王錦旗，劉騰遠(yuǎn)

（河鋼集團(tuán)衡水薄板有限責(zé)任公司，河北 衡水053000）

鋼管無(wú)凹模雙向沖孔工藝

王錦旗，劉騰遠(yuǎn)

（河鋼集團(tuán)衡水薄板有限責(zé)任公司，河北 衡水053000）

為了滿(mǎn)足沖孔鋼管的裝配要求，對(duì)鋼管無(wú)凹模沖孔變形特征及影響因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為鋼管材質(zhì)和磨具結(jié)構(gòu)形式是影響鋼管沖孔質(zhì)量的主要因素。通過(guò)材質(zhì)選擇和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)了一種無(wú)凹模沖孔工藝，保障沖孔鋼管的尺寸精度及生產(chǎn)效率。結(jié)果顯示，該種工藝克服了鋼管無(wú)凹模沖孔凹陷、壓扁變形嚴(yán)重的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鋼管無(wú)凹模雙向沖孔，提高了鋼管沖孔的精度和生產(chǎn)效率。

鋼管；無(wú)凹模沖孔；尺寸精度；壓扁變形；凹陷變形；生產(chǎn)效率

1 概 述

沖孔鋼管在整體結(jié)構(gòu)中主要起固定和連接其他工件的作用。為滿(mǎn)足裝配要求，鋼管加工后必須保持較好的直線(xiàn)度，同時(shí)外徑必須保持在合理范圍內(nèi)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的某一沖孔鋼管如圖1所示，在直徑26.5 mm、壁厚2.75 mm的焊接鋼管上，沿長(zhǎng)度方向加工若干個(gè)Φ10 mm×20 mm的腰鼓形通孔。傳統(tǒng)的加工方法為先鉆一個(gè)Φ10 mm的底孔，然后再銑削長(zhǎng)孔。該方法工藝繁瑣，生產(chǎn)工步多，周期長(zhǎng)，加工效率低，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

為提高生產(chǎn)效率，本研究改用沖裁加工的方法。在圓弧面上尤其是空心鋼管表面的沖孔不同于在平面鋼板上沖孔，由于沒(méi)有底模支撐，鋼管表面很容易發(fā)生凹陷變形甚至?xí)粔罕狻Ｒ虼?，解決沖孔中鋼管的變形問(wèn)題，是整個(gè)加工的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，克服了鋼管局部變形超差問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鋼管無(wú)凹模雙向沖孔，大大提高了生產(chǎn)效率。

圖1 沖孔橫管

2 鋼管無(wú)凹模沖孔工藝分析

2.1 無(wú)凹模沖孔變形機(jī)理

通常的沖孔模具都是由凸模和凹模組成，工件在沖擊力作用下，凸、凹模之間的材料產(chǎn)生彈性變形、塑性變形及斷裂3個(gè)階段的變化，最終與母體分離。鋼管的沖孔是在無(wú)凹模的情況下進(jìn)行的，研究表明，它同樣具有彈性變形、塑性變形、斷裂以及分離4個(gè)階段。無(wú)凹模沖孔過(guò)程如圖2所示，在彈性變形階段，當(dāng)凸模向管壁施加壓力時(shí)，管壁靠其本身的剛度來(lái)支承；在塑性變形階段，當(dāng)凸模傳遞的壓力超過(guò)管壁可承受的力時(shí)，管壁材料在刃口處發(fā)生壓縮和彎曲，刃口周邊材料和底部材料則發(fā)生拉伸而產(chǎn)生塑性變形，逐漸形成凹坑；斷裂和分離階段，凸模擠入管壁，塑性變形達(dá)到極限產(chǎn)生微裂紋，刃口附近材料因凸模的擠入而形成光亮的斷面，此時(shí)凸模刃口處的材料和底部材料都受到拉伸作用出現(xiàn)頸縮而產(chǎn)生塑性斷裂，與有凹模沖裁不同的是，沖頭要完全穿透材料才能將被沖裁部分與母體分離。

