液壓打孔技術在內高壓成形中的應用

文/高洪賓，王娜·天津市天鍛壓力機有限公司

液壓打孔技術在內高壓成形中的應用

文/高洪賓，王娜·天津市天鍛壓力機有限公司

高洪賓，碩士，汽車組工藝及模具師，助理工程師，主要從事管式內高壓成形工藝及模具方面的研究。

本文采用DYNAFORM有限元軟件對某車型底盤的縱臂零件進行內高壓成形工藝模擬，得到了該零件的應力、應變分布。通過現場的試驗研究，結合有限元模擬結果，探究出管坯焊縫位置對其成形性的影響規律，即管坯焊縫位置與應力集中區重合時，管坯易破裂。

內高壓成形的技術應用

在飛機、航天器和汽車等領域，節約材料、減小重量和運行中的能量一直是人們長期追求的目標，也是現代先進制造技術發展的趨勢之一。為實現輕量化的目標，除了采用輕質材料外，減輕質量的另一個重要途徑就是在結構上采用“以空代實”和變斷面等強度構件，即對承受以彎曲或扭轉載荷為主的構件，采用內高壓成形的空心結構。這樣既可以減輕質量、節約材料，又可以充分利用強化效應增加材料的強度和剛度。因此管材內高壓成形在現代工業生產中占有十分重要的地位。

內高壓成形是指利用液體作為傳力介質使管材成形的一種塑性加工技術，使用的介質多為乳化液，目前工業生產中使用的最大成形壓力一般不超過400MPa。

內高壓成形技術的主要特點是可以整體成形軸線為二維或三維曲線的異型截面空心零件，管材的初始圓截面可以成形為矩形、梯形、橢圓形或其他異型的封閉截面。

液壓打孔技術概述

管材液壓打孔是在液壓成形技術（內高壓）日趨成熟的基礎上發展起來的一種新型塑性成形技術，作為新型的沖裁方法，對空心零件、軸線為曲線的零件進行沖孔，具有傳統加工工藝無法比擬的優點。

液壓打孔在整個沖孔過程中不需要凹模，這對于解決由于內部尺寸過小、或者軸線為曲線而導致內部不能安放凹模的零件加工具有很大優勢。同時，利用液壓沖孔代替激光切孔，對降低零件生產成本，提高生產效率具有重要作用。

液壓打孔的過程和分類

液壓打孔就是液壓脹形完成后，在管內液體壓力的支撐作用下，利用沖頭或管內液體壓力將管壁材料分離的一種加工方法。液壓打孔的加工過程為，管件完成脹形和模具貼合以后，安裝在模具內部的沖孔油缸推動金屬沖頭向下運動，在沖頭力的作用下，材料發生斷裂、分離，實現沖孔。期間管壁經三個階段：彈性變形、塑性變形和斷裂分離。其過程如圖1所示。

圖1 液壓沖孔過程

高壓液體介質為管件提供背壓，以代替金屬凹模或沖頭，其基本類型可分為液體凹模、液壓折彎和液壓凸模三種，如圖2所示，其中應用最多的是液體凹模。

圖2 液壓沖孔類型

三種方法各有特點：

⑴液壓凸模所得孔的幾何尺寸精度高，孔周材料塌陷小，但所需最小管內液體壓力受沖孔直徑影響較大，孔直徑越小，所需內壓越高，由于考慮到密封以及安全因素，采用該種方式沖孔的材料強度不能太高，一般用于銅、鋁等有色金屬材料液壓沖孔。

⑵對于液壓凹模，如果孔徑很大，所需沖頭直徑較大，在模具內需要較大安裝空間，這對模具強度提出更高的要求，而且，沖孔完成后，由于沖頭作用，管坯表面一定區域會塌陷下凹，所沖孔零件的質量沒有前者好，該方法適合于對周圍表面和斷面要求不高的零件沖孔。該方式的優點是，沖孔力由沖頭提供，管內液體壓力只起支撐作用，因而利用該方法可以對強度較高材料進行沖孔，此種方法也是目前應用較多的液壓沖孔方法。

⑶液壓折彎。為了避免落料進入成形件，往往采用沖孔彎曲，使落料留在成形件上。

液壓沖孔屬于管類零件內高壓成形工藝過程的一個組成部分，在管材脹形之后進行。此時，液體壓力通常達到最大值，當材料斷裂以后，由于液體少量泄漏，壓力會稍有下降。典型的液體壓力p、軸向進給位移s與時間t的關系曲線如圖3所示。在液壓沖孔過程中，成形用的兩個軸向油缸活塞位置保持不變，即s恒定。與其他軟模沖裁工藝（如橡膠沖裁）相比，液壓沖孔最大的特點就是液體壓力可根據需要進行無級調節。

