沖頭形狀對(duì)液壓沖孔塌陷的影響

齊延兵，林俊峰，蘇海波，陳新平，劉 鋼

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001;2.寶鋼股份研究院(技術(shù)中心)，上海201900)

為滿足輕量化的需求，液壓成形工藝被越來(lái)越多的用來(lái)生產(chǎn)空心結(jié)構(gòu)管類零件，該工藝成形的零件具有節(jié)省材料、降低成本、性能好等優(yōu)點(diǎn)［1］.近10年來(lái)，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外汽車制造領(lǐng)域得到普遍推廣和應(yīng)用，大力促進(jìn)了汽車輕量化進(jìn)程［2-3］.隨著液壓成形零件的大量使用，零件上孔的加工方式越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，由于液壓成形零件多使用管材，而管件上孔的加工工藝通常采用專用的金屬?zèng)_孔模具在獨(dú)立設(shè)備上進(jìn)行，生產(chǎn)效率低，孔的周圍存在較為嚴(yán)重的塌陷，產(chǎn)品質(zhì)量差.目前，普遍采用激光切割方法進(jìn)行加工，雖然能夠保證良好的加工質(zhì)量，但設(shè)備投資昂貴，不利于降低成本［4-7］.

管材液壓沖孔是在液壓成形技術(shù)日趨成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型沖裁技術(shù)［8-9］.在整個(gè)沖孔過(guò)程中用管內(nèi)液體高壓取代傳統(tǒng)凹模，這對(duì)于解決由于內(nèi)部尺寸過(guò)小，或軸線為曲線而導(dǎo)致內(nèi)部不能安放凹模的內(nèi)高壓成形件的加工具有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)降低零件生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率具有重要作用［9-10］.研究發(fā)現(xiàn)，液壓沖孔時(shí)由于采用高壓液體替代了剛性凹模，易發(fā)生孔周的塌陷［11-12］，塌陷不僅影響零件外觀，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響零件截面的形狀尺寸精度、孔口橢圓度，從而導(dǎo)致不合格品［13-14］.塌陷深度與內(nèi)壓、沖頭形狀、管材性能均有重要的關(guān)系，已有關(guān)于內(nèi)壓對(duì)塌陷影響的研究報(bào)道，指出內(nèi)壓越高，塌陷越?。?5］，但如果為了減小塌陷提高內(nèi)壓，一方面導(dǎo)致液壓沖孔的初始條件較為苛刻，另一方面導(dǎo)致沖孔力增大，對(duì)沖孔缸噸位要求高，且沖孔時(shí)沖頭受力大，影響沖頭壽命.

本文利用研制的液壓沖孔裝置，設(shè)計(jì)了7種不同形狀的沖頭進(jìn)行液壓沖孔實(shí)驗(yàn)，分析不同沖頭形狀對(duì)液壓沖孔塌陷的影響，分別從塌陷深度變化及不同形狀沖頭的保壓狀況進(jìn)行分析，提出了減小塌陷深度的措施.

1 液壓沖孔裝置和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 液壓沖孔裝置

液壓沖孔原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D2所示.在液壓沖孔過(guò)程中，首先將圓形管材在模具中壓成方形管，在兩端錐形密封沖頭的密封作用下，向管內(nèi)打入高壓液體，管料在內(nèi)壓的作用下，進(jìn)一步脹形貼模，之后，沖頭緊貼管壁，保持管內(nèi)的高壓液體，沖頭開(kāi)始進(jìn)給，管壁材料在沖頭和管內(nèi)高壓液體的共同作用下發(fā)生變形，直至斷裂分離，沖出要求的孔.圖3為采用外徑為Ф76 mm，壁厚2.5 mm的20#鋼管完成沖孔后的管件.

圖1 液壓沖孔工藝原理

圖2 液壓沖孔裝置

1.2 不同形狀沖頭

為研究不同沖頭形狀對(duì)液壓沖孔塌陷的影響，設(shè)計(jì)了7種不同形狀的沖頭，沖頭均為Ф10 mm的圓形沖頭，分別是:1)端面為平面，無(wú)圓角;2)端面有斜度(與平端面的夾角)，斜度分別為 5°、10°、15°，無(wú)圓角;3)端面為平面，端面圓角分別為R=0.5、1.0、1.5 mm，其示意圖如圖4所示，圖5為不同端面形狀沖頭的照片.

