当代汽车和现代模具设计制造技术

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　　当代汽车和现代模具设计制造技术都表明，汽车覆盖件模具的设计制造离不开有效的板成形模拟软件。世界上大的汽车集团，其车身开发与模具制造都要借助于一种或几种板成形模拟软件来提高其成功率和确保模具制造周期，国际上的软件主要有美国eta公司的Dynaform，法国ESI集团的PAM系列软件，德国AutoForm工程股份有限公司的AutoForm，国内有吉林金网格模具工程研究中心的KMAS软件，北航的SheetForm，华中科技大学的Vform等。本文着重探讨AutoForm及其应用。
　　
　　1. 概述：AutoForm与板料成形技术
6 u! i1 |" b+ t9 g9 ]　　AutoForm工程有限公司包括瑞士研发与全球市场中心和德国工业应用与技术支持中心，其研发和应用的阶段主要有：1991年实现自适应精化(adaptive refinement)网格；1992年采用隐式算法(implicit code)并与1993年开发出板成形模拟分析的专用软件；1994年实现对CAD数据的自动网格划分；1995年开始工业应用；1996年实现对CAD数据的自动倒园(automatic filleting)；1997年采用One-step(一步成形)代码实现工艺补充面(addendum)的自动设计；1998年实现压料面(binder)的自动生成；2000年实现快速交互式模具设计。它是专门针对汽车工业和金属成形工业中的板料成形而开发和优化的，用于优化工艺方案和进行复杂型面的模具设计，约90%的全球汽车制造商和100多家全球汽车模具制造商和冲压件供应商都使用它来进行产品开发、工艺规划和模具研发，其目标是解决“零件可制造性(part feasibility)、模具设计(die design)、可视化调试(virtual tryout)”。它将来自世界范围内的许多汽车制造商和供应商的广泛的诀窍和经验融入其中，并采取用户需求驱动的开发策略，以保证提供最新的技术。
　　AutoForm的特点：1)它提供从产品的概念设计直至最后的模具设计的一个完整的解决方案，其主要模块有User-Interface(用户界面)、Automesher(自动网格划分)、Onestep(一步成形)、DieDesigner(模面设计)、Incremental(增量求解)、Trim(切边)、Hydro(液压成形)，支持Windows和Unix操作系统。2)特别适合于复杂的深拉延和拉伸成形模的设计，冲压工艺和模面设计的验证，成形参数的优化，材料与润滑剂消耗的最小化，新板料(如拼焊板、复合板)的评估和优化。3)快速易用、有效、鲁棒(robust)和可靠：最新的隐式增量有限元迭代求解技术不需人工加速模拟过程，与显式算法相比能在更短的时间里得出结果；其增量算法比反向算法有更加精确的结果，且使在FLC-失效分析里非常重要的非线性应变路径变得可行。即使是大型复杂制件，经工业实践证实是可行和可靠的。4)AutoForm带来的竞争优势：因能更快完成求解、友好的用户界面和易于上手、对复杂的工程应用也有可靠的结果等，AutoForm能直接由设计师来完成模拟，不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家，其高质量的结果亦能很快用来评估，在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品开发和模具成本、提高产品质量上效果显著，对冲压成形的评估提供了量的概念，给企业带来明显的竞争优势和市场机遇。
　　
1 |) y6 R: U. C$ s　　2. AutoForm的前处理与后处理
　　从数据输入到后处理结果的输出，AutoForm融合了一个有效开发环境所需的所有模块。其图形用户界面(GUI)经过特殊裁剪更适合于板成形过程，从前处理到后处理的全过程与CAD数据的自动集成，网格的自动自适应划分；所有的技术工艺参数都已设置且易变更，设置的过程易于理解且符合工程实际。
