液压冲孔翻边方法及分块式冲孔翻边装置

摘要

本发明公开了一种液压冲孔翻边方法及分块式冲孔翻边装置，翻边方法包括：计算冲孔及翻边间隙处材料是否发生开裂，并且间隙处材料凸起高度是否小于允许高度。若冲孔直径和翻边直径同时满足所述两个条件时，采用一体式液压冲孔翻边；否则，采用分块式液压冲孔翻边。分块式冲孔翻边装置包括上模、下模、冲孔冲头、翻边挡块、翻边冲头。

说明书

技术领域

本发明涉及管件液压成形装置及方法，更具体地说，涉及一种液压冲孔翻边方法及分块式冲孔翻边装置。

背景技术

液压成形技术适用于生产空心变截面轻体构件，在提高了成形件强度和刚度的同时又节约了材料降低了成本，因此在航空、航天和汽车领域具有广泛应用。液压冲孔是在液压成形模具中，以管内液体压力作为下模，同步完成冲孔，与模外冲孔相比，可以极大提高生产效率，同时提高冲孔位置精度。液压冲孔翻边是在液压冲孔同时翻边一定高度。

近年来，随着液压成形零件应用领域不断扩展，对应的零件连接关系越来越复杂。同时，随着铝合金、镁合金等轻质材料的快速发展，焊接方法不再适用，连接方式也越来越多样化，一些液压成形零件需要冲孔后翻边一定高度，以镶嵌其他零件，或用于加工装配用内螺纹。

对液压冲孔翻边，由于冲头翻边部分直径大于冲孔部分直径，为避免内压作用下材料在中间间隙位置外凸或发生开裂，采用的一种方法是设计镶块式翻边冲头，即冲孔冲头嵌套翻边镶块或螺母，冲头完成冲孔后，通过翻边镶块或螺母完成翻边。然而，该种方法通过翻边镶块或螺母较小的R角实现翻边，容易发生开裂且翻边高度受限，且翻边镶块被压入成形件翻边孔内需人工取出，而螺母通过该方式嵌入翻边孔内抗拉抗扭转强度等存在不足。另外一种方法是，在冲头中心设计盲孔，内部安装弹簧，避免液压胀形过程中开裂，液压胀形结束后，继续增大内压，实现由内向外冲孔，之后冲头下行实现翻边，但该种方式在冲孔阶段需要很高的内压，随着当前低压液压成形应用，设备实现由内向外冲孔困难。

发明内容

针对现有技术中存在的液压冲孔容易发生开裂且翻边高度受限，并且需要很高内压的问题，本发明的目的是提供一种液压冲孔翻边方法及分块式冲孔翻边装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种液压冲孔翻边方法，包括：计算冲孔及翻边间隙处材料是否发生开裂，并且间隙处材料凸起高度是否小于允许高度；若冲孔直径和翻边直径同时满足两个条件时，采用一体式液压冲孔翻边；否则，采用分块式液压冲孔翻边。

根据本发明的一实施例，判断是否发生开裂的方法为判断是否满足：

$\frac{\pi }{4}\times (d_1^2-d_2^2)\times p_{MAX}<\eta \times \pi \times (d_1+d_2)\times t\times {\sigma }_{\tau }$

式中，d1为翻边直径，d2为冲孔直径；pMAX为整个整形过程中最大内压；η为系数，取值范围为0.65～0.8；σ_τ为材料抗剪强度；t为管件厚度。

根据本发明的一实施例，判断间隙处材料凸起高度是否小于允许高度的方法为判断是否满足：

$\frac{p_{MAX}\times r}{t}<{\sigma }_s^{\prime },$其中，${\left(\frac{d_1-d_2}{4}\right)}^2+{(r-h)}^2=r^2;$

式中r为自由胀形半径；σ′_s为最大压力下材料的流动应力；h为胀形凸起高度。

根据本发明的一实施例，一体式液压冲孔翻边的方法为：一体式液压冲孔翻边冲头下行，先完成冲孔；冲头继续下行，通过一体式液压冲孔翻边冲头圆弧过渡段完成翻边；冲头回退，完成冲孔翻边。

根据本发明的一实施例，分块式液压冲孔翻边的方法为：液压胀形过程中，翻边冲头弧形段对应材料受内压作用发生自由胀形，但凸起高度小于允许值，翻边冲头受翻边挡块作用不被顶起；在冲孔阶段，首先冲孔冲头下行，楔形滑块受滑块挡块作用，压缩弹簧受压，仅冲孔冲头向下运动完成冲孔；冲孔冲头后端立方块下端面与翻边冲头后端立方块上端面接触，推动翻边冲头下行，完成翻边；冲孔冲头回退，楔形滑块受压缩弹簧作用嵌入滑块挡块楔形槽；冲孔冲头继续回退，楔形滑块带动翻边冲头回退到原位。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种分块式冲孔翻边装置，包括上模、下模、冲孔冲头、翻边挡块、翻边冲头。上模为凹字形部件，上模中部的凹陷处设有冲孔冲头、翻边挡块和翻边冲头，上模的底部具有与下模的上部相匹配的凹槽，下模近似于长方体，其上部具有与上模的底部相匹配的凹槽。翻边挡块固定于上模内，其中央具有第一通孔，翻边冲头设置于翻边挡块的下方，其具有第二通孔，第一通孔和第二通孔对齐设置。冲孔冲头为凸字形部件，其凸出部分伸入 第二通孔内，冲孔冲头和翻边冲头可活动地设置于上模内。

