長薄壁管多孔沖孔模的研究*

陳福宇，張 可，王國棟，陳 帥，康曉嵐，張 越

（山東石油化工學院機械與控制工程學院，山東東營 257000）

0 引言

隨著高新技術的迅速發展，帶動著新的材料、工藝不斷創新，作為當今時代機械工程行業中的沖孔機，它也以嶄新的面貌和技術出現在大眾的視野內。國外Ku?dosSH-70A便攜式液壓打孔沖孔機分為：體式液壓銅排沖孔器、IHP分離式液壓彎曲打孔機HP-20[1]。高強度鍛鋼C型頭強度高硬度大，不容易發生形變，高強度退料彈簧可保證不卡模，沖孔定位精準下料無毛刺，沖孔效率高而且方便攜帶，沖孔模具能夠實現快速更換，適用于母線角鋼工字鋼和鐵板的沖孔作業，但無法實現大規模的批量生產和多角度多孔沖孔，工作效率低。

國內手動打孔機又稱手動打孔器、手動沖孔機等別名，其主要以杠桿原理設[1]，利用手動方式帶動打孔機執行部件上下移動與下模配合從而完成打孔。這種方式效率極低[2]。福建省農業機械化研究院，根據張玉華的設計在綜合考慮了壓縮空氣的供給、液壓控制系統的供給、以及鋼管沖壓機的氣動液壓控制系統方案設計的基礎上，對鋼管沖壓機氣動液壓控制系統的各元件進行了選擇與設計計算。以及由臨沂學院機械工程及汽車工程學院和臨沂友誼機器公司研制了專用管道沖磨機[3]，采用了嵌入式微處理器，并設計了等孔距、不等孔距、循環孔距等幾種公式化編程算法通過程序控制的管道移位和沖孔等動作，達到手動輸料、精準沖磨。但都無法實現多孔的多角度沖孔。

即使在國內沖孔業近年來取得很大的進步，但是在如今制造技術快速發展，還是面臨著很多的問題，傳統的鉆銑加工方法，對于長細管件需要進行沖孔加工，效率低，手工加工生產成本高，產品的可靠性差，難以滿足大規模生產的需要，缺乏所需的新產品，生產周期長且效率低，不能滿足用戶的要求。基于這種情況，設計了多孔沖孔裝置，在長薄壁管沖孔加工領域，解決了在加工過程中薄壁管形變問題、一次多孔加工問題、管件旋轉沖孔問題以及自動上下料問題，并對沖孔模具進行分析。

1 薄壁管沖孔方式選取

1.1 鉆孔加工

由于管材管壁厚度較小，使用鉆孔加工不能保證孔的尺寸要求，且生產效率低，不能滿足加工需要。

1.2 有無凹模沖孔加工

管材沖孔可以由模具的結構特征分為有凹模沖孔和無凹模沖孔兩種。

有凹模沖孔，是通過凸、凹模刃口對材料的剪切作用使材料分離從而完成沖孔的。有凹模沖孔相對簡單，零部件的質量更好，不容易出現壓扁坑等缺陷，而是因為這是一個差距沖孔，沖孔不可避免地離開毛刺的內管，管穿孔的多個孔時在不同的方向，模具的拆卸和裝配很繁瑣導致工作效率偏低，因此不能適應大批量生產的要求。管材無凹模沖孔是指在管材在沒有凹模進行支撐的情況下，僅依靠凸模對管壁進行沖孔加工。因為管材使用了無凹模結構導致中空部分不能得到支撐，管材在沖裁力作用下，刀刃處的管壁材料產生變形和壓彎，管材的斷面從圓柱形慢慢變成長橢圓形[4]。管材的側邊和底部周圍的材料逐漸被拉長，會生成塑性變形，而凸模周圍的材料也因為壓彎和變形逐漸產生陷槽。實踐中證明，鋼管沖磨的主要變形特點是壓扁變形和凹陷變形。由上可知，不使用凹模沖孔法的前提是最大程度增加了管材的剛性[5]。因此需要在工藝技術和模具構造等方面采取相應的特殊保護措施，以取得預想的效果。目前此類方法多用作金屬管件等高剛性工件的沖孔。