圖2 無(wú)凹模沖孔過(guò)程

2.2 鋼管無(wú)凹模沖孔變形特征及影響因素

2.2.1 鋼管無(wú)凹模沖孔變形特征

由于鋼管中空部分無(wú)法使用凹模支撐，在沖裁力作用下，刃口處管壁材料發(fā)生壓縮和彎曲，鋼管截面由圓形逐漸變成橢圓形；刃口周邊和底部材料則發(fā)生拉伸而產(chǎn)生塑性變形，凸模周邊材料由于彎曲和拉伸，逐漸形成凹坑。實(shí)踐表明，鋼管沖孔的變形特征是壓扁和凹陷變形，如圖3所示。

圖3 鋼管無(wú)凹模沖孔變形實(shí)例

2.2.2 鋼管無(wú)凹模沖孔變形的影響因素

鋼管壓扁動(dòng)力模態(tài)解如圖4所示，從圖中可以進(jìn)一步了解鋼管在外力作用下的變形情況。

雙向?qū)ΨQ(chēng)載荷下（無(wú)側(cè)向約束）管子的變形為四塑鉸變形（圖4（a）），在載荷作用下圓管被壓扁，最終圓管的兩個(gè)半圓塑性屈服，直至管壁完全接觸；而在有側(cè)向約束的情況下（圖4（b）），圓管的變形過(guò)程是在載荷和約束共同作用下，鋼管壁由線(xiàn)接觸變?yōu)槊娼佑|，管壁首先向附近空曠的區(qū)域塑性擴(kuò)展，圓管逐漸變?yōu)榫匦喂堋?/p>

圖4 鋼管受壓塑性變形圖解

從上面的分析可以看出，影響鋼管變形有兩個(gè)因素。首先，沖孔模具的影響。沖孔管變形量的大小取決于模具的結(jié)構(gòu)形式，模具的徑向支撐力可以顯著提高鋼管的剛度。由此可見(jiàn)，在沖孔過(guò)程中，對(duì)鋼管施加徑向約束，使鋼管圓周保持受壓狀態(tài)，阻止管壁塑性區(qū)域的擴(kuò)展，這樣當(dāng)沖頭向管壁施加壓力時(shí)，被沖的這部分管壁向外擴(kuò)展就受到抑制，管壁只能沿沖壓方向拉伸，從而大大減小鋼管的變形，使沖孔加工得以順利進(jìn)行。

其次，鋼管材料的影響。實(shí)踐證明，不同材質(zhì)的原料其碳含量和合金含量不同，鋼管的力學(xué)性能也存在差異。含碳量低的材料，塑性和韌性較好，但其強(qiáng)度較低，斷裂前管壁彎曲和拉伸變形較大，鋼管塌陷嚴(yán)重甚至壓扁，出現(xiàn)了沖片與鋼管不能分離即沖不透的現(xiàn)象；含碳量高的材料，強(qiáng)度較高，壓扁和塌陷變形小，凹坑淺，容易達(dá)到工藝要求。本研究分別對(duì)Q195、Q215B、Q235B三種材質(zhì)的鋼管進(jìn)行了沖孔試驗(yàn)，結(jié)果表明，Q195、Q215B兩種材質(zhì)的鋼管均存在較嚴(yán)重的壓扁和沖不透的問(wèn)題，Q235B鋼管沖孔后可以滿(mǎn)足鋼管的變形要求，符合工件的尺寸要求。

3 鋼管無(wú)凹模沖孔模具設(shè)計(jì)

從上述分析可知，鋼管始終處于徑向受壓狀態(tài)，管壁只能沿沖頭方向拉伸，而不向其他方向變形擴(kuò)展，是保障鋼管沖孔質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于鋼管無(wú)凹模雙向沖孔，鋼管同時(shí)受到來(lái)自垂直方向兩個(gè)外力的擠壓，要保持鋼管橢圓度不超差，沖孔模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