根据本发明的一实施例，上模和下模之间形成管状空腔，管状空腔的两端设有密封头。

根据本发明的一实施例，冲孔冲头和翻边挡块之间设有楔形滑块，楔形滑块通过压缩弹簧与冲孔冲头相连接。

根据本发明的一实施例，翻边冲头的冲面包括平面部分及弧形部分。

在上述技术方案中，本发明的液压冲孔翻边方法及分块式冲孔翻边装置能够解决液压冲孔容易发生开裂且翻边高度受限，并且需要很高内压的问题。

附图说明

图1为一体式液压冲孔翻边冲头俯视图；

图2为一体式液压冲孔翻边冲头A-A剖视图；

图3为一体式液压冲孔翻边冲头局部放大图；

图4为冲孔翻边间隙材料胀形凸起示意图；

图5为分块式液压冲孔翻边冲头俯视图；

图6为分块式液压冲孔翻边冲头B-B剖视图；

图7为分块式液压冲孔翻边冲头C-C剖视图；

图8为分块式液压冲孔翻边冲头C-C剖视图局部放大图；

图9为分块式液压冲孔翻边冲头胀形凸起局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明首先公开一种液压冲孔翻边方法，其包括判断步骤和选择步骤。判断步骤为：计算冲孔及翻边间隙处材料是否发生开裂，并且间隙处材料凸起高度是否小于允许高度。选择步骤为：若冲孔直径和翻边直径同时满足两个条件时，采用一体式液压冲孔翻边；否则，采用分块式液压冲孔翻边。

在液压胀形过程中，管内最大压力发生在整形过渡圆角阶段，或冲孔阶段，保证在该过程最大内压下，间隙处材料不会发生剪切开裂引起成形失败，间隙材料剪切断裂相当于由内向外冲环形孔，需满足：

$\frac{\pi }{4}\times (d_1^2-d_2^2)\times p_{MAX}<\eta \times \pi \times (d_1+d_2)\times t\times {\sigma }_{\tau }$

式中d1为翻边直径，

d2为冲孔直径；

pMAX为整个整形过程中最大内压；

η为系数，一般取0.65～0.8；

σ_τ为材料抗剪强度；

t为管件1厚度。

其次，需保证在最大内压下，间隙处材料发生胀形凸起高度小于允许高度，不会发生胀形开裂，且后续翻边可将凸起展开，保证翻边面质量，最大内压下相当于该环形间隙内材料自由胀形，需满足：

$\frac{p_{MAX}\times r}{t}<{\sigma }_s^{\prime },$其中，如图4所示，${\left(\frac{d_1-d_2}{4}\right)}^2+{(r-h)}^2=r^2$

式中r为自由胀形半径；

σ′_s为最大压力下材料的流动应力，可采用屈服强度和抗拉强度的平均值简化计算，因小于抗拉强度，保证了不发生胀形开裂；

h为胀形凸起高度，为使后续翻边凸起可展开，保证翻边面质量，凸起允许高度可取经验值2t。

当冲孔直径和翻边直径满足判断步骤的两条件时，设计一体式液压冲孔翻边冲头5，如图1-图5所示。液压胀形过程中，冲孔、翻边间隙材料凸起，如图4所示，但不发生剪切开裂及胀形开裂，且凸起高度h小于2倍的壁厚。液压冲孔过程中，一体式液压冲孔翻边冲头5下行，先完成冲孔，冲头继续下行，通过一体式液压冲孔翻边冲头5圆弧过渡段52完成翻边，之后冲头回退，完成冲孔翻边。

