長(zhǎng)薄壁管多孔沖孔模的研究*

陳福宇，張 可，王國(guó)棟，陳 帥，康曉嵐，張 越

（山東石油化工學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

隨著高新技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)著新的材料、工藝不斷創(chuàng)新，作為當(dāng)今時(shí)代機(jī)械工程行業(yè)中的沖孔機(jī)，它也以嶄新的面貌和技術(shù)出現(xiàn)在大眾的視野內(nèi)。國(guó)外Ku?dosSH-70A便攜式液壓打孔沖孔機(jī)分為：體式液壓銅排沖孔器、IHP分離式液壓彎曲打孔機(jī)HP-20[1]。高強(qiáng)度鍛鋼C型頭強(qiáng)度高硬度大，不容易發(fā)生形變，高強(qiáng)度退料彈簧可保證不卡模，沖孔定位精準(zhǔn)下料無(wú)毛刺，沖孔效率高而且方便攜帶，沖孔模具能夠?qū)崿F(xiàn)快速更換，適用于母線角鋼工字鋼和鐵板的沖孔作業(yè)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批量生產(chǎn)和多角度多孔沖孔，工作效率低。

國(guó)內(nèi)手動(dòng)打孔機(jī)又稱(chēng)手動(dòng)打孔器、手動(dòng)沖孔機(jī)等別名，其主要以杠桿原理設(shè)[1]，利用手動(dòng)方式帶動(dòng)打孔機(jī)執(zhí)行部件上下移動(dòng)與下模配合從而完成打孔。這種方式效率極低[2]。福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院，根據(jù)張玉華的設(shè)計(jì)在綜合考慮了壓縮空氣的供給、液壓控制系統(tǒng)的供給、以及鋼管沖壓機(jī)的氣動(dòng)液壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼管沖壓機(jī)氣動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的各元件進(jìn)行了選擇與設(shè)計(jì)計(jì)算。以及由臨沂學(xué)院機(jī)械工程及汽車(chē)工程學(xué)院和臨沂友誼機(jī)器公司研制了專(zhuān)用管道沖磨機(jī)[3]，采用了嵌入式微處理器，并設(shè)計(jì)了等孔距、不等孔距、循環(huán)孔距等幾種公式化編程算法通過(guò)程序控制的管道移位和沖孔等動(dòng)作，達(dá)到手動(dòng)輸料、精準(zhǔn)沖磨。但都無(wú)法實(shí)現(xiàn)多孔的多角度沖孔。

即使在國(guó)內(nèi)沖孔業(yè)近年來(lái)取得很大的進(jìn)步，但是在如今制造技術(shù)快速發(fā)展，還是面臨著很多的問(wèn)題，傳統(tǒng)的鉆銑加工方法，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)管件需要進(jìn)行沖孔加工，效率低，手工加工生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品的可靠性差，難以滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需要，缺乏所需的新產(chǎn)品，生產(chǎn)周期長(zhǎng)且效率低，不能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。基于這種情況，設(shè)計(jì)了多孔沖孔裝置，在長(zhǎng)薄壁管沖孔加工領(lǐng)域，解決了在加工過(guò)程中薄壁管形變問(wèn)題、一次多孔加工問(wèn)題、管件旋轉(zhuǎn)沖孔問(wèn)題以及自動(dòng)上下料問(wèn)題，并對(duì)沖孔模具進(jìn)行分析。

