钢管无凹模双向冲孔工艺王锦旗，刘腾远 （河钢集团衡水薄板有限责任公司，河北 衡水053000） 摘 要：为了满足冲孔钢管的装配要求，对钢管无凹模冲孔变形特征及影响因素进行了分析，认为钢管材质和磨具结构形式是影响钢管冲孔质量的主要因素。通过材质选择和模具结构设计，改进了一种无凹模冲孔工艺，保障冲孔钢管的尺寸精度及生产效率。结果显示，该种工艺克服了钢管无凹模冲孔凹陷、压扁变形严重的问题，实现了钢管无凹模双向冲孔，提高了钢管冲孔的精度和生产效率。 关键词：钢管；无凹模冲孔；尺寸精度；压扁变形；凹陷变形；生产效率 1 概 述冲孔钢管在整体结构中主要起固定和连接其他工件的作用。为满足装配要求，钢管加工后必须保持较好的直线度，同时外径必须保持在合理范围内。实际生产过程中的某一冲孔钢管如图1所示，在直径26.5 mm、壁厚2.75 mm的焊接钢管上，沿长度方向加工若干个Φ10 mm×20 mm的腰鼓形通孔。传统的加工方法为先钻一个Φ10 mm的底孔，然后再铣削长孔。该方法工艺繁琐，生产工步多，周期长，加工效率低，不能满足生产需求。 为提高生产效率，本研究改用冲裁加工的方法。在圆弧面上尤其是空心钢管表面的冲孔不同于在平面钢板上冲孔，由于没有底模支撑，钢管表面很容易发生凹陷变形甚至会被压扁。因此，解决冲孔中钢管的变形问题，是整个加工的关键。通过对模具结构的优化设计，克服了钢管局部变形超差问题，实现了钢管无凹模双向冲孔，大大提高了生产效率。  图1 冲孔横管 2 钢管无凹模冲孔工艺分析2.1 无凹模冲孔变形机理通常的冲孔模具都是由凸模和凹模组成，工件在冲击力作用下，凸、凹模之间的材料产生弹性变形、塑性变形及断裂3个阶段的变化，最终与母体分离。钢管的冲孔是在无凹模的情况下进行的，研究表明，它同样具有弹性变形、塑性变形、断裂以及分离4个阶段。无凹模冲孔过程如图2所示，在弹性变形阶段，当凸模向管壁施加压力时，管壁靠其本身的刚度来支承；在塑性变形阶段，当凸模传递的压力超过管壁可承受的力时，管壁材料在刃口处发生压缩和弯曲，刃口周边材料和底部材料则发生拉伸而产生塑性变形，逐渐形成凹坑；断裂和分离阶段，凸模挤入管壁，塑性变形达到极限产生微裂纹，刃口附近材料因凸模的挤入而形成光亮的断面，此时凸模刃口处的材料和底部材料都受到拉伸作用出现颈缩而产生塑性断裂，与有凹模冲裁不同的是，冲头要完全穿透材料才能将被冲裁部分与母体分离。  图2 无凹模冲孔过程 2.2 钢管无凹模冲孔变形特征及影响因素2.2.1 钢管无凹模冲孔变形特征由于钢管中空部分无法使用凹模支撑，在冲裁力作用下，刃口处管壁材料发生压缩和弯曲，钢管截面由圆形逐渐变成椭圆形；刃口周边和底部材料则发生拉伸而产生塑性变形，凸模周边材料由于弯曲和拉伸，逐渐形成凹坑。实践表明，钢管冲孔的变形特征是压扁和凹陷变形，如图3所示。  图3 钢管无凹模冲孔变形实例 2.2.2 钢管无凹模冲孔变形的影响因素钢管压扁动力模态解如图4所示，从图中可以进一步了解钢管在外力作用下的变形情况。 双向对称载荷下（无侧向约束）管子的变形为四塑铰变形（图4（a）），在载荷作用下圆管被压扁，最终圆管的两个半圆塑性屈服，直至管壁完全接触；而在有侧向约束的情况下（图4（b）），圆管的变形过程是在载荷和约束共同作用下，钢管壁由线接触变为面接触，管壁首先向附近空旷的区域塑性扩展，圆管逐渐变为矩形管。  图4 钢管受压塑性变形图解 从上面的分析可以看出，影响钢管变形有两个因素。首先，冲孔模具的影响。冲孔管变形量的大小取决于模具的结构形式，模具的径向支撑力可以显著提高钢管的刚度。由此可见，在冲孔过程中，对钢管施加径向约束，使钢管圆周保持受压状态，阻止管壁塑性区域的扩展，这样当冲头向管壁施加压力时，被冲的这部分管壁向外扩展就受到抑制，管壁只能沿冲压方向拉伸，从而大大减小钢管的变形，使冲孔加工得以顺利进行。 其次，钢管材料的影响。实践证明，不同材质的原料其碳含量和合金含量不同，钢管的力学性能也存在差异。含碳量低的材料，塑性和韧性较好，但其强度较低，断裂前管壁弯曲和拉伸变形较大，钢管塌陷严重甚至压扁，出现了冲片与钢管不能分离即冲不透的现象；含碳量高的材料，强度较高，压扁和塌陷变形小，凹坑浅，容易达到工艺要求。本研究分别对Q195、Q215B、Q235B三种材质的钢管进行了冲孔试验，结果表明，Q195、Q215B两种材质的钢管均存在较严重的压扁和冲不透的问题，Q235B钢管冲孔后可以满足钢管的变形要求，符合工件的尺寸要求。 3 钢管无凹模冲孔模具设计从上述分析可知，钢管始终处于径向受压状态，管壁只能沿冲头方向拉伸，而不向其他方向变形扩展，是保障钢管冲孔质量的关键。对于钢管无凹模双向冲孔，钢管同时受到来自垂直方向两个外力的挤压，要保持钢管椭圆度不超差，冲孔模具的结构设计是关键。 3.1 模具结构及各部件的作用某规格产品冲孔模具的结构如图5所示。本模具的关键是冲头从相反方向同时对钢管施加压力。图5中的下冲模由固定板1、固定板2、套、橡胶圈、冲头、管托、压盖与底座组成，整体固定在冲床的工作台上。