凸緣的翻孔鐓粗過程研究

鄢光旭，王新云，金俊松，鄧磊

（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074）

現今，翻孔工藝已經作為一種常見的塑性成形工藝應用于工業生產中。由于近年來汽車行業與航空航天制造業的飛速發展，對各種零部件的外形和功能提出了更高的要求，在塑性成形領域，傳統單一的塑性成形工藝已經不能夠滿足生產生活的需求。復合塑性成形工藝逐漸開始被應用于生產生活中。以翻孔為例，傳統單一的翻孔工藝通常先將坯料置于凹模上，然后壓邊圈壓緊，最后采用凸模沿著凹模軸向運動的方式，將坯料的中心部分成形為凸緣直壁端。然而傳統的單一翻孔技術現如今已經很難滿足產品的高質量和特殊尺寸的要求，通常存在凸緣部分嚴重彎曲，凸緣高度小，凸緣厚度不均及凸緣部分減薄嚴重等缺陷［1—6］。針對這些問題，研究者們做了大量相關的研究，并對翻孔工藝提出了各種各樣的改進方案。曾霞文等人［7］分析了平環坯內外徑尺寸對拉深翻孔成形過程的影響。Sutasn Thipprakmas等人［8］借助有限元與實驗相結合的方法，對比研究了精密沖裁孔與普通沖裁孔對翻孔凸緣質量的影響，研究表明，翻孔凸緣質量隨著預制孔斷面的質量的提高而提高;Abdelkader Krichen等人［9］針對鋁合金的翻孔過程，研究了壓邊力對翻孔凸緣質量的影;Z.Cui等人［10］采用了多道次翻孔的工藝來成形高度很大的翻孔件，并且研究了多次翻孔后的凸緣的質量;Ahmed Kacem等人［11］針對鋁合金的變薄翻孔過程，研究了翻孔過程中凸凹模間隙大小對翻孔凸緣質量的影響，并進一步研究了翻孔速度、坯料與模具之間的摩擦因數對凸緣精度的影響。研究者們在這些研究過程中提出了一些用于減少翻孔質量缺陷的工藝方案，如在翻孔過程中施加方向壓邊力，調整翻孔的壓邊力，采用變薄翻邊或提高中心預制孔的質量［12—13］，但是這些方法都不能用于成形文中所要求的不減薄的凸緣（凸緣厚度等于法蘭厚度）翻孔件。

針對該翻孔件，提出了翻孔后對凸緣進行鐓粗的復合塑性成形方法，即先利用翻孔在凸緣部分積累坯料，然后采用鐓粗的方式，對凸緣部分進行增厚。為了獲得完好無缺陷的不減薄凸緣，對該零件成形的翻孔及鐓粗過程進行了研究。

1 翻孔及沖鍛參數

該翻孔件的材料為08Al，該材料密度為7.8 g/mm3，彈性模量為207 GPa，屈服強度為175 MPa，抗拉極限強度為325 MPa，泊松比為0.3［24］。翻孔件的尺寸如圖1所示。

圖1 翻孔件二維尺寸Fig.1 Schematic diagram of the dimensions of 2D flange

該翻孔件的成形過程是先翻孔，在凸緣處積累坯料，然后再鐓粗凸緣，獲得與原始坯料厚度一致的凸緣，其成形過程示意圖如圖2所示。

圖2 翻孔鐓粗成形示意Fig.2 Schematic diagram of hole flanging-upsetting process

為完成對翻孔及沖鍛精度過程的研究，需要對模具的外形尺寸進行控制。翻孔模具如圖2所示。坯料尺寸參數:坯料初始厚度t、翻孔凸模半徑Rp、翻孔凹模半徑Rd、翻孔凸模圓角半徑Rp1、翻孔凹模圓角半徑Rd1、翻孔間隙大小C1、鐓粗凹模圓角Rd2、鐓粗芯模圓角Rm、精整間隙大小Cf、鐓粗間隙大小Cu分別為 2.0，21.0 ～21.5，23.0，6.0，1.0 ～1.8，1.5 ～2.0，1.0 ～1.8，3.0 ～3.6，1.5 ～2.0，1.8 ～2.0 mm。

