凸模結(jié)構(gòu)對厚壁管件無凹模沖孔塌陷的影響研究

王華君，田夢蕓，杜建忠，孫世為，朱 暉

（1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢艾柯華汽車零部件有限公司，湖北 武漢 430056；3.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

在漸變截面管材零件上沖孔，如果沖孔位置距離管端較遠或管端截面復(fù)雜，沖孔凹模無法放置，需采用無凹模沖孔模沖裁。無凹模管材沖孔時，省去了凹模安放和取出的時間，生產(chǎn)效率提高，滿足了現(xiàn)代化大批量生產(chǎn)的需求。

在管件無凹模沖孔加工過程中，由于管壁底部材料無凹模支撐，僅靠凸模對管壁實施沖孔加工，必然要產(chǎn)生凹坑、塌陷等缺陷，直接影響到管件的沖孔質(zhì)量和工作外觀[1]。一些學(xué)者指出，凹坑塌陷的大小除與管材的材質(zhì)、壁厚、管件的壓緊裝置及沖孔直接有關(guān)外，凸模的結(jié)構(gòu)形式是影響凹坑塌陷量的重要因素之一[2][3]。當(dāng)凸模開始接觸管件時，由于孔緣附近的材料沒有凹模支撐，強大的材料之間的相互作用力使孔緣附近材料隨凸模一起下拉，造成凹坑塌陷，因此應(yīng)盡量選擇使凹坑塌陷量最小的凸模結(jié)構(gòu)。

通過研究對比，本文分析凸模結(jié)構(gòu)對厚壁管無凹模沖孔塌陷形成的影響，獲得有利于管材無凹模沖孔的凸模結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于異形截面管沖孔的變形過程。

1 管件無凹模沖孔工藝分析

管材無凹模沖孔，是在管內(nèi)無凹模支承的狀態(tài)下，僅靠凸模對管壁實施沖孔加工。顯而易見，管材在空心狀態(tài)下沖孔，當(dāng)凸模對管壁施加的壓力超過管壁本身的剛度所能承受的能力時，管材就會被壓扁，使沖孔加工無法完成。因而如何最大限度地提高管材的剛度是該工藝的要點[4]。本文采用的管件的壓緊裝置為上、下兩塊壓緊塊，下壓緊塊模腔尺寸與管件外輪廓尺寸一致，上壓緊塊的模腔尺寸略小于管件外輪廓，使上壓緊塊能預(yù)壓管件。

研究凸模形狀對凹坑大小的影響時，選用了三種凸模對圓形、方形、漸變形（圓截面到方截面過渡截面）三種截面形狀的厚壁直管和彎管進行了沖孔模擬。沖孔孔徑為20mm，圓截面尺寸為?76mm×6mm，方截面管與圓截面管中性層的周長相同，其中彎管彎曲半徑為125mm，彎曲中心角為 128°。

三種凸模形式如圖1 所示，分別為平凸模、尖凸模和新凸模[5][6]。新凸模是在平凸模的基礎(chǔ)上加以改進，即去除平?jīng)_頭處材料使原有的平面成為凹坑，沖頭變?yōu)閳A形刃口，根據(jù)凸模刃口結(jié)構(gòu)形式，本文稱這種凸模為凹凸模。

2 凸模結(jié)構(gòu)對厚壁管無凹模沖孔塌陷形成的影響

2.1 載荷—行程曲線

圖2 為三種凸模對圓直管沖孔時的載荷—行程曲線?？梢钥闯?，沖裁過程分為兩個階段：第一階段為無凹模沖孔，第二階段為有凹模沖孔。從圖2a、b可以看出，第一階段的沖孔比第二階段時間長，主要是由于第一階段沖孔時材料的斷裂只能靠凸模作用，采用凹凸模沖孔，切刃大大降低了材料斷裂時間。

