液压打孔技术在内高压成形中的应用文/高洪宾，王娜·天津市天锻压力机有限公司 高洪宾，硕士，汽车组工艺及模具师，助理工程师，主要从事管式内高压成形工艺及模具方面的研究。 本文采用DYNAFORM有限元软件对某车型底盘的纵臂零件进行内高压成形工艺模拟，得到了该零件的应力、应变分布。通过现场的试验研究，结合有限元模拟结果，探究出管坯焊缝位置对其成形性的影响规律，即管坯焊缝位置与应力集中区重合时，管坯易破裂。 内高压成形的技术应用在飞机、航天器和汽车等领域，节约材料、减小重量和运行中的能量一直是人们长期追求的目标，也是现代先进制造技术发展的趋势之一。为实现轻量化的目标，除了采用轻质材料外，减轻质量的另一个重要途径就是在结构上采用“以空代实”和变断面等强度构件，即对承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用内高压成形的空心结构。这样既可以减轻质量、节约材料，又可以充分利用强化效应增加材料的强度和刚度。因此管材内高压成形在现代工业生产中占有十分重要的地位。 内高压成形是指利用液体作为传力介质使管材成形的一种塑性加工技术，使用的介质多为乳化液，目前工业生产中使用的最大成形压力一般不超过400MPa。 内高压成形技术的主要特点是可以整体成形轴线为二维或三维曲线的异型截面空心零件，管材的初始圆截面可以成形为矩形、梯形、椭圆形或其他异型的封闭截面。 液压打孔技术概述管材液压打孔是在液压成形技术（内高压）日趋成熟的基础上发展起来的一种新型塑性成形技术，作为新型的冲裁方法，对空心零件、轴线为曲线的零件进行冲孔，具有传统加工工艺无法比拟的优点。 液压打孔在整个冲孔过程中不需要凹模，这对于解决由于内部尺寸过小、或者轴线为曲线而导致内部不能安放凹模的零件加工具有很大优势。同时，利用液压冲孔代替激光切孔，对降低零件生产成本，提高生产效率具有重要作用。 液压打孔的过程和分类液压打孔就是液压胀形完成后，在管内液体压力的支撑作用下，利用冲头或管内液体压力将管壁材料分离的一种加工方法。液压打孔的加工过程为，管件完成胀形和模具贴合以后，安装在模具内部的冲孔油缸推动金属冲头向下运动，在冲头力的作用下，材料发生断裂、分离，实现冲孔。期间管壁经三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂分离。其过程如图1所示。  图1 液压冲孔过程 高压液体介质为管件提供背压，以代替金属凹模或冲头，其基本类型可分为液体凹模、液压折弯和液压凸模三种，如图2所示，其中应用最多的是液体凹模。  图2 液压冲孔类型 1-液体凹模 2-液压折弯 3- 液体凸模 三种方法各有特点： ⑴液压凸模所得孔的几何尺寸精度高，孔周材料塌陷小，但所需最小管内液体压力受冲孔直径影响较大，孔直径越小，所需内压越高，由于考虑到密封以及安全因素，采用该种方式冲孔的材料强度不能太高，一般用于铜、铝等有色金属材料液压冲孔。 ⑵对于液压凹模，如果孔径很大，所需冲头直径较大，在模具内需要较大安装空间，这对模具强度提出更高的要求，而且，冲孔完成后，由于冲头作用，管坯表面一定区域会塌陷下凹，所冲孔零件的质量没有前者好，该方法适合于对周围表面和断面要求不高的零件冲孔。该方式的优点是，冲孔力由冲头提供，管内液体压力只起支撑作用，因而利用该方法可以对强度较高材料进行冲孔，此种方法也是目前应用较多的液压冲孔方法。 ⑶液压折弯。为了避免落料进入成形件，往往采用冲孔弯曲，使落料留在成形件上。 液压冲孔属于管类零件内高压成形工艺过程的一个组成部分，在管材胀形之后进行。