翻孔凸臺鐓粗后最終高度為10 mm，依據塑性成形過程中體積不變的原則，設定單次翻孔后的總高度h為12 mm。依據公式（1）［15］計算:

式中:d0為預制孔直徑;dm為單次翻孔后的凸緣內徑，其值等于Rd。經過計算得到，圓板的預制孔的直徑為24.6 mm。

為研究不同參數對翻孔鐓粗過程的影響，在此定義Rc為凸凹模間隙C與坯料初始厚度t0的比值，定義Rf為凹模圓角Rd與坯料初始厚度t0的比值;同時定義Ru為凸緣鐓粗前后的厚度的比值。

2 有限元模擬

整個翻孔與鐓粗增厚過程均軸對稱，故采用通用有限元軟件ABAQUS建立軸對稱二維模型。因為其主要研究對象為凸緣的翻孔及鐓粗過程，特忽略材料各向異性，選取材料為各向同性，然后劃分網格，網格采用正四邊形網格，選取坯料網格邊長為0.2 mm?？紤]到坯料大變形成形的問題，應用網格重劃分模型，設定模具與坯料間的摩擦系數為0.1。翻孔過程沖頭的速度設定為5 mm/s，而鐓粗過程凸緣的高度較小，速度選用1 mm/s。

3 實驗

實驗在1000 kN的伺服壓力機上進行。由于提高的預制中心孔斷面的質量會提高翻孔件的質量，因此預制孔的沖孔采用線切割。翻孔過程中為研究Rc的變化對翻孔質量的影響，需要改變Rc的大小，保持翻孔凹模的尺寸不變，通過改變翻孔凸模尺寸的大小來改變Rc的值小。實驗過程主要分析了影響翻孔及鐓粗過程的主要因素（凸凹模間隙及圓角半徑）的影響，設定翻孔過程的速度為5 mm/s，而鐓粗過程凸緣的高度較小，速度選用1 mm/s，均與模擬過程的模型參數設定一致。

4 結果及討論

4.1 凸緣翻孔研究

為獲得質量良好的不減薄凸緣，首先要獲得適宜于鐓粗的翻孔凸緣。通常影響翻孔凸緣鐓粗過程的因素有翻孔凸緣圓角處的厚度、凸緣端部的厚度、凸緣筆直部分高度占凸緣總高度的比值、凸緣部分的筆直度偏差等因素。模擬結果表明，影響翻孔件凸緣這些質量因素的參數主要為Rf與Rc，其中Rf主要影響翻孔凸緣的圓角的大小，而Rc對凸緣圓角的影響幾乎可以忽略。為討論Rf的影響，現在限定Rc為0.8（鐓粗成形時候選定Rc為0.8時，鐓粗比達到最大值），討論Rf為0.5～0.9（增量選為0.1）的圓角值對翻孔凸緣質量的影響。模擬及實驗的對比如圖3所示。

圖3 Rf不同時模擬及實驗翻孔的輪廓結果Fig.3 Results of flanging shapes versus Rf

結果表明，Rf大小對翻孔凸緣質量的影響主要在凸緣圓角處的厚度。經過尺寸測量結果可得，隨著Rf值從0.5到0.9增大，翻孔凸緣圓角處的厚度增大。這是因為，隨著翻孔過程中凹模圓角的增大，圓角處的坯料受到的徑向的應力減小，坯料減薄得少。

模擬結果顯示，Rc值的大小影響翻孔凸緣的凸緣端部的厚度、凸緣筆直部分高度占總凸緣高度的比值、凸緣部分的筆直度等因素，而Rf對這些質量因素的影響較小。為研究Rc的大小對翻孔質量的影響，設定Rf為0.6（鐓粗成形時候選定Rf為0.6時，鐓粗比達到最大值），取Rc為 0.75，0.8，0.85，0.9，1.0的模型進行實驗和模擬的對比分析，其結果的對比如圖4所示。

