本發(fā)明涉及管件液壓成形裝置及方法，更具體地說(shuō)，涉及一種液壓沖孔翻邊方法及分塊式?jīng)_孔翻邊裝置。

背景技術(shù)：

液壓成形技術(shù)適用于生產(chǎn)空心變截面輕體構(gòu)件，在提高了成形件強(qiáng)度和剛度的同時(shí)又節(jié)約了材料降低了成本，因此在航空、航天和汽車(chē)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。液壓沖孔是在液壓成形模具中，以管內(nèi)液體壓力作為下模，同步完成沖孔，與模外沖孔相比，可以極大提高生產(chǎn)效率，同時(shí)提高沖孔位置精度。液壓沖孔翻邊是在液壓沖孔同時(shí)翻邊一定高度。

近年來(lái)，隨著液壓成形零件應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，對(duì)應(yīng)的零件連接關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜。同時(shí)，隨著鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料的快速發(fā)展，焊接方法不再適用，連接方式也越來(lái)越多樣化，一些液壓成形零件需要沖孔后翻邊一定高度，以鑲嵌其他零件，或用于加工裝配用內(nèi)螺紋。

對(duì)液壓沖孔翻邊，由于沖頭翻邊部分直徑大于沖孔部分直徑，為避免內(nèi)壓作用下材料在中間間隙位置外凸或發(fā)生開(kāi)裂，采用的一種方法是設(shè)計(jì)鑲塊式翻邊沖頭，即沖孔沖頭嵌套翻邊鑲塊或螺母，沖頭完成沖孔后，通過(guò)翻邊鑲塊或螺母完成翻邊。然而，該種方法通過(guò)翻邊鑲塊或螺母較小的R角實(shí)現(xiàn)翻邊，容易發(fā)生開(kāi)裂且翻邊高度受限，且翻邊鑲塊被壓入成形件翻邊孔內(nèi)需人工取出，而螺母通過(guò)該方式嵌入翻邊孔內(nèi)抗拉抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度等存在不足。另外一種方法是，在沖頭中心設(shè)計(jì)盲孔，內(nèi)部安裝彈簧，避免液壓脹形過(guò)程中開(kāi)裂，液壓脹形結(jié)束后，繼續(xù)增大內(nèi)壓，實(shí)現(xiàn)由內(nèi)向外沖孔，之后沖頭下行實(shí)現(xiàn)翻邊，但該種方式在沖孔階段需要很高的內(nèi)壓，隨著當(dāng)前低壓液壓成形應(yīng)用，設(shè)備實(shí)現(xiàn)由內(nèi)向外沖孔困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的液壓沖孔容易發(fā)生開(kāi)裂且翻邊高度受限，并且需要很高內(nèi)壓的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種液壓沖孔翻邊方法及分塊式?jīng)_孔翻邊裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種液壓沖孔翻邊方法，包括：計(jì)算沖孔及翻邊間隙處材料是否發(fā)生開(kāi)裂，并且間隙處材料凸起高度是否小于允許高度；若沖孔直徑和翻邊直徑同時(shí)滿足兩個(gè)條件時(shí)，采用一體式液壓沖孔翻邊；否則，采用分塊式液壓沖孔翻邊。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，判斷是否發(fā)生開(kāi)裂的方法為判斷是否滿足：

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

式中，d1為翻邊直徑，d2為沖孔直徑；pMAX為整個(gè)整形過(guò)程中最大內(nèi)壓；η為系數(shù)，取值范圍為0.65～0.8；σ_τ為材料抗剪強(qiáng)度；t為管件厚度。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，判斷間隙處材料凸起高度是否小于允許高度的方法為判斷是否滿足：