此时，液体压力通常达到最大值，当材料断裂以后，由于液体少量泄漏，压力会稍有下降。典型的液体压力p、轴向进给位移s与时间t的关系曲线如图3所示。在液压冲孔过程中，成形用的两个轴向油缸活塞位置保持不变，即s恒定。与其他软模冲裁工艺（如橡胶冲裁）相比，液压冲孔最大的特点就是液体压力可根据需要进行无级调节。  图3 液体压力、轴向进给与时间关系曲线 液压打孔的成形机理液压打孔是一个复杂的塑性加工过程，具有明显的物理非线性和几何非线性的大变形特征，下面对其基础理论作简要介绍。 液压打孔的应力、应变分布 基于某产品100mm×100mm矩形低碳钢空心管件，壁厚2mm，冲头直径φ30mm的有限元分析，直观阐述其应力分布。图4所示为等效应力分布图（单位：MPa），图5所示为等效应变图。 可以看出，在冲头刃口附近管件外表面处，等效应力较大，存在明显的应力集中。该部位的金属材料首先由弹性变形进入到屈服状态，产生塑性变形。随着冲压深度的增加，冲头进入管件壁厚的深度也在增加，并形成了垂直的光亮带。等效应力与等效应变的数值不断增加，塑性变形区进一步扩张，并穿透整个壁厚。当等效应力的数值超过材料的强度极限后将会出现裂纹，裂纹扩展导致材料分离。在管件的内表面，由于作用于各处的液体压力相同，且无刚性刃口存在，故应力集中现象不明显。  图4 等效应力分布图  图5 等效应变图 冲头形状对液压冲孔塌陷的影响 ⑴在液压冲孔过程中，通过改变冲头形状可以显著改变冲孔塌陷情况。塌陷程度随着冲头端面倾斜角度的增大而减小，随着冲头圆角的增大而增大，总体表现为圆角冲头的塌陷深度最大，平冲头次之，斜冲头塌陷深度最小。 ⑵不同形状冲头的保压状况不同。平冲头和圆角冲头保压效果良好，斜冲头保压效果较差。 ⑶在单孔冲孔或多孔同步冲孔时，使用斜冲头可以获得较小塌陷；而在多孔异步冲孔，即冲孔存在冲断时间差时，对保压有较高要求，应使用平冲头或者圆角冲头冲孔。 内压对孔周塌陷和孔口形状的影响 ⑴不同压力下进行冲孔，冲孔终了时钢管表面塌陷程度各不相同。压力大时塌陷较小，压力较小时塌陷较大。如果压力继续减小，甚至出现冲头前进相同距离，材料和冲头不能完全分离。 ⑵随着冲孔时管内液体压力的降低，沿管长方向和垂直于管长方向塌陷程度都明显增大。这是因为在冲孔过程中，管内液体压力降低相当于冲裁过程中压边力减小，材料沿冲头方向位移变大，导致塌陷深度增加。 ⑶在同一压力下，沿管长方向塌陷面积大于垂直于管长方向塌陷面积，即沿管长方向塌陷变化较慢，垂直管长方向塌陷变化快。 ⑷孔距边长度对塌陷发展具有一定的限制作用，长度越长，塌陷深度变化越慢，塌陷影响区域越大，反之亦然。 ⑸内压越大，获得的孔口直径越小于公称直径。由于管件纵向和横向尺寸差别较大，对冲孔的形状也有一定的影响，一般来说，孔径沿管材轴向略大，而沿管材横向略小，表现为椭圆形。 内压对断口表面质量的影响 液压冲孔的断口与普通冲孔相似，也存在塌角、光亮带和断裂带。由于断口表面质量对零件的疲劳寿命有影响，塌角影响零件外观质量。应尽量增加断口的光亮带，并减小塌角。研究表明通过提高内压可以显著改善断口表面质量。 随着内压的升高，光亮带占壁厚的比例明显增加，这是因为冲头周围压应力增加延缓了裂纹的发生，另一方面，与传统冲孔相比，由于没有凹模，使得裂纹的产生需要较大的凸模切入，也是导致光亮带增加的原因。 结束语液压打孔技术伴随着内高压成形在汽车工业中的发展而广泛应用，借助其较传统打孔工艺的优势，此技术将进一步改进，从而适应市场需求，液压打孔将是今 后工业打孔的新趋势。 作者简介： |
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