! f3 r* u4 t8 U. N! x" ]　　AutoForm软件与其它CAD软件的数据接口可以通过IGES、VDA等数据标准转换，并实现了与CATIA数据的直接转换。其偏移(offset)功能能很快地从凸模(或凹模)生成凹模(或凸模)；能很方便地定义拉延筋和修边轮廓等功能曲线；复杂形状的落料件和组合毛坯件的自动网格划分；对称件可以1/2描述；能直接地将落料轮廓、拉延筋线和修边轮廓从CAD带入模拟中。这些都大大简化了CAD数据的输入。
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' N9 j2 r; N  l0 R$ h' ^# r) y　　其网格生成器(automesher模块)，网格自适应功能非常强，可以将IGES和VDA曲面转化成AutoForm能够识别的文件格式，在定义网格大小、最大表面误差值后能很快完成高度复杂自由几何曲面的自动网格划分。对CAD数据进行尖角圆整(自动倒圆)，即在划分网格后检查工具几何模型的自由边界、棱边和内凹面，无须人工干预及修改即可对棱边倒圆，在尖角处自动产生指定半径倒圆，效率高。由于软件接触算法的特点，对工具采用曲面片(facet)离散，对毛坯采用网格单元剖分，自动检查孔、尖角和根切截面，因而可大量节省有限元模型前处理的时间。AutoForm能根据计算的需要自动重新定义网格，生成成形件的适应性有限元网格，采用的标准是几何和应变梯度。AutoForm的自适应网格划分产生非常精确的几何分辨率和准确的结果。
# n2 j9 C  U7 x- {2 U　　AutoForm对模拟结果融合了许多有效和宜人的解释：1)可以实时地观测计算结果，以便在计算初始阶段即可发现模型设置方面的错误，避免浪费时间。2)可观测应力、应变和厚度分布、材料流动状况，可计算工具应力、冲压力，可实现材料标记、法向位移的标识，可生成对破裂、起皱和回弹失效进行判定的成形质量图以及成形极限图(在成形极限图上可标识变形临界区域、标识某一单元的应变路径)。3)还可进行一些特殊评估：几何体和结果的截面显示；FLC失效分析；状态改动后的后期显示；回弹评估用的实际模型定位。
9 H9 d( A, a9 p, O$ g2 F　　图形显示支持OpenGL图形标准，能真实上色，能显示几何体的阴影图及伴有选定结果变量后的彩色分布图，动画能力和阴影图的实时旋转使后处理变得更容易并使用户分析结果更方便快捷，弹击鼠标可显示零件的有关数据，数据结果的输出等。
　　动态剪辑(dynamic clipping)和动态截面(dynamic section)：用户界面的动态剪辑和动态截面支持板料和模具接触面间的准确评估，而且模具闭合时板料的成形状态能很方便地观看和理解，这利于确认模具何形状的任何改变后材料的流动和板料成形情况。
  D! r& R3 r3 X" x# A　　滑动线和冲击线(skid and impact lines)的评价：通过在模具表面上定义滑动线和冲击线来评估它们在板料上的运动情形及其对制件质量的影响，并能自动确定板料和这些线的接触情形以及接触区域内材料的流动轨迹。
　　
/ z5 W8 @! T* I* ^+ ~! ^5 n　　3. Autoform-DieDesignerTM ：快速模面设计及其优化的模块
　　传统的CAD系统采用人工方法来生成压料面和工艺补充面，费时费事。DieDesigner是AutoForm的一个有重要功能模块，它是和BMW和Audi联合开发并得到来自DaimlerChrysler和GM的技术反馈，是专为汽车模具设计师、工艺工程师和模具制作人员而开发的，可以快速实现基于用户控制的压料面和工艺补充面的参数化设计和修改。由于很快自动生成压料面和工艺补充面的一次概念设计，并显示出整个模面形状，模具工程师可在短时间内生成若干个拉延方案并进行其模拟，以判定最优设计，从而显著减少模具开发时间；同时，考虑压料面和工艺补充面，工艺工程师也能大大增加零件可制造性的评估精度。它包含了许多特别适合汽车工业的专用特征。
　　从零件的CAD表面数据(IGES或VDA)开始，首先用AutoForm-Automesher对零件进行自动网格划分，自动填充零件几何体中的孔洞和间隙，并通过几何图形或交互式地改变表面轮廓，用户可以对制件和工艺方案(run-off)进行便捷的修改。基于用户指定的半径或变半径，零件的尖边缘自动倒圆，对零件的这种修改有利于改进拉延效果，对提高冲压可成形性通常也是极为重要的。
