凸緣的翻孔鐓粗過程研究

鄢光旭，王新云，金俊松，鄧?yán)?/p>

（華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

現(xiàn)今，翻孔工藝已經(jīng)作為一種常見的塑性成形工藝應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。由于近年來汽車行業(yè)與航空航天制造業(yè)的飛速發(fā)展，對各種零部件的外形和功能提出了更高的要求，在塑性成形領(lǐng)域，傳統(tǒng)單一的塑性成形工藝已經(jīng)不能夠滿足生產(chǎn)生活的需求。復(fù)合塑性成形工藝逐漸開始被應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。以翻孔為例，傳統(tǒng)單一的翻孔工藝通常先將坯料置于凹模上，然后壓邊圈壓緊，最后采用凸模沿著凹模軸向運動的方式，將坯料的中心部分成形為凸緣直壁端。然而傳統(tǒng)的單一翻孔技術(shù)現(xiàn)如今已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品的高質(zhì)量和特殊尺寸的要求，通常存在凸緣部分嚴(yán)重彎曲，凸緣高度小，凸緣厚度不均及凸緣部分減薄嚴(yán)重等缺陷［1—6］。針對這些問題，研究者們做了大量相關(guān)的研究，并對翻孔工藝提出了各種各樣的改進(jìn)方案。曾霞文等人［7］分析了平環(huán)坯內(nèi)外徑尺寸對拉深翻孔成形過程的影響。Sutasn Thipprakmas等人［8］借助有限元與實驗相結(jié)合的方法，對比研究了精密沖裁孔與普通沖裁孔對翻孔凸緣質(zhì)量的影響，研究表明，翻孔凸緣質(zhì)量隨著預(yù)制孔斷面的質(zhì)量的提高而提高;Abdelkader Krichen等人［9］針對鋁合金的翻孔過程，研究了壓邊力對翻孔凸緣質(zhì)量的影;Z.Cui等人［10］采用了多道次翻孔的工藝來成形高度很大的翻孔件，并且研究了多次翻孔后的凸緣的質(zhì)量;Ahmed Kacem等人［11］針對鋁合金的變薄翻孔過程，研究了翻孔過程中凸凹模間隙大小對翻孔凸緣質(zhì)量的影響，并進(jìn)一步研究了翻孔速度、坯料與模具之間的摩擦因數(shù)對凸緣精度的影響。研究者們在這些研究過程中提出了一些用于減少翻孔質(zhì)量缺陷的工藝方案，如在翻孔過程中施加方向壓邊力，調(diào)整翻孔的壓邊力，采用變薄翻邊或提高中心預(yù)制孔的質(zhì)量［12—13］，但是這些方法都不能用于成形文中所要求的不減薄的凸緣（凸緣厚度等于法蘭厚度）翻孔件。

針對該翻孔件，提出了翻孔后對凸緣進(jìn)行鐓粗的復(fù)合塑性成形方法，即先利用翻孔在凸緣部分積累坯料，然后采用鐓粗的方式，對凸緣部分進(jìn)行增厚。為了獲得完好無缺陷的不減薄凸緣，對該零件成形的翻孔及鐓粗過程進(jìn)行了研究。

1 翻孔及沖鍛參數(shù)

該翻孔件的材料為08Al，該材料密度為7.8 g/mm3，彈性模量為207 GPa，屈服強(qiáng)度為175 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為325 MPa，泊松比為0.3［24］。翻孔件的尺寸如圖1所示。

圖1 翻孔件二維尺寸Fig.1 Schematic diagram of the dimensions of 2D flange

該翻孔件的成形過程是先翻孔，在凸緣處積累坯料，然后再鐓粗凸緣，獲得與原始坯料厚度一致的凸緣，其成形過程示意圖如圖2所示。

圖2 翻孔鐓粗成形示意Fig.2 Schematic diagram of hole flanging-upsetting process

為完成對翻孔及沖鍛精度過程的研究，需要對模具的外形尺寸進(jìn)行控制。翻孔模具如圖2所示。坯料尺寸參數(shù):坯料初始厚度t、翻孔凸模半徑Rp、翻孔凹模半徑Rd、翻孔凸模圓角半徑Rp1、翻孔凹模圓角半徑Rd1、翻孔間隙大小C1、鐓粗凹模圓角Rd2、鐓粗芯模圓角Rm、精整間隙大小Cf、鐓粗間隙大小Cu分別為 2.0，21.0 ～21.5，23.0，6.0，1.0 ～1.8，1.5 ～2.0，1.0 ～1.8，3.0 ～3.6，1.5 ～2.0，1.8 ～2.0 mm。