圖3 液壓沖孔管件

圖4 不同端面形狀沖頭示意圖

圖5 不同端面形狀沖頭照片

2 沖頭形狀對(duì)沖孔塌陷的影響分析

為了研究在不同內(nèi)壓下不同形狀沖頭對(duì)塌陷的影響，本實(shí)驗(yàn)分別在80、100、120、150 MPa的4種內(nèi)壓下進(jìn)行.對(duì)沖孔后零件表面塌陷大小進(jìn)行分析，這里塌陷大小用塌陷深度衡量，值取斷口處最下端距管材上平面的距離，如圖6所示，L1為塌陷深度.

圖6 塌陷深度示意

2.1 液壓沖孔受力分析

液壓沖孔過(guò)程中，由于管材彎曲的影響，其變形區(qū)受力及應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，且與變形的過(guò)程有關(guān)，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的分布直接影響裂紋的形成及擴(kuò)展、剪切斷裂過(guò)程和沖孔力等.圖7為液壓沖孔過(guò)程的受力分析.

圖7 液壓沖孔受力分析

圖7中:F1為沖頭對(duì)管材的豎直作用力;F2為沖頭對(duì)管材的側(cè)壓力;μF1為沖頭端面與管材的摩擦力;P為管內(nèi)液體對(duì)管材的壓力.在斷裂面上取4點(diǎn)分析其應(yīng)力狀態(tài):A點(diǎn)軸向沖頭下壓引起拉應(yīng)力，徑向?yàn)楣懿膹澢c沖頭側(cè)壓力引起壓應(yīng)力，切向應(yīng)力為上兩力的合成力;B點(diǎn)為沖頭下壓及管材彎曲引起的三向壓應(yīng)力;C點(diǎn)軸向?yàn)楣懿睦飚a(chǎn)生的拉應(yīng)力，徑向和切向均為壓應(yīng)力;D點(diǎn)軸向管材受壓產(chǎn)生壓應(yīng)力，徑向由管材彎曲引起的拉應(yīng)力，切向?yàn)閴簯?yīng)力.

由受力分析將材料變形過(guò)程分為3個(gè)階段來(lái)分析塌陷的情況:1)為彈性變形階段，在F1作用下，材料產(chǎn)生彈性彎曲，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生塑性變形，且伴有纖維的彎曲和拉伸，切口表面形成塌角和光亮帶;2)為塑性變形階段，F(xiàn)1不斷增大，沖頭刃口壓入材料，切口表面光亮帶增大，當(dāng)沖頭進(jìn)一步前進(jìn)，與內(nèi)壓相接觸的、沖頭下方的材料首先出現(xiàn)微裂紋，塑性變形階段結(jié)束;3)為斷裂分離階段，沖頭不繼續(xù)前進(jìn)，此時(shí)管壁厚度越來(lái)越薄，作用在沖頭上的抗力也逐漸減小，隨著切入材料深度的增加，裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展直到斷裂分離.

2.2 沖頭圓角對(duì)塌陷的影響

由圖8可以看出，3種不同圓角沖頭沖孔均表現(xiàn)出塌陷隨著內(nèi)壓的升高而減小的趨勢(shì)，由最大的塌陷深度2 mm左右減小到最小的1 mm，采用無(wú)圓角的平?jīng)_頭，其塌陷深度(H)始終小于有圓角的沖頭，尤其在內(nèi)壓較低時(shí)表現(xiàn)突出，在內(nèi)壓(P)80 MPa時(shí)，平?jīng)_頭的塌陷深度僅1.6 mm，其他沖頭則均在2 mm左右.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)壓較低時(shí)，圓角沖頭的圓角尺寸變化對(duì)塌陷深度影響較小;當(dāng)內(nèi)壓較高時(shí)，圓角尺寸對(duì)塌陷深度影響較大，圓角增加，塌陷深度增大.