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

式中r為自由脹形半徑；σ′_s為最大壓力下材料的流動(dòng)應(yīng)力；h為脹形凸起高度。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，一體式液壓沖孔翻邊的方法為：一體式液壓沖孔翻邊沖頭下行，先完成沖孔；沖頭繼續(xù)下行，通過(guò)一體式液壓沖孔翻邊沖頭圓弧過(guò)渡段完成翻邊；沖頭回退，完成沖孔翻邊。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，分塊式液壓沖孔翻邊的方法為：液壓脹形過(guò)程中，翻邊沖頭弧形段對(duì)應(yīng)材料受內(nèi)壓作用發(fā)生自由脹形，但凸起高度小于允許值，翻邊沖頭受翻邊擋塊作用不被頂起；在沖孔階段，首先沖孔沖頭下行，楔形滑塊受滑塊擋塊作用，壓縮彈簧受壓，僅沖孔沖頭向下運(yùn)動(dòng)完成沖孔；沖孔沖頭后端立方塊下端面與翻邊沖頭后端立方塊上端面接觸，推動(dòng)翻邊沖頭下行，完成翻邊；沖孔沖頭回退，楔形滑塊受壓縮彈簧作用嵌入滑塊擋塊楔形槽；沖孔沖頭繼續(xù)回退，楔形滑塊帶動(dòng)翻邊沖頭回退到原位。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：

一種分塊式?jīng)_孔翻邊裝置，包括上模、下模、沖孔沖頭、翻邊擋塊、翻邊沖頭。上模為凹字形部件，上模中部的凹陷處設(shè)有沖孔沖頭、翻邊擋塊和翻邊沖頭，上模的底部具有與下模的上部相匹配的凹槽，下模近似于長(zhǎng)方體，其上部具有與上模的底部相匹配的凹槽。翻邊擋塊固定于上模內(nèi)，其中央具有第一通孔，翻邊沖頭設(shè)置于翻邊擋塊的下方，其具有第二通孔，第一通孔和第二通孔對(duì)齊設(shè)置。沖孔沖頭為凸字形部件，其凸出部分伸入 第二通孔內(nèi)，沖孔沖頭和翻邊沖頭可活動(dòng)地設(shè)置于上模內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，上模和下模之間形成管狀空腔，管狀空腔的兩端設(shè)有密封頭。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，沖孔沖頭和翻邊擋塊之間設(shè)有楔形滑塊，楔形滑塊通過(guò)壓縮彈簧與沖孔沖頭相連接。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，翻邊沖頭的沖面包括平面部分及弧形部分。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明的液壓沖孔翻邊方法及分塊式?jīng)_孔翻邊裝置能夠解決液壓沖孔容易發(fā)生開(kāi)裂且翻邊高度受限，并且需要很高內(nèi)壓的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為一體式液壓沖孔翻邊沖頭俯視圖；

圖2為一體式液壓沖孔翻邊沖頭A-A剖視圖；

圖3為一體式液壓沖孔翻邊沖頭局部放大圖；

圖4為沖孔翻邊間隙材料脹形凸起示意圖；

圖5為分塊式液壓沖孔翻邊沖頭俯視圖；

圖6為分塊式液壓沖孔翻邊沖頭B-B剖視圖；

圖7為分塊式液壓沖孔翻邊沖頭C-C剖視圖；

圖8為分塊式液壓沖孔翻邊沖頭C-C剖視圖局部放大圖；

圖9為分塊式液壓沖孔翻邊沖頭脹形凸起局部放大圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明首先公開(kāi)一種液壓沖孔翻邊方法，其包括判斷步驟和選擇步驟。判斷步驟為：計(jì)算沖孔及翻邊間隙處材料是否發(fā)生開(kāi)裂，并且間隙處材料凸起高度是否小于允許高度。選擇步驟為：若沖孔直徑和翻邊直徑同時(shí)滿足兩個(gè)條件時(shí)，采用一體式液壓沖孔翻邊；否則，采用分塊式液壓沖孔翻邊。

在液壓脹形過(guò)程中，管內(nèi)最大壓力發(fā)生在整形過(guò)渡圓角階段，或沖孔階段，保證在該過(guò)程最大內(nèi)壓下，間隙處材料不會(huì)發(fā)生剪切開(kāi)裂引起成形失敗，間隙材料剪切斷裂相當(dāng)于由內(nèi)向外沖環(huán)形孔，需滿足：