3.1 模具結(jié)構(gòu)及各部件的作用

某規(guī)格產(chǎn)品沖孔模具的結(jié)構(gòu)如圖5所示。本模具的關(guān)鍵是沖頭從相反方向同時(shí)對(duì)鋼管施加壓力。圖5中的下沖模由固定板1、固定板2、套、橡膠圈、沖頭、管托、壓蓋與底座組成，整體固定在沖床的工作臺(tái)上。上沖模的組成與下沖?；鞠嗤ぷ鲿r(shí)，下沖模靜止不動(dòng)，上沖模隨滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)鋼管的沖孔。

圖5 鋼管無(wú)凹模沖孔模具結(jié)構(gòu)

管托是模具的關(guān)鍵部件，上、下管托各有一個(gè)與鋼管直徑相同的半圓弧裝置，對(duì)鋼管起支撐作用；橡膠圈放置在管托的下部，靜止?fàn)顟B(tài)下，橡膠圈在彈力作用下使管托處于套的頂端，工作時(shí)被壓縮的橡膠圈對(duì)管托產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，從而使鋼管受到圓周方向的壓緊力。同時(shí)，橡膠圈還起到脫模的作用。管壁被沖透后，沖頭嵌在管壁中，上模滑塊上行時(shí)，橡膠圈的反彈力推動(dòng)管托，將工件從沖頭上脫出；沖頭是模具的主要部件，固定在連接板上，靜止?fàn)顟B(tài)下，沖頭刃口位于管托內(nèi)（比圓弧頂稍低），工作時(shí)隨上、下模的不斷接近，刃口擠壓管壁直至沖孔完成。

3.2 模具的工作原理

先將工件放置在下模管托上，隨滑塊下行上模管托接觸到工件，此時(shí)上、下模管托抱緊鋼管，滑塊繼續(xù)下行，壓縮橡膠圈，同時(shí)橡膠圈對(duì)管托形成反作用力壓緊鋼管，鋼管圓周受到徑向壓力，對(duì)鋼管起到支撐作用；隨著上、下模具的接近，沖頭刃口接觸到管壁使材料由彈性彎曲到塑性變形，當(dāng)滑塊下行至最低點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生斷裂分離，管壁材料被頂入鋼管內(nèi)部，沖頭嵌入管壁之中?；瑝K上行，施加在橡膠圈上的力被釋放，在橡膠圈彈力作用下管托逐漸復(fù)位，同時(shí)，管托推動(dòng)鋼管從沖頭上脫出，完成了一個(gè)循環(huán)的沖孔過(guò)程。

由于上、下模具結(jié)構(gòu)相同，沖孔過(guò)程中橡膠圈被壓縮程度相同，因此上、下沖頭基本上同時(shí)完成沖孔過(guò)程。沖孔過(guò)程中，上、下管托在橡膠圈的作用下一直壓緊鋼管，增加了鋼管抗沖擊變形的強(qiáng)度，管托上的圓弧限制了管壁材料向周?chē)冃紊煺沟目臻g，因此，鋼管的變形只能沿沖頭沖制方向拉伸彎曲，最終在鋼管沖孔區(qū)域形成凹坑，而在與沖頭垂直的方向鋼管形狀和尺寸保持不變。

4 模具的調(diào)整及注意事項(xiàng)

鋼管無(wú)凹模雙向沖孔，上、下沖頭從相反的方向同時(shí)沖入管內(nèi)，在確保沖透的前提下，滑塊的行程越小越好，這樣避免了上、下模在工作過(guò)程中頂撞在一起，因此模具調(diào)整非常重要。

模具位置的調(diào)整目的是保證沖孔位置一致，不出現(xiàn)偏差。將上、下模具按圖紙要求組裝在一起，上模安裝在沖床的滑塊上，并按工件要求調(diào)整好模具方向，滑塊處于行程的最上方，下模放在沖床工作臺(tái)上。人工轉(zhuǎn)動(dòng)慣性輪使滑塊緩慢下落，使上、下模具的管托剛好接觸，調(diào)整下模前、后、左、右位置與上模對(duì)齊，最后將下模底座固定在沖床工作臺(tái)上，即完成模具的位置調(diào)整。

