凸模结构对厚壁管件无凹模冲孔塌陷的影响研究

王华君，田梦芸，杜建忠，孙世为，朱 晖

（1.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉艾柯华汽车零部件有限公司，湖北 武汉 430056；3.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

在渐变截面管材零件上冲孔，如果冲孔位置距离管端较远或管端截面复杂，冲孔凹模无法放置，需采用无凹模冲孔模冲裁。无凹模管材冲孔时，省去了凹模安放和取出的时间，生产效率提高，满足了现代化大批量生产的需求。

在管件无凹模冲孔加工过程中，由于管壁底部材料无凹模支撑，仅靠凸模对管壁实施冲孔加工，必然要产生凹坑、塌陷等缺陷，直接影响到管件的冲孔质量和工作外观[1]。一些学者指出，凹坑塌陷的大小除与管材的材质、壁厚、管件的压紧装置及冲孔直接有关外，凸模的结构形式是影响凹坑塌陷量的重要因素之一[2][3]。当凸模开始接触管件时，由于孔缘附近的材料没有凹模支撑，强大的材料之间的相互作用力使孔缘附近材料随凸模一起下拉，造成凹坑塌陷，因此应尽量选择使凹坑塌陷量最小的凸模结构。

通过研究对比，本文分析凸模结构对厚壁管无凹模冲孔塌陷形成的影响，获得有利于管材无凹模冲孔的凸模结构，并将其应用于异形截面管冲孔的变形过程。

1 管件无凹模冲孔工艺分析

管材无凹模冲孔，是在管内无凹模支承的状态下，仅靠凸模对管壁实施冲孔加工。显而易见，管材在空心状态下冲孔，当凸模对管壁施加的压力超过管壁本身的刚度所能承受的能力时，管材就会被压扁，使冲孔加工无法完成。因而如何最大限度地提高管材的刚度是该工艺的要点[4]。本文采用的管件的压紧装置为上、下两块压紧块，下压紧块模腔尺寸与管件外轮廓尺寸一致，上压紧块的模腔尺寸略小于管件外轮廓，使上压紧块能预压管件。

研究凸模形状对凹坑大小的影响时，选用了三种凸模对圆形、方形、渐变形（圆截面到方截面过渡截面）三种截面形状的厚壁直管和弯管进行了冲孔模拟。冲孔孔径为20mm，圆截面尺寸为∅76mm×6mm，方截面管与圆截面管中性层的周长相同，其中弯管弯曲半径为125mm，弯曲中心角为 128°。

三种凸模形式如图1 所示，分别为平凸模、尖凸模和新凸模[5][6]。新凸模是在平凸模的基础上加以改进，即去除平冲头处材料使原有的平面成为凹坑，冲头变为圆形刃口，根据凸模刃口结构形式，本文称这种凸模为凹凸模。

2 凸模结构对厚壁管无凹模冲孔塌陷形成的影响

2.1 载荷—行程曲线

图2 为三种凸模对圆直管冲孔时的载荷—行程曲线。可以看出，冲裁过程分为两个阶段：第一阶段为无凹模冲孔，第二阶段为有凹模冲孔。从图2a、b可以看出，第一阶段的冲孔比第二阶段时间长，主要是由于第一阶段冲孔时材料的断裂只能靠凸模作用，采用凹凸模冲孔，切刃大大降低了材料断裂时间。

从图2 可以归纳出以下几点结论：

图2 凸模载荷—行程曲线

（1）无凹模冲孔时，凹凸模的载荷最小，平凸模与尖凸模的载荷相差不多。

（2）无凹模冲孔时，尖凸模与管壁材料作用的时间最长，平凸模与凹凸模差不多。

（3）平凸模冲孔时，整个作用时间载荷平稳，尖凸模的载荷增加较缓慢，而凹凸模作用于管壁材料时载荷迅速增加。

2.2 凹坑塌陷深度

图3 为管件无凹模冲孔时孔形状及凹坑塌陷深度h示意图。

使用三种凸模分别对不同截面的直管、弯管冲孔，出现的凹坑深度各不相同。表1 为不同截面形式的管件在三种凸模结构下冲孔出现的凹坑塌陷深度值h 的比较，结果表明，使用尖凸模时凹坑深度最大，平凸模次之，凹凸模冲孔时凹陷量最小。

表1 凹坑塌陷深度值h 比较

2.3 影响结果分析

冲孔时，凸模带动孔缘处材料下拉，直到该处材料的塑性变形达到一定值时，材料分离，孔缘处材料下拉停止，整个过程导致了凹坑的形成。尖凸模冲孔时，这个过程较平凸模和新凸模都较长，因此尖凸模冲孔产生的凹坑深度最大。凹凸模与平凸模相比，凹凸模相当于圆形的切刃，从接触管件开始，更加容易使材料分离，减短了孔缘处材料下拉的时间，因此出现的凹坑深度最小。

3 异形截面管的无凹模冲孔过程

3.1 异形截面厚壁管无凹模冲孔模拟

异形截面厚壁管在汽车配件中的应用比较广泛，由于管子形状的变化可有效利用车体空间，还可以更好地实现不同形状的端部连接，是比较理想的汽车结构零件[7]。在上述模拟研究的基础上，对图4所示汽车底盘中一种厚壁结构管件进行无凹模冲孔。管件一端截面为圆形，规格为∅76mm×6mm，另一端为带有圆弧切口的矩形截面，管件冲孔位置为图中P 处，即圆形截面与矩形截面过渡区域。从零件形状上来看，P处距离圆管端较远，与矩形管端相比，截面形状相差太大，导致了该管冲孔时只能采用无凹模冲孔。管件冲孔过程中，距离孔距离不同塌陷量也不同，研究表明距离孔边一定距离时塌陷消失[7]。因此可以通过减小冲孔直径及后序机加工的方式，提高管件最终冲孔质量。图5 为管件无凹模冲孔有限元模型。

3.2 结果分析

（a）开始接触 （b）进程25% （c）进程50% （d）进程75% （e）材料分离

图6 为无凹模冲孔时孔缘处材料等效应力变化情况。可以看出，凸模刚开始接触材料时，由于刃口开始切入管壁，只在刃口处产生应力；凸模继续下行时，开始将孔周围的材料下拉；到图6c 所示的情况，冲裁区材料的塑性变形达到了最大值，材料即将分离；材料开始分离时，如图6d 所示，孔周围的材料已经开始不受力下拉；到材料完全分离，凹坑形成。由于凸模可以在材料刚开始接触时，就使材料开始分离，大大降低了材料之间的作用力，不仅减少了受拉材料的面积，更减少了下拉材料的时间，交互作用下时管件无凹模冲孔产生的凹坑深度较小，达到较好的冲孔质量。

4 结论

与平凸模相比，凹凸模相当于圆形的切刃，更加容易使材料分离。采用凹凸模冲裁管件时，孔缘处材料分离从凸模接触管壁开始，降低了材料之间的相互作用力，使孔缘周围随凸模下拉的材料减少，降低了凹坑深度。

通过深度与作用时间比较，获得了凸模结构对不同截面厚壁管件无凹模冲孔塌陷的影响方式，发现凹凸模对减少塌陷效果好。同时应用于异形截面管的无凹模冲孔过程，产生的凹坑深度较小，达到了较好的冲孔质量。

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