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

式中d1為翻邊直徑，

d2為沖孔直徑；

pMAX為整個(gè)整形過(guò)程中最大內(nèi)壓；

η為系數(shù)，一般取0.65～0.8；

σ_τ為材料抗剪強(qiáng)度；

t為管件1厚度。

其次，需保證在最大內(nèi)壓下，間隙處材料發(fā)生脹形凸起高度小于允許高度，不會(huì)發(fā)生脹形開(kāi)裂，且后續(xù)翻邊可將凸起展開(kāi)，保證翻邊面質(zhì)量，最大內(nèi)壓下相當(dāng)于該環(huán)形間隙內(nèi)材料自由脹形，需滿足：

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

式中r為自由脹形半徑；

σ′_s為最大壓力下材料的流動(dòng)應(yīng)力，可采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值簡(jiǎn)化計(jì)算，因小于抗拉強(qiáng)度，保證了不發(fā)生脹形開(kāi)裂；

h為脹形凸起高度，為使后續(xù)翻邊凸起可展開(kāi)，保證翻邊面質(zhì)量，凸起允許高度可取經(jīng)驗(yàn)值2t。

當(dāng)沖孔直徑和翻邊直徑滿足判斷步驟的兩條件時(shí)，設(shè)計(jì)一體式液壓沖孔翻邊沖頭5，如圖1-圖5所示。液壓脹形過(guò)程中，沖孔、翻邊間隙材料凸起，如圖4所示，但不發(fā)生剪切開(kāi)裂及脹形開(kāi)裂，且凸起高度h小于2倍的壁厚。液壓沖孔過(guò)程中，一體式液壓沖孔翻邊沖頭5下行，先完成沖孔，沖頭繼續(xù)下行，通過(guò)一體式液壓沖孔翻邊沖頭5圓弧過(guò)渡段52完成翻邊，之后沖頭回退，完成沖孔翻邊。

當(dāng)沖孔直徑和翻邊直徑不滿足判斷步驟的條件時(shí)，采用分塊式液壓沖孔翻邊沖頭5，如圖6、圖7、圖8、圖9所示，具體包括以下步驟：

液壓脹形過(guò)程中，翻邊沖頭5弧形段對(duì)應(yīng)材料受內(nèi)壓作用發(fā)生自由脹形，但凸起高度小于允許值，翻邊沖頭5受翻邊擋塊7作用不被頂起；

沖孔階段首先沖孔沖頭6下行，楔形滑塊9受滑塊擋塊10作用，壓縮彈簧8受壓，僅沖孔沖頭6向下運(yùn)動(dòng)完成沖孔；

沖孔沖頭6后端立方塊下端面與翻邊沖頭5后端立方塊上端面接觸，推動(dòng)翻邊沖頭5下行，完成翻邊；

沖孔沖頭6回退，楔形滑塊9受壓縮彈簧8作用嵌入滑塊擋塊10楔形槽；

沖孔沖頭6繼續(xù)回退，楔形滑塊9帶動(dòng)翻邊沖頭5回退到原位。

此外，本發(fā)明還公開(kāi)一種上述方法中采用的分塊式?jīng)_孔翻邊裝置，其主要包括上模2、下模3、沖孔沖頭6、翻邊擋塊7、翻邊沖頭5等部件。

上模2為凹字形部件，上模2中部的凹陷處設(shè)有沖孔沖頭6、翻邊擋塊7和翻邊沖頭5，上模2的底部具有與下模3的上部相匹配的凹槽。下模3近似于長(zhǎng)方體，其上部具有與上模2的底部相匹配的凹槽。沖頭所在上模2和下模3對(duì)應(yīng)開(kāi)槽，上模2和下模3之間形成管狀空腔，管狀空腔的兩端設(shè)有密封頭4。

翻邊擋塊7固定于上模2內(nèi)，其中央具有第一通孔，用以控制翻邊沖頭5回退高度，以及在脹形過(guò)程中避免翻邊沖頭5被頂起。

翻邊沖頭5設(shè)置于翻邊擋塊7的下方，其具有第二通孔，第一通孔和第二通孔對(duì)齊設(shè)置。翻邊沖頭5后端加工或裝配立方塊，該立方塊上端面與沖孔沖頭6后端立方塊下端面保持一段距離，沖孔沖頭6下行該段距離后，推動(dòng)翻邊沖頭5下行實(shí)現(xiàn)翻邊。

