限元仿真技術給精沖技術研究帶來了很大便利，但對于零件生產而言，精沖件后續的熱處理、表面涂層工藝會嚴重影響零件尺寸，對零件從精沖到后續加工完整流程的仿真過程仍舊需要開展進一步的研究。
智能化精沖生產
精沖生產的自動化已經初見成果，瑞士Feintool公司生產的自動化精沖設備已經能夠完成從上料、精沖到下料的生產過程，我國也自主研制了自動化精沖生產線并投入實際生產。但是根據精沖加工的生產流程，精沖生產線的自動化還需要考慮到生產排產的智能化，在設定生產計劃之后，應當能夠自動對原材料進行出庫管理，以便于精沖加工。在實際生產中，精沖件排產、去毛刺、檢驗等工序目前仍依賴人工操作。
對于去毛刺等工序的自動化研究進展緩慢，大型精沖零件可以采用數控機床沿零件邊緣去除毛刺，但面對小型大批量零件，尚未出現較好的可以替代人工的去毛刺加工方法。
因此，精沖智能化生產主要發展方向是對精沖生產線的整合以及個別工序的自動化研究，通過提高每個工序的自動化水平，完成智能化精沖制造要求。
創新精沖技術方法
自精沖技術出現以來，為了滿足不同的制造需求，發明了很多實用的創新型精沖技術。傳統精沖加工方法只能加工薄板類簡單零件。為了解決厚板的精沖問題，先后出現了對向凹模精沖，往復成形精沖、擠壓精沖等加工方式；為了避免壓邊圈對零件造成影響，研發了平面強力壓板精沖技術；為了能夠減小精沖零件的毛刺高度，形成光潔的沖裁面，開發了負間隙精沖方法。
隨著制造業的發展以及制造要求的復雜化，對精沖生產的要求也越來越高。為了加工一些結構特殊的零件，以及滿足更多的生產需求，創新的精沖方法是未來應當繼續研究的方向之一。
實用的有限元模擬技術
由于精沖模具價格高昂，制作周期漫長，開展精沖試驗研究十分不易。為了研究精沖加工中的各種工藝參數和應力應變情況，有限元模擬技術被大量使用。但有限元模擬技術的研究仍舊停留在對精沖過程中的零件和模具分析上，僅對工藝參數的調整和模具設計起到了幫助。
對于精沖件的生產過程來說，其在精沖工序結束后還需要經歷去毛刺、熱處理以及表面處理等多道后續工序。其中一些工序對精沖件的尺寸和形狀會產生很大影響，某些零件在經過后續工序加工之后尺寸和形狀可能無法滿足圖紙的相關技術要求。
目前，對于整個零件生產周期的模擬研究少之又少。設計開發能夠對精沖件完整生產周期進行計算、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。
結束語
本文從精沖機理、精沖工藝方法、精沖設備及模具、精沖產業化生產等四個方面介紹了精沖技術的研究現狀，根據精沖技術面臨的問題和困難，簡述了當前的解決方案并進行了分析。根據精沖產業生產效率高、生產成本低的技術特點，以及零件愈發復雜的需求狀態，對精沖技術未來的發展趨勢進行了展望，闡述了智能化精沖生產、創新精沖方法、精沖有限元模擬技術的重要性。