模具行程調(diào)整時(shí)，當(dāng)滑塊處于行程最下方時(shí)，調(diào)整滑塊微調(diào)絲杠，使上、下沖頭之間距離控制在一個(gè)合理范圍。這個(gè)合理區(qū)間是保證沖孔正常進(jìn)行的必要條件，尺寸大可能會(huì)出現(xiàn)沖孔不透或沖片與母體分離不清的情況；尺寸小沖頭嵌入管壁太深，造成脫模困難甚至上、下沖頭頂撞而破壞模具。行程調(diào)整的最佳尺寸是在保證沖片與母體分離的情況下，沖頭嵌入管內(nèi)越少越好。

值得注意的是，管托、沖頭和橡膠圈都是易損件，在使用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)鋼管的變形程度，沖孔毛刺的大小以及脫模的的難易程度進(jìn)行更換，以保證沖孔質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 論

（1）鋼管無(wú)凹模沖孔。由于鋼管中空部分無(wú)法使用凹模支撐，在沖裁力的作用下，鋼管的變形特征是壓扁變形和凹陷變形。

（2）鋼管本身的材質(zhì)影響沖孔管的變形大小。含碳量低的材料，其強(qiáng)度較低，塑性變形能力強(qiáng)，易壓扁塌陷出現(xiàn)較深凹坑；含碳量高的材料，強(qiáng)度較高，變形抗力較大，壓扁和塌陷變形小，凹坑淺。本產(chǎn)品選擇Q235B材質(zhì)的鋼管，可以滿(mǎn)足鋼管的變形要求。

（3）沖孔管變形量的大小取決于模具的結(jié)構(gòu)形式。模具對(duì)鋼管施加徑向約束，使鋼管圓周保持受壓狀態(tài)，能顯著提高鋼管的剛度，阻止管壁塑性區(qū)域的擴(kuò)展，減小鋼管的變形程度，本文所述沖模結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足工件的變形要求。

[1]杜東福，茍文熙.冷沖壓模具設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1994.

[2]魏公際，龔小濤，彭成允，等.管材無(wú)凹模沖孔變形機(jī)理分析與有限元模擬[J].模具工業(yè)，2008（10）：36-38.

[3]顧紅軍，方維鳳，郭勝鵬.薄壁鋼管動(dòng)力全屈曲變形分析及計(jì)算[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[4]閆鳳榮，陳龍超.鋼管無(wú)凹模沖孔工藝的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，1999（9）：31-32.

[5]彭城允，譚文娟，龔小濤.管材無(wú)凹模沖孔工藝與模具設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2006，32（2）：22-24.

[6]劉國(guó)勛.金屬學(xué)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[7]樊東黎.熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[8]譚文娟，彭成允，陳和清，等.鋼管無(wú)凹模沖孔凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].模具工業(yè)，2007，33（6）：30-33.

[9]閻鳳榮，陳龍超.鋼管無(wú)凹模沖孔模簡(jiǎn)介與應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工），2000（6）：34-37.

[10]朱超，覃才友.圓鋼管無(wú)凹模沖孔的凸模結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（3）：74-77.

Bidirectional Punching without Concave Die Process for Steel Pipe

WANG Jinqi，LIU Tengyuan
（Hengstrip Company of HBIS Group Co.， Ltd.， Hengshui 053000， Hebei， China）

In order to meet the matching requirements of punching steel pipe，the deformation feature and influence factors of non-concave die punching pipe were analyzed.It considered that the major factors that affected the punching quality were steel pipe material and die structure.By material selection and die structure design，a kind of non-concave die punching process was improved to ensure dimensional accuracy and production efficiency of punching steel pipe.According to the results，the process overcame the problems of steel pipe punching sunken deformation of non-concave die and serious flattening deformation，realized steel pipe bidirectional punching without concave die，and improved the accuracy and production efficiency of punching steel pipe.

steel pipe； without concave die punching； dimensional accuracy； flattening deformation； sunken deformation；production efficiency

TG386.43

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.012

王錦旗（1977—），男，本科，主要從事金屬

材料機(jī)械加工工藝及冷沖模具設(shè)計(jì)。

2017－08－04

陳長(zhǎng)青