2 凹模的選型

2.1 凹模的比較和選擇

選擇凸模后，經過查找有關數據，最終選擇了如圖1所規定的4種類型，依次是平凸模、斜凸模、尖凸模和凹凸模。由于實驗要求頻繁換凸模因此凸模結構采用速換技術，材質為Cr12，熱加工硬度為56~62HRC[6]。

圖1 凸模

有尖的沖頭首先使管道與尖端接觸，孔邊緣的材料受到沖頭的影響。由于沖頭不支撐物料，物料之間的有很大的作用力導致孔邊的物料隨凸模向下拉伸。在沖孔過程中，凸模頂端與工件接觸直到分離的行程變長，導致坍塌量比較大。斜凸模孔緣通常采用逐漸接觸工件的方式切割材料，但是因為從斜凸模接觸工件到從工件開始剝離的流程相對比較短，所以材料被拉入陷槽的數量相對比較稀少，而斜凸模當材料逐漸切入孔的最外側時，在孔內部還沒分開的材料對將要分離的材料也有一定支撐效果，從而增加了自身的承載強度，所以沉降率較低，沖孔的效率較好，只會輕微偏心。但對于平凸模或比較凹凸模，因為關鍵表面呈圓弧，所以平凸模或比較凹凸模，長度就會稍長些，相應的表面塌陷率也會大一些，而如果比較凹凸模的R值太小，將明顯加大了表面的張力比凸模更易崩裂。

通過分析以上幾種凸模沖孔的塌陷量仍然比較大，如果要讓孔緣的形變更小，減少塌陷量的是優化凸模結構設計的最有效措施。

2.2 凹模優化

由分析可以看出，沖頭從孔的邊緣逐漸切入管壁。當沖孔速度一定時，孔邊緣接觸時間越長，孔邊緣變形越小。因此，研究一種減小孔邊緣變形的方法更為有益。沖孔的數量在理論上是可行的。因為這個原因，對凸模進行改進，將沖頭的末端切成兩個切面，沖頭的尖角設計為60°。穿孔時逐漸切入管壁，材料逐漸脫離管壁穿孔，穿孔的接觸力是小得多比其他形式的穿孔，和相應的延伸影響孔周圍的材料也小得多，描述了由于材料拉伸和彎曲而引起的孔邊變形量。

3 沖孔模的工作原理

該沖孔機通過排沖模塊、上下料模塊、內支撐模塊，高效率實現在加工長薄壁管過程中，完成對長薄壁管上下料、定位擺放、旋轉進給以及排沖加工等一系列工作，通過電動機驅動飛輪，并通過離合器，傳動齒輪帶動曲柄連桿機構使沖孔刀具上下運動，當沖壓液壓系統快速下行將凸模沖進鋼管，打穿管壁，然后快速返回。并且可根據不同加工要求對管件不同位置實現高效沖孔。沖空刀具采用一排沖孔刀具，快速實現對管件的多孔加工，通過旋轉進給裝置對管件旋轉，實現對管件不同角度沖孔的要求，實現多排沖孔加工。

沖孔加工是借助于常規或專用沖壓設備的動力，使長薄壁管在模具里直接受到沖擊力進行變形，從而獲得一定尺寸的鉆孔。管材、支撐裝置、沖孔刀具和設備是沖孔加工的重要要素。

4 關鍵部位結構

沖孔機由4個主要模塊構成，動力及排沖模塊，如圖2所示，采用多沖頭對長薄管進行排沖且沖頭間距可調整，針對所需不同沖孔需求調整沖頭的間距，以保證多排沖孔的技術要求。此模塊的傳動系統由液壓裝置帶動，凸模以合適速度及力度沖進鋼管，打破管壁，該過程為一個周期，此機構的傳動效率高并且足夠穩定，可以滿足沖頭的往復運動并保證薄壁管孔精度問題以及加工過程中，薄壁管廢料在凹模中滯留的問題［7］。沖頭間距調整設計：可針對所需不同沖孔需求調整沖頭的間距，來保證沖孔的技術要求。

圖2 動力及排沖模塊

內支撐模塊設計如圖3所示，支撐部分采用具有凹模的空心支撐管，以滿足軸力要求和對長薄管的水平變形的精度要求等［8］，以及沖孔過程中及時處理產生的廢料，要求對支撐軸力監測及對長薄管的變形，豎向位移、水平變形及傾斜符合加工要求。