翻孔凸臺鐓粗后最終高度為10 mm，依據(jù)塑性成形過程中體積不變的原則，設(shè)定單次翻孔后的總高度h為12 mm。依據(jù)公式（1）［15］計算:

式中:d0為預(yù)制孔直徑;dm為單次翻孔后的凸緣內(nèi)徑，其值等于Rd。經(jīng)過計算得到，圓板的預(yù)制孔的直徑為24.6 mm。

為研究不同參數(shù)對翻孔鐓粗過程的影響，在此定義Rc為凸凹模間隙C與坯料初始厚度t0的比值，定義Rf為凹模圓角Rd與坯料初始厚度t0的比值;同時定義Ru為凸緣鐓粗前后的厚度的比值。

2 有限元模擬

整個翻孔與鐓粗增厚過程均軸對稱，故采用通用有限元軟件ABAQUS建立軸對稱二維模型。因為其主要研究對象為凸緣的翻孔及鐓粗過程，特忽略材料各向異性，選取材料為各向同性，然后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格采用正四邊形網(wǎng)格，選取坯料網(wǎng)格邊長為0.2 mm?？紤]到坯料大變形成形的問題，應(yīng)用網(wǎng)格重劃分模型，設(shè)定模具與坯料間的摩擦系數(shù)為0.1。翻孔過程沖頭的速度設(shè)定為5 mm/s，而鐓粗過程凸緣的高度較小，速度選用1 mm/s。

3 實驗

實驗在1000 kN的伺服壓力機(jī)上進(jìn)行。由于提高的預(yù)制中心孔斷面的質(zhì)量會提高翻孔件的質(zhì)量，因此預(yù)制孔的沖孔采用線切割。翻孔過程中為研究Rc的變化對翻孔質(zhì)量的影響，需要改變Rc的大小，保持翻孔凹模的尺寸不變，通過改變翻孔凸模尺寸的大小來改變Rc的值小。實驗過程主要分析了影響翻孔及鐓粗過程的主要因素（凸凹模間隙及圓角半徑）的影響，設(shè)定翻孔過程的速度為5 mm/s，而鐓粗過程凸緣的高度較小，速度選用1 mm/s，均與模擬過程的模型參數(shù)設(shè)定一致。

4 結(jié)果及討論

4.1 凸緣翻孔研究

為獲得質(zhì)量良好的不減薄凸緣，首先要獲得適宜于鐓粗的翻孔凸緣。通常影響翻孔凸緣鐓粗過程的因素有翻孔凸緣圓角處的厚度、凸緣端部的厚度、凸緣筆直部分高度占凸緣總高度的比值、凸緣部分的筆直度偏差等因素。模擬結(jié)果表明，影響翻孔件凸緣這些質(zhì)量因素的參數(shù)主要為Rf與Rc，其中Rf主要影響翻孔凸緣的圓角的大小，而Rc對凸緣圓角的影響幾乎可以忽略。為討論Rf的影響，現(xiàn)在限定Rc為0.8（鐓粗成形時候選定Rc為0.8時，鐓粗比達(dá)到最大值），討論Rf為0.5～0.9（增量選為0.1）的圓角值對翻孔凸緣質(zhì)量的影響。模擬及實驗的對比如圖3所示。

圖3 Rf不同時模擬及實驗翻孔的輪廓結(jié)果Fig.3 Results of flanging shapes versus Rf

結(jié)果表明，Rf大小對翻孔凸緣質(zhì)量的影響主要在凸緣圓角處的厚度。經(jīng)過尺寸測量結(jié)果可得，隨著Rf值從0.5到0.9增大，翻孔凸緣圓角處的厚度增大。這是因為，隨著翻孔過程中凹模圓角的增大，圓角處的坯料受到的徑向的應(yīng)力減小，坯料減薄得少。

模擬結(jié)果顯示，Rc值的大小影響翻孔凸緣的凸緣端部的厚度、凸緣筆直部分高度占總凸緣高度的比值、凸緣部分的筆直度等因素，而Rf對這些質(zhì)量因素的影響較小。為研究Rc的大小對翻孔質(zhì)量的影響，設(shè)定Rf為0.6（鐓粗成形時候選定Rf為0.6時，鐓粗比達(dá)到最大值），取Rc為 0.75，0.8，0.85，0.9，1.0的模型進(jìn)行實驗和模擬的對比分析，其結(jié)果的對比如圖4所示。