1 薄壁管沖孔方式選取

1.1 鉆孔加工

由于管材管壁厚度較小，使用鉆孔加工不能保證孔的尺寸要求，且生產(chǎn)效率低，不能滿(mǎn)足加工需要。

1.2 有無(wú)凹模沖孔加工

管材沖孔可以由模具的結(jié)構(gòu)特征分為有凹模沖孔和無(wú)凹模沖孔兩種。

有凹模沖孔，是通過(guò)凸、凹模刃口對(duì)材料的剪切作用使材料分離從而完成沖孔的。有凹模沖孔相對(duì)簡(jiǎn)單，零部件的質(zhì)量更好，不容易出現(xiàn)壓扁坑等缺陷，而是因?yàn)檫@是一個(gè)差距沖孔，沖孔不可避免地離開(kāi)毛刺的內(nèi)管，管穿孔的多個(gè)孔時(shí)在不同的方向，模具的拆卸和裝配很繁瑣導(dǎo)致工作效率偏低，因此不能適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求。管材無(wú)凹模沖孔是指在管材在沒(méi)有凹模進(jìn)行支撐的情況下，僅依靠凸模對(duì)管壁進(jìn)行沖孔加工。因?yàn)楣懿氖褂昧藷o(wú)凹模結(jié)構(gòu)導(dǎo)致中空部分不能得到支撐，管材在沖裁力作用下，刀刃處的管壁材料產(chǎn)生變形和壓彎，管材的斷面從圓柱形慢慢變成長(zhǎng)橢圓形[4]。管材的側(cè)邊和底部周?chē)牟牧现饾u被拉長(zhǎng)，會(huì)生成塑性變形，而凸模周?chē)牟牧弦惨驗(yàn)閴簭澓妥冃沃饾u產(chǎn)生陷槽。實(shí)踐中證明，鋼管沖磨的主要變形特點(diǎn)是壓扁變形和凹陷變形。由上可知，不使用凹模沖孔法的前提是最大程度增加了管材的剛性[5]。因此需要在工藝技術(shù)和模具構(gòu)造等方面采取相應(yīng)的特殊保護(hù)措施，以取得預(yù)想的效果。目前此類(lèi)方法多用作金屬管件等高剛性工件的沖孔。

2 凹模的選型

2.1 凹模的比較和選擇

選擇凸模后，經(jīng)過(guò)查找有關(guān)數(shù)據(jù)，最終選擇了如圖1所規(guī)定的4種類(lèi)型，依次是平凸模、斜凸模、尖凸模和凹凸模。由于實(shí)驗(yàn)要求頻繁換凸模因此凸模結(jié)構(gòu)采用速換技術(shù)，材質(zhì)為Cr12，熱加工硬度為56~62HRC[6]。

圖1 凸模

有尖的沖頭首先使管道與尖端接觸，孔邊緣的材料受到?jīng)_頭的影響。由于沖頭不支撐物料，物料之間的有很大的作用力導(dǎo)致孔邊的物料隨凸模向下拉伸。在沖孔過(guò)程中，凸模頂端與工件接觸直到分離的行程變長(zhǎng)，導(dǎo)致坍塌量比較大。斜凸?？拙壨ǔ２捎弥饾u接觸工件的方式切割材料，但是因?yàn)閺男蓖鼓＝佑|工件到從工件開(kāi)始剝離的流程相對(duì)比較短，所以材料被拉入陷槽的數(shù)量相對(duì)比較稀少，而斜凸模當(dāng)材料逐漸切入孔的最外側(cè)時(shí)，在孔內(nèi)部還沒(méi)分開(kāi)的材料對(duì)將要分離的材料也有一定支撐效果，從而增加了自身的承載強(qiáng)度，所以沉降率較低，沖孔的效率較好，只會(huì)輕微偏心。但對(duì)于平凸模或比較凹凸模，因?yàn)殛P(guān)鍵表面呈圓弧，所以平凸?；虮容^凹凸模，長(zhǎng)度就會(huì)稍長(zhǎng)些，相應(yīng)的表面塌陷率也會(huì)大一些，而如果比較凹凸模的R值太小，將明顯加大了表面的張力比凸模更易崩裂。

通過(guò)分析以上幾種凸模沖孔的塌陷量仍然比較大，如果要讓孔緣的形變更小，減少塌陷量的是優(yōu)化凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最有效措施。

2.2 凹模優(yōu)化

由分析可以看出，沖頭從孔的邊緣逐漸切入管壁。當(dāng)沖孔速度一定時(shí)，孔邊緣接觸時(shí)間越長(zhǎng)，孔邊緣變形越小。因此，研究一種減小孔邊緣變形的方法更為有益。沖孔的數(shù)量在理論上是可行的。因?yàn)檫@個(gè)原因，對(duì)凸模進(jìn)行改進(jìn)，將沖頭的末端切成兩個(gè)切面，沖頭的尖角設(shè)計(jì)為60°。穿孔時(shí)逐漸切入管壁，材料逐漸脫離管壁穿孔，穿孔的接觸力是小得多比其他形式的穿孔，和相應(yīng)的延伸影響孔周?chē)牟牧弦残〉枚?，描述了由于材料拉伸和彎曲而引起的孔邊變形量?/p>

