凸模結構對厚壁管件無凹模沖孔塌陷的影響研究

王華君，田夢蕓，杜建忠，孫世為，朱 暉

（1.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢艾柯華汽車零部件有限公司，湖北 武漢 430056；3.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

在漸變截面管材零件上沖孔，如果沖孔位置距離管端較遠或管端截面復雜，沖孔凹模無法放置，需采用無凹模沖孔模沖裁。無凹模管材沖孔時，省去了凹模安放和取出的時間，生產效率提高，滿足了現代化大批量生產的需求。

在管件無凹模沖孔加工過程中，由于管壁底部材料無凹模支撐，僅靠凸模對管壁實施沖孔加工，必然要產生凹坑、塌陷等缺陷，直接影響到管件的沖孔質量和工作外觀[1]。一些學者指出，凹坑塌陷的大小除與管材的材質、壁厚、管件的壓緊裝置及沖孔直接有關外，凸模的結構形式是影響凹坑塌陷量的重要因素之一[2][3]。當凸模開始接觸管件時，由于孔緣附近的材料沒有凹模支撐，強大的材料之間的相互作用力使孔緣附近材料隨凸模一起下拉，造成凹坑塌陷，因此應盡量選擇使凹坑塌陷量最小的凸模結構。

通過研究對比，本文分析凸模結構對厚壁管無凹模沖孔塌陷形成的影響，獲得有利于管材無凹模沖孔的凸模結構，并將其應用于異形截面管沖孔的變形過程。

1 管件無凹模沖孔工藝分析

管材無凹模沖孔，是在管內無凹模支承的狀態下，僅靠凸模對管壁實施沖孔加工。顯而易見，管材在空心狀態下沖孔，當凸模對管壁施加的壓力超過管壁本身的剛度所能承受的能力時，管材就會被壓扁，使沖孔加工無法完成。因而如何最大限度地提高管材的剛度是該工藝的要點[4]。本文采用的管件的壓緊裝置為上、下兩塊壓緊塊，下壓緊塊模腔尺寸與管件外輪廓尺寸一致，上壓緊塊的模腔尺寸略小于管件外輪廓，使上壓緊塊能預壓管件。

研究凸模形狀對凹坑大小的影響時，選用了三種凸模對圓形、方形、漸變形（圓截面到方截面過渡截面）三種截面形狀的厚壁直管和彎管進行了沖孔模擬。沖孔孔徑為20mm，圓截面尺寸為?76mm×6mm，方截面管與圓截面管中性層的周長相同，其中彎管彎曲半徑為125mm，彎曲中心角為 128°。

三種凸模形式如圖1 所示，分別為平凸模、尖凸模和新凸模[5][6]。新凸模是在平凸模的基礎上加以改進，即去除平沖頭處材料使原有的平面成為凹坑，沖頭變為圓形刃口，根據凸模刃口結構形式，本文稱這種凸模為凹凸模。

2 凸模結構對厚壁管無凹模沖孔塌陷形成的影響

2.1 載荷—行程曲線

圖2 為三種凸模對圓直管沖孔時的載荷—行程曲線?？梢钥闯?，沖裁過程分為兩個階段：第一階段為無凹模沖孔，第二階段為有凹模沖孔。從圖2a、b可以看出，第一階段的沖孔比第二階段時間長，主要是由于第一階段沖孔時材料的斷裂只能靠凸模作用，采用凹凸模沖孔，切刃大大降低了材料斷裂時間。

從圖2 可以歸納出以下幾點結論：

圖2 凸模載荷—行程曲線

（1）無凹模沖孔時，凹凸模的載荷最小，平凸模與尖凸模的載荷相差不多。

（2）無凹模沖孔時，尖凸模與管壁材料作用的時間最長，平凸模與凹凸模差不多。

（3）平凸模沖孔時，整個作用時間載荷平穩，尖凸模的載荷增加較緩慢，而凹凸模作用于管壁材料時載荷迅速增加。

2.2 凹坑塌陷深度

圖3 為管件無凹模沖孔時孔形狀及凹坑塌陷深度h示意圖。

使用三種凸模分別對不同截面的直管、彎管沖孔，出現的凹坑深度各不相同。表1 為不同截面形式的管件在三種凸模結構下沖孔出現的凹坑塌陷深度值h 的比較，結果表明，使用尖凸模時凹坑深度最大，平凸模次之，凹凸模沖孔時凹陷量最小。

表1 凹坑塌陷深度值h 比較

2.3 影響結果分析

沖孔時，凸模帶動孔緣處材料下拉，直到該處材料的塑性變形達到一定值時，材料分離，孔緣處材料下拉停止，整個過程導致了凹坑的形成。尖凸模沖孔時，這個過程較平凸模和新凸模都較長，因此尖凸模沖孔產生的凹坑深度最大。凹凸模與平凸模相比，凹凸模相當于圓形的切刃，從接觸管件開始，更加容易使材料分離，減短了孔緣處材料下拉的時間，因此出現的凹坑深度最小。

3 異形截面管的無凹模沖孔過程

3.1 異形截面厚壁管無凹模沖孔模擬

異形截面厚壁管在汽車配件中的應用比較廣泛，由于管子形狀的變化可有效利用車體空間，還可以更好地實現不同形狀的端部連接，是比較理想的汽車結構零件[7]。在上述模擬研究的基礎上，對圖4所示汽車底盤中一種厚壁結構管件進行無凹模沖孔。管件一端截面為圓形，規格為?76mm×6mm，另一端為帶有圓弧切口的矩形截面，管件沖孔位置為圖中P 處，即圓形截面與矩形截面過渡區域。從零件形狀上來看，P處距離圓管端較遠，與矩形管端相比，截面形狀相差太大，導致了該管沖孔時只能采用無凹模沖孔。管件沖孔過程中，距離孔距離不同塌陷量也不同，研究表明距離孔邊一定距離時塌陷消失[7]。因此可以通過減小沖孔直徑及后序機加工的方式，提高管件最終沖孔質量。圖5 為管件無凹模沖孔有限元模型。

3.2 結果分析

（a）開始接觸 （b）進程25% （c）進程50% （d）進程75% （e）材料分離

圖6 為無凹模沖孔時孔緣處材料等效應力變化情況。可以看出，凸模剛開始接觸材料時，由于刃口開始切入管壁，只在刃口處產生應力；凸模繼續下行時，開始將孔周圍的材料下拉；到圖6c 所示的情況，沖裁區材料的塑性變形達到了最大值，材料即將分離；材料開始分離時，如圖6d 所示，孔周圍的材料已經開始不受力下拉；到材料完全分離，凹坑形成。由于凸?？梢栽诓牧蟿傞_始接觸時，就使材料開始分離，大大降低了材料之間的作用力，不僅減少了受拉材料的面積，更減少了下拉材料的時間，交互作用下時管件無凹模沖孔產生的凹坑深度較小，達到較好的沖孔質量。

4 結論

與平凸模相比，凹凸模相當于圓形的切刃，更加容易使材料分離。采用凹凸模沖裁管件時，孔緣處材料分離從凸模接觸管壁開始，降低了材料之間的相互作用力，使孔緣周圍隨凸模下拉的材料減少，降低了凹坑深度。

通過深度與作用時間比較，獲得了凸模結構對不同截面厚壁管件無凹模沖孔塌陷的影響方式，發現凹凸模對減少塌陷效果好。同時應用于異形截面管的無凹模沖孔過程，產生的凹坑深度較小，達到了較好的沖孔質量。

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