, ]3 V: [! j( o5 P3 \$ l. V　　自动旋转制件几何体形成拉延方向(automatic tipping)：可根据拉延深度优选最好的拉延冲压方向，显示冲压质量差(backdraft)和危险的区域，避免制件无法冲压(undercut)和平衡变形，这对确定优化的冲压方向角(Tip angle)是重要的。转换矩阵可以通过 IGES或VDAFS将冲压方向转换输入CAD，优选过程简便、直观。

  H8 F" p5 L% G  D　　快速自动生成压料面(binder)和工艺补充面(addendum)：精确的曲面轮廓方法与模具工程实际相结合根据制件数据生成压料面，并且允许用户修改局部表面轮廓或按准确的尺寸设计。对于产品设计师，这使得在产品开发的早期就可以进行增量模拟，从而增加了产品成形性评估的准确度；对于模具设计师，它是产生初始压料面的一个有效模块，生成的压料面可以还通过 IGES或VDAFS转换输入CAD做进一步修改用。在此基础上可以实现用户控制的参数化的工艺补充部分自动生成。整个过程充分体现出用户控制、全自动和全参数化的特征。用户可以通过修改工艺补充面轮廓和相应的模面细节，如生成的拉延包(drawbar)太高导致过度拉长和破裂等，可通过降低拉延坎高度、加大圆角半径，来达到良好的拉延成形效果。基于轮廓的压料面设计，使用2D模拟预优化工艺补充面轮廓，拉延深度显示等，这对优化初始凸模接触(initial punch contact)是很重要的。
　　与AutoForm-Onestep，AutoForm-Incremental和AutoForm-Optimizer的完全集成，在模面设计中生成的压料面、工艺补充面和制件几何体三部分，能很容易地转换进入并完全自动地生成相应的模具并设置出工艺步骤，从而立即由AutoForm-Onestep和AutoForm-Incremental模块进行试模。由于全参数化，用户的修改可以迅速完成，且AutoForm-OneStep和AutoForm-Incremental进行虚拟试模的模具可自动更新。基于2D模拟，模具不同区域和不同截面上的临界应变(critical strains)和滑移/冲击线的评估，这对模具设计过程早期评估工艺补充面特别有用。
8 Q* Z  r' y! P; |　　为进一步改进模面设计，DieDesigner包含一个完全集成的模块AutoForm-Optimizer(优化模块)，它无缝集成于AutoForm-User-Interface，可与AutoForm-OneStep和AutoForm-Incremental同步使用；它基于进化(Evolution)策略，通过多次模拟能优化模面和冲压过程方案，从而判定和确认优化的模面形状(制件和工艺补充面的圆角半径，拉延包高度，凸模拔模角，储料包(over-crown)等，拉延半径、拉延筋)和冲压过程参数(压料力，拉延筋强度和等效拉延筋阻力，坯料的轮廓，模具型面几何参数等，摩擦条件和润滑，平衡块(spacer)和工艺切口(relief cuts)等工艺条件的设置等)。如对某行李箱盖(deck-lid)，目标是在行李箱盖内部区域中获得足够的伸长变形，使用AutoForm-Optimizer进行优化的对象是拉延包高度和拉延筋阻力强度，通过多次反复试模，就可以使大面积的不充分伸长变形优化为充分伸长变形。
( {* z3 r2 j3 F& c4 e/ `7 F　　DieDesigner的特点：1)能实现增强几何成形性的评价，不同模具概念设计的快速生成和优化。2)实有直觉的模面生成，易用；全参数化，快捷。3)与Onestep和Incremental求解的完全集成。4)完整：自动变半径倒园，优化的拔模角，自动充填表孔洞/边界区域，自动和交互式的压料面生成，通过2D模拟完成工艺补充轮廓的前优化处理，自动和交互式的工艺补充部分生成。
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) a" z, P+ @! O9 l0 z　　4. AutoformTM板成形软件：一个完整的解决方案
' |1 e' i/ W( \- A　　4.1 AutoForm-Onestep：评估零件的可制造性