從圖2 可以歸納出以下幾點結(jié)論：

圖2 凸模載荷—行程曲線

（1）無凹模沖孔時，凹凸模的載荷最小，平凸模與尖凸模的載荷相差不多。

（2）無凹模沖孔時，尖凸模與管壁材料作用的時間最長，平凸模與凹凸模差不多。

（3）平凸模沖孔時，整個作用時間載荷平穩(wěn)，尖凸模的載荷增加較緩慢，而凹凸模作用于管壁材料時載荷迅速增加。

2.2 凹坑塌陷深度

圖3 為管件無凹模沖孔時孔形狀及凹坑塌陷深度h示意圖。

使用三種凸模分別對不同截面的直管、彎管沖孔，出現(xiàn)的凹坑深度各不相同。表1 為不同截面形式的管件在三種凸模結(jié)構(gòu)下沖孔出現(xiàn)的凹坑塌陷深度值h 的比較，結(jié)果表明，使用尖凸模時凹坑深度最大，平凸模次之，凹凸模沖孔時凹陷量最小。

表1 凹坑塌陷深度值h 比較

2.3 影響結(jié)果分析

沖孔時，凸模帶動孔緣處材料下拉，直到該處材料的塑性變形達到一定值時，材料分離，孔緣處材料下拉停止，整個過程導(dǎo)致了凹坑的形成。尖凸模沖孔時，這個過程較平凸模和新凸模都較長，因此尖凸模沖孔產(chǎn)生的凹坑深度最大。凹凸模與平凸模相比，凹凸模相當(dāng)于圓形的切刃，從接觸管件開始，更加容易使材料分離，減短了孔緣處材料下拉的時間，因此出現(xiàn)的凹坑深度最小。

3 異形截面管的無凹模沖孔過程

3.1 異形截面厚壁管無凹模沖孔模擬

異形截面厚壁管在汽車配件中的應(yīng)用比較廣泛，由于管子形狀的變化可有效利用車體空間，還可以更好地實現(xiàn)不同形狀的端部連接，是比較理想的汽車結(jié)構(gòu)零件[7]。在上述模擬研究的基礎(chǔ)上，對圖4所示汽車底盤中一種厚壁結(jié)構(gòu)管件進行無凹模沖孔。管件一端截面為圓形，規(guī)格為?76mm×6mm，另一端為帶有圓弧切口的矩形截面，管件沖孔位置為圖中P 處，即圓形截面與矩形截面過渡區(qū)域。從零件形狀上來看，P處距離圓管端較遠，與矩形管端相比，截面形狀相差太大，導(dǎo)致了該管沖孔時只能采用無凹模沖孔。管件沖孔過程中，距離孔距離不同塌陷量也不同，研究表明距離孔邊一定距離時塌陷消失[7]。因此可以通過減小沖孔直徑及后序機加工的方式，提高管件最終沖孔質(zhì)量。圖5 為管件無凹模沖孔有限元模型。

3.2 結(jié)果分析

（a）開始接觸 （b）進程25% （c）進程50% （d）進程75% （e）材料分離

圖6 為無凹模沖孔時孔緣處材料等效應(yīng)力變化情況?？梢钥闯?，凸模剛開始接觸材料時，由于刃口開始切入管壁，只在刃口處產(chǎn)生應(yīng)力；凸模繼續(xù)下行時，開始將孔周圍的材料下拉；到圖6c 所示的情況，沖裁區(qū)材料的塑性變形達到了最大值，材料即將分離；材料開始分離時，如圖6d 所示，孔周圍的材料已經(jīng)開始不受力下拉；到材料完全分離，凹坑形成。由于凸?？梢栽诓牧蟿傞_始接觸時，就使材料開始分離，大大降低了材料之間的作用力，不僅減少了受拉材料的面積，更減少了下拉材料的時間，交互作用下時管件無凹模沖孔產(chǎn)生的凹坑深度較小，達到較好的沖孔質(zhì)量。

4 結(jié)論

與平凸模相比，凹凸模相當(dāng)于圓形的切刃，更加容易使材料分離。采用凹凸模沖裁管件時，孔緣處材料分離從凸模接觸管壁開始，降低了材料之間的相互作用力，使孔緣周圍隨凸模下拉的材料減少，降低了凹坑深度。

通過深度與作用時間比較，獲得了凸模結(jié)構(gòu)對不同截面厚壁管件無凹模沖孔塌陷的影響方式，發(fā)現(xiàn)凹凸模對減少塌陷效果好。同時應(yīng)用于異形截面管的無凹模沖孔過程，產(chǎn)生的凹坑深度較小，達到了較好的沖孔質(zhì)量。

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