3 沖孔模的工作原理

該沖孔機(jī)通過(guò)排沖模塊、上下料模塊、內(nèi)支撐模塊，高效率實(shí)現(xiàn)在加工長(zhǎng)薄壁管過(guò)程中，完成對(duì)長(zhǎng)薄壁管上下料、定位擺放、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給以及排沖加工等一系列工作，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪，并通過(guò)離合器，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)使沖孔刀具上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖壓液壓系統(tǒng)快速下行將凸模沖進(jìn)鋼管，打穿管壁，然后快速返回。并且可根據(jù)不同加工要求對(duì)管件不同位置實(shí)現(xiàn)高效沖孔。沖空刀具采用一排沖孔刀具，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)管件的多孔加工，通過(guò)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置對(duì)管件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管件不同角度沖孔的要求，實(shí)現(xiàn)多排沖孔加工。

沖孔加工是借助于常規(guī)或?qū)Ｓ脹_壓設(shè)備的動(dòng)力，使長(zhǎng)薄壁管在模具里直接受到?jīng)_擊力進(jìn)行變形，從而獲得一定尺寸的鉆孔。管材、支撐裝置、沖孔刀具和設(shè)備是沖孔加工的重要要素。

4 關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)

沖孔機(jī)由4個(gè)主要模塊構(gòu)成，動(dòng)力及排沖模塊，如圖2所示，采用多沖頭對(duì)長(zhǎng)薄管進(jìn)行排沖且沖頭間距可調(diào)整，針對(duì)所需不同沖孔需求調(diào)整沖頭的間距，以保證多排沖孔的技術(shù)要求。此模塊的傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓裝置帶動(dòng)，凸模以合適速度及力度沖進(jìn)鋼管，打破管壁，該過(guò)程為一個(gè)周期，此機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率高并且足夠穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足沖頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)并保證薄壁管孔精度問(wèn)題以及加工過(guò)程中，薄壁管廢料在凹模中滯留的問(wèn)題［7］。沖頭間距調(diào)整設(shè)計(jì)：可針對(duì)所需不同沖孔需求調(diào)整沖頭的間距，來(lái)保證沖孔的技術(shù)要求。

圖2 動(dòng)力及排沖模塊

內(nèi)支撐模塊設(shè)計(jì)如圖3所示，支撐部分采用具有凹模的空心支撐管，以滿(mǎn)足軸力要求和對(duì)長(zhǎng)薄管的水平變形的精度要求等［8］，以及沖孔過(guò)程中及時(shí)處理產(chǎn)生的廢料，要求對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)及對(duì)長(zhǎng)薄管的變形，豎向位移、水平變形及傾斜符合加工要求。

圖3 內(nèi)支撐模塊

旋轉(zhuǎn)進(jìn)給模塊裝置設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)管件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿件不同角度沖孔的要求，能保證刀具和管件間旋轉(zhuǎn)后相對(duì)角度位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)管件多排沖孔［9］，如圖4所示。為保證管件不被夾具損毀，對(duì)加緊旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行有限元分析，如圖5所示，從有限元分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為3.08 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大變形量為1.95 mm，滿(mǎn)足剛度要求。從有限元分析結(jié)果可知，最大應(yīng)變?yōu)?.150 MPa，小于許用應(yīng)力，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，最大變形量為1.95 mm，滿(mǎn)足剛度要求。

圖4 夾緊、旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給模塊

圖5 夾緊旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行有限元分析

5 沖孔分析計(jì)算

5.1 無(wú)凹模夾具選型

為了防止在沒(méi)有模具的工件在沖孔過(guò)程中因?yàn)闆_孔力的作用而導(dǎo)致產(chǎn)生發(fā)不穩(wěn)定因素和對(duì)模具的破壞，所以對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有特殊的要求。在模具中夾緊和固定管子的方法是非常重要的［10］。在生產(chǎn)中，模具夾持固定管件的方法有多種，具體如下。