圖3 液體壓力、軸向進給與時間關系曲線

液壓打孔的成形機理

液壓打孔是一個復雜的塑性加工過程，具有明顯的物理非線性和幾何非線性的大變形特征，下面對其基礎理論作簡要介紹。

液壓打孔的應力、應變分布

基于某產品100mm×100mm矩形低碳鋼空心管件，壁厚2mm，沖頭直徑φ30mm的有限元分析，直觀闡述其應力分布。圖4所示為等效應力分布圖（單位：MPa），圖5所示為等效應變圖。

可以看出，在沖頭刃口附近管件外表面處，等效應力較大，存在明顯的應力集中。該部位的金屬材料首先由彈性變形進入到屈服狀態，產生塑性變形。隨著沖壓深度的增加，沖頭進入管件壁厚的深度也在增加，并形成了垂直的光亮帶。等效應力與等效應變的數值不斷增加，塑性變形區進一步擴張，并穿透整個壁厚。當等效應力的數值超過材料的強度極限后將會出現裂紋，裂紋擴展導致材料分離。在管件的內表面，由于作用于各處的液體壓力相同，且無剛性刃口存在，故應力集中現象不明顯。

圖4 等效應力分布圖

圖5 等效應變圖

沖頭形狀對液壓沖孔塌陷的影響

⑴在液壓沖孔過程中，通過改變沖頭形狀可以顯著改變沖孔塌陷情況。塌陷程度隨著沖頭端面傾斜角度的增大而減小，隨著沖頭圓角的增大而增大，總體表現為圓角沖頭的塌陷深度最大，平沖頭次之，斜沖頭塌陷深度最小。

⑵不同形狀沖頭的保壓狀況不同。平沖頭和圓角沖頭保壓效果良好，斜沖頭保壓效果較差。

⑶在單孔沖孔或多孔同步沖孔時，使用斜沖頭可以獲得較小塌陷；而在多孔異步沖孔，即沖孔存在沖斷時間差時，對保壓有較高要求，應使用平沖頭或者圓角沖頭沖孔。

內壓對孔周塌陷和孔口形狀的影響

⑴不同壓力下進行沖孔，沖孔終了時鋼管表面塌陷程度各不相同。壓力大時塌陷較小，壓力較小時塌陷較大。如果壓力繼續減小，甚至出現沖頭前進相同距離，材料和沖頭不能完全分離。

⑵隨著沖孔時管內液體壓力的降低，沿管長方向和垂直于管長方向塌陷程度都明顯增大。這是因為在沖孔過程中，管內液體壓力降低相當于沖裁過程中壓邊力減小，材料沿沖頭方向位移變大，導致塌陷深度增加。

⑶在同一壓力下，沿管長方向塌陷面積大于垂直于管長方向塌陷面積，即沿管長方向塌陷變化較慢，垂直管長方向塌陷變化快。

⑷孔距邊長度對塌陷發展具有一定的限制作用，長度越長，塌陷深度變化越慢，塌陷影響區域越大，反之亦然。

⑸內壓越大，獲得的孔口直徑越小于公稱直徑。由于管件縱向和橫向尺寸差別較大，對沖孔的形狀也有一定的影響，一般來說，孔徑沿管材軸向略大，而沿管材橫向略小，表現為橢圓形。

內壓對斷口表面質量的影響

液壓沖孔的斷口與普通沖孔相似，也存在塌角、光亮帶和斷裂帶。由于斷口表面質量對零件的疲勞壽命有影響，塌角影響零件外觀質量。應盡量增加斷口的光亮帶，并減小塌角。研究表明通過提高內壓可以顯著改善斷口表面質量。

隨著內壓的升高，光亮帶占壁厚的比例明顯增加，這是因為沖頭周圍壓應力增加延緩了裂紋的發生，另一方面，與傳統沖孔相比，由于沒有凹模，使得裂紋的產生需要較大的凸模切入，也是導致光亮帶增加的原因。

結束語

液壓打孔技術伴隨著內高壓成形在汽車工業中的發展而廣泛應用，借助其較傳統打孔工藝的優勢，此技術將進一步改進，從而適應市場需求，液壓打孔將是今 后工業打孔的新趨勢。