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)場的試驗研究，結(jié)合有限元模擬結(jié)果，探究出管坯焊縫位置對其成形性的影響規(guī)律，即管坯焊縫位置與應(yīng)力集中區(qū)重合時，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)量的另一個重要途徑就是在結(jié)構(gòu)上采用“以空代實”和變斷面等強(qiáng)度構(gòu)件，即對承受以彎曲或扭轉(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。

液壓打孔在整個沖孔過程中不需要凹模，這對于解決由于內(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，利用液壓沖孔代替激光切孔，對降低零件生產(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)部的沖孔油缸推動金屬沖頭向下運(yùn)動，在沖頭力的作用下，材料發(fā)生斷裂、分離，實現(xiàn)沖孔。期間管壁經(jīng)三個階段：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：

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，該方法適合于對周圍表面和斷面要求不高的零件沖孔。該方式的優(yōu)點是，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組成部分，在管材脹形之后進(jìn)行。此時，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，壓力會稍有下降。典型的液體壓力p、軸向進(jìn)給位移s與時間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就是液體壓力可根據(jù)需要進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。

圖3 液體壓力、軸向進(jìn)給與時間關(guān)系曲線

液壓打孔的成形機(jī)理

液壓打孔是一個復(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，使用斜沖頭可以獲得較小塌陷；而在多孔異步?jīng)_孔，即沖孔存在沖斷時間差時，對保壓有較高要求，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，沖孔終了時鋼管表面塌陷程度各不相同。壓力大時塌陷較小，壓力較小時塌陷較大。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。這是因為在沖孔過程中，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，這是因為沖頭周圍壓應(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。