（1）將管件放在平板上。

（2）將管件放置于帶半圓凹槽的板上。

（3）將管件放置于帶半圓凹槽的板上，其上加一帶半橢圓凹槽壓緊管件。帶半橢圓凹槽的壓料板使管上部分產(chǎn)生彈性變形，并增加其剛度，這使可沖孔的直徑比前兩種增大。

理論研究表明：沖孔直徑與管材壁厚及材料性能之間密切相關(guān)［11］。當(dāng)管件放在平板上時(shí)沖孔直徑d為：

式中：b為管材變形區(qū)的長(zhǎng)度或短小工件的長(zhǎng)度，mm；t為管件壁厚，mm；R為管件半徑，mm；σω為管材的許用彎曲應(yīng)力（抗彎強(qiáng)度）；σs為管材屈服極限。

如果管件放在帶半圓凹槽上時(shí)，其沖孔直徑d為：

式中：b為管件支撐在半圓槽板上的長(zhǎng)度。

如果，采用模具時(shí)，沖孔直徑刀為：

式中：b為帶半橢圓槽壓緊板的長(zhǎng)度。

壓緊板加于管件的壓緊力Q1為：

作用方向與水平方向的夾角α=45°時(shí)，夾緊板的壓緊力Q1與作用于管子的壓力Q應(yīng)滿(mǎn)足：

管件變形區(qū)在預(yù)壓的狀態(tài)下，其沖孔的相對(duì)直徑會(huì)增大。不同D值，可得沖孔直徑d與35鋼管壁厚的對(duì)應(yīng)值。無(wú)凹模沖孔時(shí)，因管件內(nèi)無(wú)凹模支承，在沖孔部位有局部的塌陷“凹坑”。如圖6所示。

圖6 管材沖孔時(shí)形成的“凹坑”

“凹坑”的大小與管材的尺寸、管材種類(lèi)、沖孔尺寸、模具結(jié)構(gòu)、壓緊力等因素有關(guān)，“凹坑”尺寸如表1所示。

表1 管材沖壓成形的“凹坑”尺寸

如果用于高速?zèng)_孔，無(wú)凹模沖孔模的效率非常高。這種方法現(xiàn)已成功用于工程行業(yè)及石油工業(yè)中的油井管道的爆炸沖孔［12］。

5.2 沖孔模的計(jì)算

（1）沖裁力的計(jì)算

式中：P為沖裁力，N；d為沖孔直徑，mm；t為材料厚度，mm；τ為材料的抗剪強(qiáng)度MPa，對(duì)于45號(hào)鋼，τ=549 MPa。

由公式得：P=112.05 kN。

（2）推件力的計(jì)算

式中：P1為推件力，N；P為沖裁力，N；n為同時(shí)梗塞在凹模內(nèi)的廢料數(shù)，n=h/t；t為材料厚度mm；h為圓柱形凹模型腔高度mm；K1為推件力系數(shù)。

查閱得K1=0.045，由公式得：P1=70.591 5 kN。

總作用力：F1=P+P1=（70.591 5+112.05）kN，故選用Y32-180T壓力機(jī)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在長(zhǎng)薄壁管沖孔加工領(lǐng)域，解決了在加工過(guò)程中薄壁管形變問(wèn)題、一次多孔加工問(wèn)題、管件旋轉(zhuǎn)沖孔問(wèn)題以及自動(dòng)上下料問(wèn)題，采用多孔沖孔裝置、旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置以及自動(dòng)上料裝置，實(shí)現(xiàn)多孔、旋轉(zhuǎn)沖孔加工，取代傳統(tǒng)人工上下料、單孔鉆孔方式，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，有助于實(shí)現(xiàn)多孔薄壁管批量生產(chǎn)。對(duì)于促進(jìn)傳統(tǒng)長(zhǎng)薄壁管生產(chǎn)方式發(fā)展以及在機(jī)械加工領(lǐng)域，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義及良好應(yīng)用價(jià)值。