結果表明，不同的Rc值下凸緣結果差別很大，經過尺寸測量，當Rc為0.75，0.8，0.85時，凸緣頂端的厚度略有增加，這是因為變薄擠壓過程中，坯料由圓角處往凸凹模之間運動，但是，當坯料還未被擠壓到凸緣頂端時，變薄翻邊過程已經結束;而當Rc為0.85～1.0時，凸緣頂端的厚度值變化也不大。這是由于當Rc處在這一范圍內時，翻孔成形幾乎無擠壓過程的發生，凸緣的頂端變薄是因為頂端坯料受到較大的拉應力的作用。此外，當Rc從0.75變化到1.0時，凸緣輪廓母線的筆直度偏差增大，這是由于Rc增大，受到擠壓的坯料減少，成形凸緣時坯料受到的約束少，坯料自由度增大，因此筆直度偏差變大。最后隨著Rc的值從0.75到1.0變化時，凸緣筆直部分高度占凸緣總高度（不考慮凸緣圓角部分）的比值減小，同樣也是由于隨著Rc值的變大，變薄擠壓過程減少，坯料貼合模具部分減少。

圖4 Rc不同時模擬及實驗翻孔的輪廓結果Fig.4 Results of flanging shapes versus Rc

4.2 凸緣鐓粗過程研究

從翻孔結果可知，翻孔件的凸緣通常并不是理想的筆直的情況，而且相比原來的坯料，凸緣圓角處及凸緣部分都會存在變薄的現象，這些質量因素都會影響凸緣鐓粗過程中的鐓粗比，為獲得無折疊的鐓粗凸緣，必須對凸緣鐓粗時的鐓粗比進行研究。研究的2個主要因素仍然為Rf及Rc的大小，其余參數與翻孔過程保持一致。模擬顯示，當Rc為0.8，Rf為0.6時凸緣獲得最大的鐓粗比。為研究Rf對凸緣鐓粗比的影響，限定Rc為0.8，對Rf從0.5到0.9（增量為0.1）的模型的翻孔凸緣進行鐓粗極限比的模擬及實驗，結果如圖5所示。

圖5 Rf不同時凸緣單次鐓粗的輪廓截面Fig.5 Sectional view of upsetting flanging shapes of finished extremity for different Rfvalues

結果表明，當Rf為0.6（Rc為0.8）時，凸緣的單次鐓粗比達到極大值1.25，因為若凹模圓角較大時，凸緣鐓粗時易在凹模圓角處發生折疊，凹模圓角太小，又會在凸緣處發生折疊。

為研究Rc對凸緣鐓粗過程的影響，限定Rf為0.6，對Rc為0.75～1.0變化時的模型的極限鐓粗比進行有限元模擬及實驗，其結果對比圖如圖6所示。

圖6 Rc不同時凸緣單次鐓粗的輪廓截面Fig.6 Sectional view of upsetting flanging shapes of finished extremity for different Rcvalues

結果顯示，當Rc為0.85時，單次鐓粗可以獲得最大厚度的凸緣，為2.04 mm，而當Rc為0.8，Rf為0.6時，凸緣的鐓粗比達到最大值1.25。當Rc為1.0時，坯料筆直度誤差太大，穩定性較差，凸緣鐓粗時發生折疊。不同Rc下鐓粗后的凸緣厚度與初始坯料厚度關系如圖7所示。

圖7 Rc不同時單次鐓粗后的凸緣厚度Fig.7 The thickness of flange after upsetting versus Rc

結果表明，當Rf為0.6時，Rc為0.80～0.86時，翻孔后單次鐓粗可以獲得初始厚度2 mm的凸緣。

5 結論

1）翻孔過程中，隨著凹模圓角從1.0到1.8的增大，翻孔后凸緣在凹模圓角處的厚度有所增大;隨著凸凹模間隙從1.5到2.0的增大，翻孔后凸緣端部的厚度變化不大，凸緣筆直度偏差增大，凸緣筆直部分高度占總凸緣高度的比值增大。

2）鐓粗過程中，單次鐓粗時，當Rc為0.8，Rf為0.6時，鐓粗比達到極大值1.25，而當Rc為0.85時，單次鐓粗獲得最大厚度為2.04 mm的凸緣;當Rf為0.6，Rc為0.80～0.86時，翻孔凸緣一次鐓粗即可以獲得初始厚度為2 mm的無缺陷的凸緣。

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