圖3 內支撐模塊

旋轉進給模塊裝置設計，通過對管件旋轉，實現對桿件不同角度沖孔的要求，能保證刀具和管件間旋轉后相對角度位置，實現對管件多排沖孔［9］，如圖4所示。為保證管件不被夾具損毀，對加緊旋轉模塊進行有限元分析，如圖5所示，從有限元分析結果可知，最大應力為3.08 MPa，小于許用應力，滿足強度要求，最大變形量為1.95 mm，滿足剛度要求。從有限元分析結果可知，最大應變為9.150 MPa，小于許用應力，滿足強度要求，最大變形量為1.95 mm，滿足剛度要求。

圖4 夾緊、旋轉及進給模塊

圖5 夾緊旋轉模塊進行有限元分析

5 沖孔分析計算

5.1 無凹模夾具選型

為了防止在沒有模具的工件在沖孔過程中因為沖孔力的作用而導致產生發不穩定因素和對模具的破壞，所以對夾具的結構類型有特殊的要求。在模具中夾緊和固定管子的方法是非常重要的［10］。在生產中，模具夾持固定管件的方法有多種，具體如下。

（1）將管件放在平板上。

（2）將管件放置于帶半圓凹槽的板上。

（3）將管件放置于帶半圓凹槽的板上，其上加一帶半橢圓凹槽壓緊管件。帶半橢圓凹槽的壓料板使管上部分產生彈性變形，并增加其剛度，這使可沖孔的直徑比前兩種增大。

理論研究表明：沖孔直徑與管材壁厚及材料性能之間密切相關［11］。當管件放在平板上時沖孔直徑d為：

式中：b為管材變形區的長度或短小工件的長度，mm；t為管件壁厚，mm；R為管件半徑，mm；σω為管材的許用彎曲應力（抗彎強度）；σs為管材屈服極限。

如果管件放在帶半圓凹槽上時，其沖孔直徑d為：

式中：b為管件支撐在半圓槽板上的長度。

如果，采用模具時，沖孔直徑刀為：

式中：b為帶半橢圓槽壓緊板的長度。

壓緊板加于管件的壓緊力Q1為：

作用方向與水平方向的夾角α=45°時，夾緊板的壓緊力Q1與作用于管子的壓力Q應滿足：

管件變形區在預壓的狀態下，其沖孔的相對直徑會增大。不同D值，可得沖孔直徑d與35鋼管壁厚的對應值。無凹模沖孔時，因管件內無凹模支承，在沖孔部位有局部的塌陷“凹坑”。如圖6所示。

圖6 管材沖孔時形成的“凹坑”

“凹坑”的大小與管材的尺寸、管材種類、沖孔尺寸、模具結構、壓緊力等因素有關，“凹坑”尺寸如表1所示。

表1 管材沖壓成形的“凹坑”尺寸

如果用于高速沖孔，無凹模沖孔模的效率非常高。這種方法現已成功用于工程行業及石油工業中的油井管道的爆炸沖孔［12］。

5.2 沖孔模的計算

（1）沖裁力的計算

式中：P為沖裁力，N；d為沖孔直徑，mm；t為材料厚度，mm；τ為材料的抗剪強度MPa，對于45號鋼，τ=549 MPa。

由公式得：P=112.05 kN。

（2）推件力的計算

式中：P1為推件力，N；P為沖裁力，N；n為同時梗塞在凹模內的廢料數，n=h/t；t為材料厚度mm；h為圓柱形凹模型腔高度mm；K1為推件力系數。

查閱得K1=0.045，由公式得：P1=70.591 5 kN。

總作用力：F1=P+P1=（70.591 5+112.05）kN，故選用Y32-180T壓力機。

6 結束語

本項目在長薄壁管沖孔加工領域，解決了在加工過程中薄壁管形變問題、一次多孔加工問題、管件旋轉沖孔問題以及自動上下料問題，采用多孔沖孔裝置、旋轉進給裝置以及自動上料裝置，實現多孔、旋轉沖孔加工，取代傳統人工上下料、單孔鉆孔方式，操作簡單，易于實現自動化生產，提高生產效率、降低生產成本，有助于實現多孔薄壁管批量生產。對于促進傳統長薄壁管生產方式發展以及在機械加工領域，具有重要的實踐指導意義及良好應用價值。