結(jié)果表明，不同的Rc值下凸緣結(jié)果差別很大，經(jīng)過尺寸測量，當(dāng)Rc為0.75，0.8，0.85時，凸緣頂端的厚度略有增加，這是因為變薄擠壓過程中，坯料由圓角處往凸凹模之間運動，但是，當(dāng)坯料還未被擠壓到凸緣頂端時，變薄翻邊過程已經(jīng)結(jié)束;而當(dāng)Rc為0.85～1.0時，凸緣頂端的厚度值變化也不大。這是由于當(dāng)Rc處在這一范圍內(nèi)時，翻孔成形幾乎無擠壓過程的發(fā)生，凸緣的頂端變薄是因為頂端坯料受到較大的拉應(yīng)力的作用。此外，當(dāng)Rc從0.75變化到1.0時，凸緣輪廓母線的筆直度偏差增大，這是由于Rc增大，受到擠壓的坯料減少，成形凸緣時坯料受到的約束少，坯料自由度增大，因此筆直度偏差變大。最后隨著Rc的值從0.75到1.0變化時，凸緣筆直部分高度占凸緣總高度（不考慮凸緣圓角部分）的比值減小，同樣也是由于隨著Rc值的變大，變薄擠壓過程減少，坯料貼合模具部分減少。

圖4 Rc不同時模擬及實驗翻孔的輪廓結(jié)果Fig.4 Results of flanging shapes versus Rc

4.2 凸緣鐓粗過程研究

從翻孔結(jié)果可知，翻孔件的凸緣通常并不是理想的筆直的情況，而且相比原來的坯料，凸緣圓角處及凸緣部分都會存在變薄的現(xiàn)象，這些質(zhì)量因素都會影響凸緣鐓粗過程中的鐓粗比，為獲得無折疊的鐓粗凸緣，必須對凸緣鐓粗時的鐓粗比進(jìn)行研究。研究的2個主要因素仍然為Rf及Rc的大小，其余參數(shù)與翻孔過程保持一致。模擬顯示，當(dāng)Rc為0.8，Rf為0.6時凸緣獲得最大的鐓粗比。為研究Rf對凸緣鐓粗比的影響，限定Rc為0.8，對Rf從0.5到0.9（增量為0.1）的模型的翻孔凸緣進(jìn)行鐓粗極限比的模擬及實驗，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Rf不同時凸緣單次鐓粗的輪廓截面Fig.5 Sectional view of upsetting flanging shapes of finished extremity for different Rfvalues

結(jié)果表明，當(dāng)Rf為0.6（Rc為0.8）時，凸緣的單次鐓粗比達(dá)到極大值1.25，因為若凹模圓角較大時，凸緣鐓粗時易在凹模圓角處發(fā)生折疊，凹模圓角太小，又會在凸緣處發(fā)生折疊。

為研究Rc對凸緣鐓粗過程的影響，限定Rf為0.6，對Rc為0.75～1.0變化時的模型的極限鐓粗比進(jìn)行有限元模擬及實驗，其結(jié)果對比圖如圖6所示。

圖6 Rc不同時凸緣單次鐓粗的輪廓截面Fig.6 Sectional view of upsetting flanging shapes of finished extremity for different Rcvalues

結(jié)果顯示，當(dāng)Rc為0.85時，單次鐓粗可以獲得最大厚度的凸緣，為2.04 mm，而當(dāng)Rc為0.8，Rf為0.6時，凸緣的鐓粗比達(dá)到最大值1.25。當(dāng)Rc為1.0時，坯料筆直度誤差太大，穩(wěn)定性較差，凸緣鐓粗時發(fā)生折疊。不同Rc下鐓粗后的凸緣厚度與初始坯料厚度關(guān)系如圖7所示。

圖7 Rc不同時單次鐓粗后的凸緣厚度Fig.7 The thickness of flange after upsetting versus Rc

結(jié)果表明，當(dāng)Rf為0.6時，Rc為0.80～0.86時，翻孔后單次鐓粗可以獲得初始厚度2 mm的凸緣。

5 結(jié)論

1）翻孔過程中，隨著凹模圓角從1.0到1.8的增大，翻孔后凸緣在凹模圓角處的厚度有所增大;隨著凸凹模間隙從1.5到2.0的增大，翻孔后凸緣端部的厚度變化不大，凸緣筆直度偏差增大，凸緣筆直部分高度占總凸緣高度的比值增大。

2）鐓粗過程中，單次鐓粗時，當(dāng)Rc為0.8，Rf為0.6時，鐓粗比達(dá)到極大值1.25，而當(dāng)Rc為0.85時，單次鐓粗獲得最大厚度為2.04 mm的凸緣;當(dāng)Rf為0.6，Rc為0.80～0.86時，翻孔凸緣一次鐓粗即可以獲得初始厚度為2 mm的無缺陷的凸緣。

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