当冲孔直径和翻边直径不满足判断步骤的条件时，采用分块式液压冲孔翻边冲头5，如图6、图7、图8、图9所示，具体包括以下步骤：

液压胀形过程中，翻边冲头5弧形段对应材料受内压作用发生自由胀形，但凸起高度小于允许值，翻边冲头5受翻边挡块7作用不被顶起；

冲孔阶段首先冲孔冲头6下行，楔形滑块9受滑块挡块10作用，压缩弹簧8受压，仅冲孔冲头6向下运动完成冲孔；

冲孔冲头6后端立方块下端面与翻边冲头5后端立方块上端面接触，推动翻边冲头5下行，完成翻边；

冲孔冲头6回退，楔形滑块9受压缩弹簧8作用嵌入滑块挡块10楔形槽；

冲孔冲头6继续回退，楔形滑块9带动翻边冲头5回退到原位。

此外，本发明还公开一种上述方法中采用的分块式冲孔翻边装置，其主要包括上模2、下模3、冲孔冲头6、翻边挡块7、翻边冲头5等部件。

上模2为凹字形部件，上模2中部的凹陷处设有冲孔冲头6、翻边挡块7和翻边冲头5，上模2的底部具有与下模3的上部相匹配的凹槽。下模3近似于长方体，其上部具有与上模2的底部相匹配的凹槽。冲头所在上模2和下模3对应开槽，上模2和下模3之间形成管状空腔，管状空腔的两端设有密封头4。

翻边挡块7固定于上模2内，其中央具有第一通孔，用以控制翻边冲头5回退高度，以及在胀形过程中避免翻边冲头5被顶起。

翻边冲头5设置于翻边挡块7的下方，其具有第二通孔，第一通孔和第二通孔对齐设置。翻边冲头5后端加工或装配立方块，该立方块上端面与冲孔冲头6后端立方块下端面保持一段距离，冲孔冲头6下行该段距离后，推动翻边冲头5下行实现翻边。

冲孔冲头6为凸字形部件，其凸出部分伸入第二通孔内，冲孔冲头6和翻边冲头5可活动地设置于上模2内。具体来说，冲孔冲头6的后端加工或装配立方块，在立方块两侧端面加工矩形槽。冲孔冲头6和翻边挡块7之间设有楔形滑块9，楔形滑块9通过压缩弹簧8与冲孔冲头6相连接。

翻边冲头5的冲面包括平面部分及弧形部分。弧形部分宽度尽量大以保证翻边质量，平面部分最小宽度通过计算不发生管件1开裂，且凸起高度小于允许值的最大间隙距离获得。

翻边冲头5平面部分最小宽度按以下公式计算，首先为保证在胀形过程最大内压下，弧形部分对应间隙处材料不会发生剪切开裂引起成形失败，需满足：

$\frac{\pi }{4}\times [d_1^2-{(d_2+l)}^2]\times p_{MAX}<\eta \times \pi \times (d_1+d_2+l)\times t\times {\sigma }_{\tau }$

式中d1为翻边直径，

d2为冲孔直径；

l为翻边冲头5平面部分宽度；

pMAX为整个整形过程中最大内压；

η为系数，一般取0.65～0.8；

σ_τ为材料抗剪强度；

t为管件1厚度。

其次，需保证在最大内压下，弧形部分对应间隙处材料发生胀形凸起 高度小于允许高度，需满足：

$\frac{p_{MAX}\times r}{t}<{\sigma }_s^{\prime },$其中，如图5所示，${\left(\frac{d_1-d_2-2l}{4}\right)}^2+{(r-h)}^2=r^2$

式中r为自由胀形半径；

l为翻边冲头5平面部分宽度；

σ′_s为最大压力下材料的流动应力，可采用屈服强度和抗拉强度的平均值简化计算，因小于抗拉强度，保证了不发生胀形开裂；

h为胀形凸起高度，为使后续翻边凸起可展开，保证翻边面质量，凸起允许高度可取经验值2t。

下面通过2个实施例来进一步说明上述技术方案：

实施例1

假设管件1材料为DC03，壁厚2.5mm，冲孔直径为6mm，翻边直径为12mm，液压胀形过程最大内压150MPa，σ_s取200MPa，σ_b取305MPa，塑性材料σ_τ近似取0.6σ_b。

经计算满足步骤一、及步骤二条件，可采用一体式冲头。

实施例2

假设管件1材料为6061-T4，壁厚1.5mm，冲孔直径为9mm，翻边直径为18mm，液压胀形过程最大内压150MPa，σ_s取164MPa，σ_b取277MPa，塑性材料σ_τ近似取0.6σ_b。

经计算步骤一、及步骤二条件均不满足，需采用分块式冲孔翻边冲头5。

翻边冲头5平面部分最小宽度l按以下公式计算，首先为保证在胀形过程最大内压下，弧形部分对应间隙处材料不会发生剪切开裂引起成形失败，需满足：

$\frac{\pi }{4}\times [d_1^2-{(d_2+l)}^2]\times p_{MAX}<\eta \times \pi \times (d_1+d_2+l)\times t\times {\sigma }_{\tau }$

经计算l≥2.34mm

其次，需保证在最大内压下，弧形部分对应间隙处材料发生胀形凸起高度小于允许高度，需满足：

$\frac{p_{MAX}\times r}{t}<{\sigma }_s^{\prime },$其中，如图4所示，${\left(\frac{d_1-d_2-2l}{4}\right)}^2+{(r-h)}^2=r^2$

经计算l≥0.385mm

则冲孔翻边冲头5平面段51部分宽度取2.34mm。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。