上冲模的组成与下冲模基本相同，工作时，下冲模静止不动，上冲模随滑块往复运动，完成对钢管的冲孔。  图5 钢管无凹模冲孔模具结构 管托是模具的关键部件，上、下管托各有一个与钢管直径相同的半圆弧装置，对钢管起支撑作用；橡胶圈放置在管托的下部，静止状态下，橡胶圈在弹力作用下使管托处于套的顶端，工作时被压缩的橡胶圈对管托产生强大的挤压力，从而使钢管受到圆周方向的压紧力。同时，橡胶圈还起到脱模的作用。管壁被冲透后，冲头嵌在管壁中，上模滑块上行时，橡胶圈的反弹力推动管托，将工件从冲头上脱出；冲头是模具的主要部件，固定在连接板上，静止状态下，冲头刃口位于管托内（比圆弧顶稍低），工作时随上、下模的不断接近，刃口挤压管壁直至冲孔完成。 3.2 模具的工作原理先将工件放置在下模管托上，随滑块下行上模管托接触到工件，此时上、下模管托抱紧钢管，滑块继续下行，压缩橡胶圈，同时橡胶圈对管托形成反作用力压紧钢管，钢管圆周受到径向压力，对钢管起到支撑作用；随着上、下模具的接近，冲头刃口接触到管壁使材料由弹性弯曲到塑性变形，当滑块下行至最低点时产生断裂分离，管壁材料被顶入钢管内部，冲头嵌入管壁之中。滑块上行，施加在橡胶圈上的力被释放，在橡胶圈弹力作用下管托逐渐复位，同时，管托推动钢管从冲头上脱出，完成了一个循环的冲孔过程。 由于上、下模具结构相同，冲孔过程中橡胶圈被压缩程度相同，因此上、下冲头基本上同时完成冲孔过程。冲孔过程中，上、下管托在橡胶圈的作用下一直压紧钢管，增加了钢管抗冲击变形的强度，管托上的圆弧限制了管壁材料向周围变形伸展的空间，因此，钢管的变形只能沿冲头冲制方向拉伸弯曲，最终在钢管冲孔区域形成凹坑，而在与冲头垂直的方向钢管形状和尺寸保持不变。 4 模具的调整及注意事项钢管无凹模双向冲孔，上、下冲头从相反的方向同时冲入管内，在确保冲透的前提下，滑块的行程越小越好，这样避免了上、下模在工作过程中顶撞在一起，因此模具调整非常重要。 模具位置的调整目的是保证冲孔位置一致，不出现偏差。将上、下模具按图纸要求组装在一起，上模安装在冲床的滑块上，并按工件要求调整好模具方向，滑块处于行程的最上方，下模放在冲床工作台上。人工转动惯性轮使滑块缓慢下落，使上、下模具的管托刚好接触，调整下模前、后、左、右位置与上模对齐，最后将下模底座固定在冲床工作台上，即完成模具的位置调整。 模具行程调整时，当滑块处于行程最下方时，调整滑块微调丝杠，使上、下冲头之间距离控制在一个合理范围。这个合理区间是保证冲孔正常进行的必要条件，尺寸大可能会出现冲孔不透或冲片与母体分离不清的情况；尺寸小冲头嵌入管壁太深，造成脱模困难甚至上、下冲头顶撞而破坏模具。行程调整的最佳尺寸是在保证冲片与母体分离的情况下，冲头嵌入管内越少越好。 值得注意的是，管托、冲头和橡胶圈都是易损件，在使用过程中应根据钢管的变形程度，冲孔毛刺的大小以及脱模的的难易程度进行更换，以保证冲孔质量和生产效率。 5 结 论（1）钢管无凹模冲孔。由于钢管中空部分无法使用凹模支撑，在冲裁力的作用下，钢管的变形特征是压扁变形和凹陷变形。 （2）钢管本身的材质影响冲孔管的变形大小。含碳量低的材料，其强度较低，塑性变形能力强，易压扁塌陷出现较深凹坑；含碳量高的材料，强度较高，变形抗力较大，压扁和塌陷变形小，凹坑浅。本产品选择Q235B材质的钢管，可以满足钢管的变形要求。 （3）冲孔管变形量的大小取决于模具的结构形式。模具对钢管施加径向约束，使钢管圆周保持受压状态，能显著提高钢管的刚度，阻止管壁塑性区域的扩展，减小钢管的变形程度，本文所述冲模结构能够满足工件的变形要求。 参考文献： [1]杜东福，苟文熙.冷冲压模具设计[M].南京：东南大学出版社，1994. 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[10]朱超，覃才友.圆钢管无凹模冲孔的凸模结构优化设计[J].锻压技术，2015，40（3）：74-77. 作者简介：王锦旗（1977—），男，本科，主要从事金属 材料机械加工工艺及冷冲模具设计。 收稿日期： 2017－08－04 编辑：陈长青 Bidirectional Punching without Concave Die Process for Steel Pipe WANG Jinqi，LIU Tengyuan Abstract: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. Key words:steel pipe； without concave die punching； dimensional accuracy； flattening deformation； sunken deformation；production efficiency 中图分类号：TG386.43 文献标志码：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.012 |
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