　　Onestep采用仅基于产品的一步成形算法(Onestep Codes)，目标是对产品进行反复优化(Iterative Product Optimization)的多次模拟。首先输入零件的CAD数据，并进行孔洞和间隙填充以及棱边的倒圆处理，进行一些工艺参数设置，可很快得到最小毛坯形状、裂纹和皱纹等成形缺陷，FLD，反映伸长量和厚度变化等质量目标的成形结果。它讨论产品可制造性、可以实现毛坯反算，并对零件的可制造性快速评价。
　　

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4.2 AutoForm-Onestep/Binder：拉延件的成形性快速评估
　　它采用基于拉延件的一步成形算法(One-Step Codes with Binder/Addendum)，目标是对模具和工艺方案进行反复优化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模拟，讨论模具的概念设计(Tooling Concepts)。即为增加成形性评价结果的精确性，可继续输入凸模入口线(Punch-opening line)和翻边线，并考虑生成一个模面，通过考虑工艺补充部分的重要的限流效果(Restraining Effect)，来增加结果精度。而且通过生成整副模具和完成增量模拟所需的输入，就可从Onestep过渡到Incremental来更全面检查拉延成形障碍(breakdown)。它可解决在产品设计阶段的早期成形性评价和不同模具概念设计方案的评估；易用，快捷，准确。
0 h/ X/ H3 V# M7 m　　4.3 Incremental与可视化调试
) j$ c+ y2 B5 N9 a　　AutoForm-Incremental采用基于拉延件的增量算法(Incremental Codes)，目标是对模具和工艺方案进行反复优化(Iterative Tool and Process Optimization)的多次模拟或为了确认模具和工艺方案而进行的有选择性的模拟(Selective Simulations for Tool and Process Validation)，全面讨论模具和工艺设计。
/ D4 A5 L, [& \* V　　它使用许多现代模拟技术，如应用新的隐式有限元算法保证求解的迭代收敛；弯曲效应的考虑利于求解回弹；采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强有力接触算法、数值控制参数的自动决定和使用精确的全量拉格朗日理论(total-Lagrange theory)等保证求解快而且准确。采用新的切割算法(New Cutting Algorithm)来增加精度，可以确定任意一个非Z方向为修边线的工作方向，这就允许了斜楔修边和冲孔操作的模拟；它也可以在冲切线周围对板料网格再划分，所以非常小的孔也可以精确切出。此外也可以算出考虑板厚、材料硬化和修切线长度后所需要的冲裁力。
! X& |, N2 n6 m4 A9 Z8 A3 O　　它同时融于了许多工程应用技术，如务实的工艺阶段转化，压料圈压紧后工件状态的决定，基于前述结果的后续运算(继续开始)，成形过程中的工艺切口，切边操作，最终制件的回弹计算；可用任意数值的力和位移控制工具，工具的摩擦，采用位置相关(position-dependent)和压边力适时变化的压料圈，考虑了拉延筋和平衡块(spacers)的模具模型，考虑了加工硬化和应变率效应(strain-rate effect)的各向异性材料模型；等效拉延筋阻力模型可以考虑板料经过拉延筋时的弯曲、反弯曲效应，拉延筋的几何模型考虑了其压入深度；具有包括美国、日本及欧洲的上百种材料的广泛的材料数据库，该软件的材料参数库开放性强，可以自行建立适应用户需要的参数库。
　　它可以模拟整个冲压过程：板料的重力效应(gravity effect，这对由于板料重量而下垂或变形的大型零件是非常重要的)，压料圈成形(binder wrap)，拉延成形。压料面和凸模的几何形状有时会在拉延的初始阶段诱发大型皱纹的扩展，AutoForm可模拟压料圈下的皱纹以及拉延过程中这些皱纹的变化，虽然这些皱纹一般都随着拉延的进行而消失。而且，在定义毛坯材料及性质的同时，可以定义工艺切口和工艺孔。在模拟多步冲压成形时，也可以加入切边或冲孔工序，以及确定整形前的切边线。