沖孔沖頭6為凸字形部件，其凸出部分伸入第二通孔內(nèi)，沖孔沖頭6和翻邊沖頭5可活動(dòng)地設(shè)置于上模2內(nèi)。具體來(lái)說(shuō)，沖孔沖頭6的后端加工或裝配立方塊，在立方塊兩側(cè)端面加工矩形槽。沖孔沖頭6和翻邊擋塊7之間設(shè)有楔形滑塊9，楔形滑塊9通過(guò)壓縮彈簧8與沖孔沖頭6相連接。

翻邊沖頭5的沖面包括平面部分及弧形部分?；⌒尾糠謱挾缺M量大以保證翻邊質(zhì)量，平面部分最小寬度通過(guò)計(jì)算不發(fā)生管件1開(kāi)裂，且凸起高度小于允許值的最大間隙距離獲得。

翻邊沖頭5平面部分最小寬度按以下公式計(jì)算，首先為保證在脹形過(guò)程最大內(nèi)壓下，弧形部分對(duì)應(yīng)間隙處材料不會(huì)發(fā)生剪切開(kāi)裂引起成形失敗，需滿足：

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

式中d1為翻邊直徑，

d2為沖孔直徑；

l為翻邊沖頭5平面部分寬度；

pMAX為整個(gè)整形過(guò)程中最大內(nèi)壓；

η為系數(shù)，一般取0.65～0.8；

σ_τ為材料抗剪強(qiáng)度；

t為管件1厚度。

其次，需保證在最大內(nèi)壓下，弧形部分對(duì)應(yīng)間隙處材料發(fā)生脹形凸起 高度小于允許高度，需滿足：

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

式中r為自由脹形半徑；

l為翻邊沖頭5平面部分寬度；

σ′_s為最大壓力下材料的流動(dòng)應(yīng)力，可采用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值簡(jiǎn)化計(jì)算，因小于抗拉強(qiáng)度，保證了不發(fā)生脹形開(kāi)裂；

h為脹形凸起高度，為使后續(xù)翻邊凸起可展開(kāi)，保證翻邊面質(zhì)量，凸起允許高度可取經(jīng)驗(yàn)值2t。

下面通過(guò)2個(gè)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明上述技術(shù)方案：

實(shí)施例1

假設(shè)管件1材料為DC03，壁厚2.5mm，沖孔直徑為6mm，翻邊直徑為12mm，液壓脹形過(guò)程最大內(nèi)壓150MPa，σ_s取200MPa，σ_b取305MPa，塑性材料σ_τ近似取0.6σ_b。

經(jīng)計(jì)算滿足步驟一、及步驟二條件，可采用一體式?jīng)_頭。

實(shí)施例2

假設(shè)管件1材料為6061-T4，壁厚1.5mm，沖孔直徑為9mm，翻邊直徑為18mm，液壓脹形過(guò)程最大內(nèi)壓150MPa，σ_s取164MPa，σ_b取277MPa，塑性材料σ_τ近似取0.6σ_b。

經(jīng)計(jì)算步驟一、及步驟二條件均不滿足，需采用分塊式?jīng)_孔翻邊沖頭5。

翻邊沖頭5平面部分最小寬度l按以下公式計(jì)算，首先為保證在脹形過(guò)程最大內(nèi)壓下，弧形部分對(duì)應(yīng)間隙處材料不會(huì)發(fā)生剪切開(kāi)裂引起成形失敗，需滿足：

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

經(jīng)計(jì)算l≥2.34mm

其次，需保證在最大內(nèi)壓下，弧形部分對(duì)應(yīng)間隙處材料發(fā)生脹形凸起高度小于允許高度，需滿足：

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

經(jīng)計(jì)算l≥0.385mm

則沖孔翻邊沖頭5平面段51部分寬度取2.34mm。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)范圍內(nèi)。