液壓打孔技術(shù)在內(nèi)高壓成形中的應(yīng)用

文/高洪賓，王娜·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

液壓打孔技術(shù)在內(nèi)高壓成形中的應(yīng)用

文/高洪賓，王娜·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

高洪賓，碩士，汽車組工藝及模具師，助理工程師，主要從事管式內(nèi)高壓成形工藝及模具方面的研究。

本文采用DYNAFORM有限元軟件對(duì)某車型底盤的縱臂零件進(jìn)行內(nèi)高壓成形工藝模擬，得到了該零件的應(yīng)力、應(yīng)變分布。通過現(xiàn)場的試驗(yàn)研究，結(jié)合有限元模擬結(jié)果，探究出管坯焊縫位置對(duì)其成形性的影響規(guī)律，即管坯焊縫位置與應(yīng)力集中區(qū)重合時(shí)，管坯易破裂。

內(nèi)高壓成形的技術(shù)應(yīng)用

在飛機(jī)、航天器和汽車等領(lǐng)域，節(jié)約材料、減小重量和運(yùn)行中的能量一直是人們長期追求的目標(biāo)，也是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。為實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，除了采用輕質(zhì)材料外，減輕質(zhì)量的另一個(gè)重要途徑就是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實(shí)”和變斷面等強(qiáng)度構(gòu)件，即對(duì)承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用內(nèi)高壓成形的空心結(jié)構(gòu)。這樣既可以減輕質(zhì)量、節(jié)約材料，又可以充分利用強(qiáng)化效應(yīng)增加材料的強(qiáng)度和剛度。因此管材內(nèi)高壓成形在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中占有十分重要的地位。

內(nèi)高壓成形是指利用液體作為傳力介質(zhì)使管材成形的一種塑性加工技術(shù)，使用的介質(zhì)多為乳化液，目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的最大成形壓力一般不超過400MPa。

內(nèi)高壓成形技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面。

液壓打孔技術(shù)概述

管材液壓打孔是在液壓成形技術(shù)（內(nèi)高壓）日趨成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型塑性成形技術(shù)，作為新型的沖裁方法，對(duì)空心零件、軸線為曲線的零件進(jìn)行沖孔，具有傳統(tǒng)加工工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

液壓打孔在整個(gè)沖孔過程中不需要凹模，這對(duì)于解決由于內(nèi)部尺寸過小、或者軸線為曲線而導(dǎo)致內(nèi)部不能安放凹模的零件加工具有很大優(yōu)勢。同時(shí)，利用液壓沖孔代替激光切孔，對(duì)降低零件生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率具有重要作用。

液壓打孔的過程和分類

液壓打孔就是液壓脹形完成后，在管內(nèi)液體壓力的支撐作用下，利用沖頭或管內(nèi)液體壓力將管壁材料分離的一種加工方法。液壓打孔的加工過程為，管件完成脹形和模具貼合以后，安裝在模具內(nèi)部的沖孔油缸推動(dòng)金屬?zèng)_頭向下運(yùn)動(dòng)，在沖頭力的作用下，材料發(fā)生斷裂、分離，實(shí)現(xiàn)沖孔。期間管壁經(jīng)三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形和斷裂分離。其過程如圖1所示。

圖1 液壓沖孔過程

高壓液體介質(zhì)為管件提供背壓，以代替金屬凹模或沖頭，其基本類型可分為液體凹模、液壓折彎和液壓凸模三種，如圖2所示，其中應(yīng)用最多的是液體凹模。

圖2 液壓沖孔類型

三種方法各有特點(diǎn)：

⑴液壓凸模所得孔的幾何尺寸精度高，孔周材料塌陷小，但所需最小管內(nèi)液體壓力受沖孔直徑影響較大，孔直徑越小，所需內(nèi)壓越高，由于考慮到密封以及安全因素，采用該種方式?jīng)_孔的材料強(qiáng)度不能太高，一般用于銅、鋁等有色金屬材料液壓沖孔。

⑵對(duì)于液壓凹模，如果孔徑很大，所需沖頭直徑較大，在模具內(nèi)需要較大安裝空間，這對(duì)模具強(qiáng)度提出更高的要求，而且，沖孔完成后，由于沖頭作用，管坯表面一定區(qū)域會(huì)塌陷下凹，所沖孔零件的質(zhì)量沒有前者好，該方法適合于對(duì)周圍表面和斷面要求不高的零件沖孔。該方式的優(yōu)點(diǎn)是，沖孔力由沖頭提供，管內(nèi)液體壓力只起支撐作用，因而利用該方法可以對(duì)強(qiáng)度較高材料進(jìn)行沖孔，此種方法也是目前應(yīng)用較多的液壓沖孔方法。