　　Autoform-Incremental(增量求解)：1)可解决：模具设计的快速调试；确定工艺参数和工艺过程局部窗口；模具和工艺优化。2)易用，快捷，对大多数零件得到结果不超过3小时。3)准确：预测起皱、破裂、表面质量、冲击和滑移线，小的几何细节，最小元素尺寸小于1mm。4)详细的表面成形质量，如破裂、变薄、伸长、起皱等，成形极限图FLD、材料流入量、滑移和冲击线、成形力等。5)完整：重力、压边、拉延、切边、整形、回弹，全工序成形。6)拼合板和复合板的模拟：可以定义一个不同材料和/或厚度的裁剪拼合毛坯作为AutoForm-Incremental模拟的板坯，板坯上的焊缝也可以相互交叉，这在开发新型汽车中以优化重量和性能是非常重要的。7)可按用户指定的有限元网格自动映射Autoform模拟结果，供碰撞(crash)、结构(structural)、疲劳(fatigue)和振动(vibration)等分析用。

9 c, M# J5 ]+ d) ?3 ]9 V( Y　　5. 结论
　　我厂从2001年5月开始探讨AutoForm在解决汽车覆盖件模具制造中的应用，经过各个阶段的重点攻关，通过研究、引进、消化、吸收和应用，实现了：
4 I6 R6 o" J3 ^  ?# g　　1. 对汽车冲压零件产品的可冲压成形性进行分析，判定零件冲压成形的难点和关键区域，进而实现冲压工艺和汽车零件设计的互动；
　　2. 对汽车冲压零件产品实现毛坯展开计算；
　　3. 对模具和工艺方案的确认进行有选择性和针对性的模拟分析，给模具调试提供量化的分析判断数据，对可进行的模具调试方案进行判别，并对可行的调试方案提供具体技术参数；
　　4. 对模具和工艺方案进行反复优化的多次模拟，用先于现场模具调试的模具CAE技术，对拉延模具设计的可行性和可靠性进行量化的分析和判断，对有欠缺的设计提出优化改进方案。
　　为实现上述阶段性目标，按计划进行了各个阶段的重点攻关：
　　1. 前期调研、考察与论证，目标是进行汽车覆盖件板成形数值模拟的关键技术及其处理方法的研究；
* Q; i( c9 _0 J  E　　2. 技术引进方案的比较、分析和论证与判定，目标是进行汽车覆盖件板成形数值模拟工程应用相关技术的研究，进行工程试应用，并确定应用领域和技术难点；
9 Z. }5 {; t/ l* W8 G5 ?" V　　3. 解决模具调试问题，提供调试方案，难点是数值分析的可用手段和模拟精度，即软件功能的研发与应用，冲压材料的性能参数分析与总结，现场实际冲压工艺条件的分析与总结，最终实现与现场一样多或更多的可用试模手段和达到较高的工程化应用精度；
　　4. 解决拉延模具设计的可行性和可靠性问题，提供优化改进方案，难点是数值模拟分析的精度和速度，以及优化改进方案的提出，提高工程化应用水平；
/ [# j, n% E( M　　5. 模具设计前的工程应用，对产品的可冲压成形性的分析，成形模具的零件毛坯展开计算。

   中国锻压协会秘书长  张金
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　　  冲压行业是一个涉及领域极其广泛的行业，深入到制造业的方方面面，在国外将冲压称为板材成形。在我国也有这样称呼的。中国的冲压行业是个什么样子的，国外如何，我们如何走，这是我们大家关心国家关心的问题。老实讲，要弄清这几个问题绝非易事，我就在这里简单地谈一点个人看法。
) ]+ n; s7 Q6 t( _　　  首先冲压的大力发展应归功于汽车、飞机及日用品的发展。冲压可分为：
) k  P1 N. E$ v* n' p( w5 O　　   （1）汽车行业的冲压，以拉深为主。在我国这部份主要集中在汽车厂、拖拉机厂、飞机制造厂等大厂，独立的大型冲压拉深厂还不多见。
. Y* Q4 q, I7 \6 M, [: V) Q　　   （2）汽车等行业零部件类冲压。主要是冲剪成形。这部分的企业有许多都归在标准件厂，也有一些独立的冲压厂，目前一些汽车厂或拖拉机厂的周围都有许多这样的小厂。
　　   （3）电器件冲压厂，这类厂是一个新的产业，随着电器的发展而发展起来，这部分厂主要集中在南方。
　　   （4）生活日用品冲压厂，做一些工艺品，餐具等，这些厂近几年也有大的发展。
　　   （5）家用电器部件冲压厂，这些厂都是在我国家用电器发展起来后才出现的，大部分分布在家电企业内。