從裂紋發(fā)展理論分析其產(chǎn)生原因是，由于液壓沖孔過(guò)程與普通沖裁一樣，由2.1分析知，沖頭周圍材料經(jīng)歷彈性變形到塑性變形，應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展直致斷裂分離.圓角沖頭在沖孔過(guò)程中，隨著沖頭進(jìn)給，材料由彈性變形發(fā)展到塑性變形，沖頭圓角越大與材料接觸面積越大，應(yīng)力集中產(chǎn)生時(shí)間越晚，即裂紋產(chǎn)生的時(shí)間越晚，因此，塑性變形階段時(shí)間增加，塌陷深度加大，且主要表現(xiàn)為孔的塌角部分增大.

圖8 圓角沖頭沖孔塌陷深度

2.3 沖頭斜度對(duì)塌陷的影響

由圖9可以看出，斜沖頭沖孔同樣表現(xiàn)出隨著內(nèi)壓增大塌陷減少的規(guī)律，以10°斜沖頭為例分析，在80 MPa下其塌陷值為1.1 mm，150 MPa下為0.56 mm，塌陷減少了49.1%.同時(shí)，隨著端面傾斜角度的增大，塌陷總體有減小的趨勢(shì).100 MPa下5°斜沖頭塌陷為 1.02 mm，15°斜沖頭塌陷為0.74 mm，塌陷減少了27.5%.斜沖頭的塌陷值較平?jīng)_頭小，圖9中最小塌陷為150 MPa下15°斜沖頭沖孔，其值為0.56 mm，最大塌陷為80 MPa下平?jīng)_頭沖孔，其值為1.6 mm，最大塌陷時(shí)尺寸是最小塌陷的2.86倍.

其產(chǎn)生的主要原因是，在沖頭進(jìn)給過(guò)程中沖頭尖端與管壁材料由點(diǎn)接觸到線接觸且接觸面積不斷增加，裂紋產(chǎn)生的時(shí)間較早，因此，在出現(xiàn)較小塌角時(shí)材料已經(jīng)發(fā)生破壞而斷裂，且在沖孔過(guò)程后段對(duì)材料有撕裂的趨勢(shì)而產(chǎn)生徹底的斷裂.

圖9 斜沖頭沖孔塌陷深度

2.4 減小塌陷的措施

對(duì)比分析了7種不同形狀沖頭對(duì)液壓沖孔塌陷的影響可知，斜沖頭沖孔塌陷較小，圓角沖頭沖孔塌陷較大，且塌陷數(shù)值隨著內(nèi)壓的升高而減小.但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，使用斜沖頭沖孔時(shí)保壓狀況較差，即沖頭打入后內(nèi)壓在很短時(shí)間內(nèi)泄為零，而圓角沖頭沖孔保壓狀況良好.原因是當(dāng)沖頭沖斷材料完全進(jìn)入管材內(nèi)部時(shí)，圓角沖頭塌陷較大，內(nèi)壓將沖頭周圍的塌陷材料反向壓緊在沖頭上實(shí)現(xiàn)保壓，而斜沖頭沖孔由于其斷裂過(guò)程的特殊性無(wú)法實(shí)現(xiàn)保壓.

綜上所述，在單孔沖孔或多孔同步?jīng)_孔時(shí)，使用斜沖頭可以獲得較小的塌陷，而在多孔異步?jīng)_孔，即沖孔存在沖斷時(shí)間差時(shí)，對(duì)保壓有較高要求，應(yīng)使用平?jīng)_頭或者圓角沖頭沖孔.

3 結(jié)論

1)在液壓沖孔過(guò)程中，通過(guò)改變沖頭形狀可以顯著改變沖孔塌陷情況.塌陷深度隨著沖頭端面傾斜角度的增大而減小，隨著沖頭圓角的增大而增大，總體表現(xiàn)為圓角沖頭的塌陷深度最大，平?jīng)_頭次之，斜沖頭塌陷深度最小.在內(nèi)壓150 MPa下，15°斜沖頭沖孔塌陷值最小僅為0.56 mm.

2)在液壓沖孔過(guò)程中，塌陷深度隨著管內(nèi)液壓壓力的增大而減小.提高內(nèi)壓能夠降低塌陷深度.當(dāng)內(nèi)壓由80 MPa增大到150 MPa時(shí)，10°斜沖頭塌陷減少了49.1%.

3)不同形狀沖頭的保壓狀況不同.平?jīng)_頭和圓角沖頭保壓效果良好，斜沖頭保壓效果較差.

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