⑶液壓折彎。為了避免落料進(jìn)入成形件，往往采用沖孔彎曲，使落料留在成形件上。

液壓沖孔屬于管類零件內(nèi)高壓成形工藝過程的一個(gè)組成部分，在管材脹形之后進(jìn)行。此時(shí)，液體壓力通常達(dá)到最大值，當(dāng)材料斷裂以后，由于液體少量泄漏，壓力會(huì)稍有下降。典型的液體壓力p、軸向進(jìn)給位移s與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖3所示。在液壓沖孔過程中，成形用的兩個(gè)軸向油缸活塞位置保持不變，即s恒定。與其他軟模沖裁工藝（如橡膠沖裁）相比，液壓沖孔最大的特點(diǎn)就是液體壓力可根據(jù)需要進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖3 液體壓力、軸向進(jìn)給與時(shí)間關(guān)系曲線

液壓打孔的成形機(jī)理

液壓打孔是一個(gè)復(fù)雜的塑性加工過程，具有明顯的物理非線性和幾何非線性的大變形特征，下面對(duì)其基礎(chǔ)理論作簡要介紹。

液壓打孔的應(yīng)力、應(yīng)變分布

基于某產(chǎn)品100mm×100mm矩形低碳鋼空心管件，壁厚2mm，沖頭直徑φ30mm的有限元分析，直觀闡述其應(yīng)力分布。圖4所示為等效應(yīng)力分布圖（單位：MPa），圖5所示為等效應(yīng)變圖。

可以看出，在沖頭刃口附近管件外表面處，等效應(yīng)力較大，存在明顯的應(yīng)力集中。該部位的金屬材料首先由彈性變形進(jìn)入到屈服狀態(tài)，產(chǎn)生塑性變形。隨著沖壓深度的增加，沖頭進(jìn)入管件壁厚的深度也在增加，并形成了垂直的光亮帶。等效應(yīng)力與等效應(yīng)變的數(shù)值不斷增加，塑性變形區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)張，并穿透整個(gè)壁厚。當(dāng)?shù)刃?yīng)力的數(shù)值超過材料的強(qiáng)度極限后將會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致材料分離。在管件的內(nèi)表面，由于作用于各處的液體壓力相同，且無剛性刃口存在，故應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。

圖4 等效應(yīng)力分布圖

圖5 等效應(yīng)變圖

沖頭形狀對(duì)液壓沖孔塌陷的影響

⑴在液壓沖孔過程中，通過改變沖頭形狀可以顯著改變沖孔塌陷情況。塌陷程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。

⑵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。

⑶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。

內(nèi)壓對(duì)孔周塌陷和孔口形狀的影響

⑴不同壓力下進(jìn)行沖孔，沖孔終了時(shí)鋼管表面塌陷程度各不相同。壓力大時(shí)塌陷較小，壓力較小時(shí)塌陷較大。如果壓力繼續(xù)減小，甚至出現(xiàn)沖頭前進(jìn)相同距離，材料和沖頭不能完全分離。

⑵隨著沖孔時(shí)管內(nèi)液體壓力的降低，沿管長方向和垂直于管長方向塌陷程度都明顯增大。這是因?yàn)樵跊_孔過程中，管內(nèi)液體壓力降低相當(dāng)于沖裁過程中壓邊力減小，材料沿沖頭方向位移變大，導(dǎo)致塌陷深度增加。

⑶在同一壓力下，沿管長方向塌陷面積大于垂直于管長方向塌陷面積，即沿管長方向塌陷變化較慢，垂直管長方向塌陷變化快。

⑷孔距邊長度對(duì)塌陷發(fā)展具有一定的限制作用，長度越長，塌陷深度變化越慢，塌陷影響區(qū)域越大，反之亦然。

⑸內(nèi)壓越大，獲得的孔口直徑越小于公稱直徑。由于管件縱向和橫向尺寸差別較大，對(duì)沖孔的形狀也有一定的影響，一般來說，孔徑沿管材軸向略大，而沿管材橫向略小，表現(xiàn)為橢圓形。

內(nèi)壓對(duì)斷口表面質(zhì)量的影響

液壓沖孔的斷口與普通沖孔相似，也存在塌角、光亮帶和斷裂帶。由于斷口表面質(zhì)量對(duì)零件的疲勞壽命有影響，塌角影響零件外觀質(zhì)量。應(yīng)盡量增加斷口的光亮帶，并減小塌角。研究表明通過提高內(nèi)壓可以顯著改善斷口表面質(zhì)量。

隨著內(nèi)壓的升高，光亮帶占壁厚的比例明顯增加，這是因?yàn)闆_頭周圍壓應(yīng)力增加延緩了裂紋的發(fā)生，另一方面，與傳統(tǒng)沖孔相比，由于沒有凹模，使得裂紋的產(chǎn)生需要較大的凸模切入，也是導(dǎo)致光亮帶增加的原因。

結(jié)束語

液壓打孔技術(shù)伴隨著內(nèi)高壓成形在汽車工業(yè)中的發(fā)展而廣泛應(yīng)用，借助其較傳統(tǒng)打孔工藝的優(yōu)勢，此技術(shù)將進(jìn)一步改進(jìn)，從而適應(yīng)市場需求，液壓打孔將是今 后工業(yè)打孔的新趨勢。