, x6 l, e+ ~2 O3 a5 b' L  Q6 y　　   （6）特种冲压企业，如航空件的冲压等就属于这类企业，但这些工艺厂也都归在一些大厂。

6 O# O% Y, \5 [3 [7 L+ B# M% ~- [　　   目前国内专业从事冲压的大型企业很少，如果有也是一些小厂。主要特征是零部件或部件厂。这是冲压行业的主要特征。不同于其它毛坯制造厂。
　　   我国冲压的市场及技术水平如何呢？
　　   由于许多冲压厂都归属于主机厂，因此，冲压件市场是很不完善和健全的。但小型冲压件部件市场在南方一些地区非常成熟。从目前情况看，我国冲压件市场存在下列问题：
　　   （1）一些生产能力供过于求，一些主机厂内的冲压厂，放了不行，拿着不能。一年大部分时间生产任务不足，无市场行为。
　　   （2）家电、电器冲压件行业市场竞争激烈。但成气候的有国际竞争力的企业不多。
) U' H6 [! [# l% A7 A( b　　   （3）认真研究冲压件市场的事无人进行。冲压件市场杂乱无章。
/ o! A0 ~4 y# V9 K4 L9 t5 ?2 Y+ X　　处于上述市场状况，技术发展受到限制，整个行业也落后，表现在：
　　   （1）总体水平低，许多行业生产能力过剩，缺少高档次技术。技术进步缓慢。
　　   （2）材料技术、模具技术、润滑技术和设备水平都处于较低水平，远远不能满足国内生产发展的需要。
　　目前，随着汽车工业发展，整体工业水平的提高，冲压行业也面临许多挑战。它们是：
　　   （1）汽车、飞机发展和环保要求的提高，对冲压带来了压力。产品集约化生产、个性化发展、节能性要求、环保性要求，将促使冲压行业出现新一轮的技术革新和改造。
　　   （2）仿真技术的发展和应用是冲压发展必须借助的手段。
0 z! ]! y! T9 v& t　　   （3）自动化和灵活性要求是冲压发展必须考虑的因素。
! r5 }; c5 T* Q. `6 \　　   （4）复合材料应用将推动冲压向前进步。
& o$ ^' y5 E) C5 [　　   （5）新工艺的出现带动行业进步，这些新工艺是：
$ c3 @/ m8 J3 z" |0 F　　       A、 复合材料成形工艺；
: e" @8 n; ?# D( C/ c　　       B、 多种厚度激光拼焊板坯的冲压技术；
　　       C、 内高压胀管技术；
　　       D、 轻合金成型技术；
& _9 t, z' l+ [. X, z" w, I　　       E、 数字化成型技术。
　　针对以上技术发展压力，冲压技术发展的特征将表现在：
1 N1 _2 n4 b0 q9 S4 E' w; @　　   （1）突出“精、省和净”
　　   （2）冲压成型更加“科学化、数字化和可控化”
　　   （3）冲压成型可以实现全过程控制
2 o6 W: O& {" N/ R* D9 _　　   （4）产品从设计开始即进入控制，考虑工艺
8 i# _; i' W/ x4 K8 D　　   （5）冲压生产的灵活性和柔性
1 @  X, I0 a7 u: y9 d0 [　　   （6）复合技术的应用
　　
　　就以上情况，我们的企业在未来要注意以下几点：
* l! c! L' m* s: p, ]　　（1）电子技术从设计走向商务，电子商务带来了买方拍卖，加大了行业的竞争难度。
　　（2）立志参与市场竞争的企业，必须发展产品专业化生产。
　　（3）冲压部件厂将参与主机厂主机的设计，功能化供货。
　　（4）人才是企业争夺的焦点，人员再教育和网络教育日常进行显得越来越重要。
　　（5）冲压件批量和成本的矛盾日益尖锐。全球平台式生产会进入冲压行业。
# T/ y! ^7 R/ I. ~* m% x9 a% o　　（6）供应商-冲压厂，冲压厂-用户之间的合作越来越重要，在整个工业中，冲压与锻造一样是一个弱小行业，只有团结才能适应变化。
　　（7）冲压行业的投资将越来越大，而更新将越来越快。
0 U, g7 F9 l* @  A0 c, B　　（8）冲压的关键在模具，冲压模具的发展至关重要。

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有使用的吗，能不能将后处理做一个专题提出了，好让大家学习学习哈
或者有后处理的使用资料吗，一起提出了