2有限元模型及参数设定

　　由于冲头为圆形，简化为近似轴对称模型，冲头和压块为刚性体，管坯是塑性体；网格划分采用不同区域网格疏密程度不同，冲头下方网格较密，其密度是管坯末端密度的10倍，*小网格尺寸为0. 07 mm.在变形过程中，当冲头的切入深度达到网格*小尺寸的1/ 3时，网格断裂重划。管坯材料模型为Hill各向同性弹塑性模型，符合Mises屈服准则，硬化曲线为幂函数。Coulomb系数取0. 12.在对称轴处，在垂直对称轴方向位移为零，外边界固定，冲头进给速度保持恒定，其大小为0. 02 mm/ s.压力在每次冲孔过程中，压力值都保持恒定。

　　由于液压冲孔成形过程影响因素很多，为了研究各参数对成形的影响，当研究某一参数的影响时，仅改变该参数数值，其它所有参数值保持不变。本文主要研究管内液体压力p、冲头直径d、及材料厚度t对成形的影响。

　　3工艺参数对液压冲孔的影响

　　3. 1管内液体压力的影响

　　管内液体压力的变化对材料的塌陷深度和塌陷区域面积有着显著的影响。分别为管内液体压力处于40 MPa和120 MPa ，冲头前进不同距离时材料的变形情况。

　　当内压为40 MPa ，冲头前进1. 6 mm时，冲头还没有切入材料，直到冲头前进2. 4 mm后才开始切入材料；而当内压为120 MPa ，冲头前进0. 6 mm时就已经开始切入材料，当冲头前进距离达到1. 6 mm时，材料已经发生断裂。从40 MPa和120 MPa下的变形过程可以看出，不同压力下材料的塌陷深度和塌陷宽度相差很大，而且压力越大，冲头切入材料深度也越大。

　　在冲孔过程中，在不同支撑内压下，当冲头发生相同位移（模拟中冲头前进3 mm）时，对不同压力情况下的塌陷尺寸和冲头推力进行分析。

　　内压与塌陷深度和塌陷宽度的关系所示。可以看出，随着内压的增加，塌陷深度明显减小，而且变化幅度大。内压为200 MPa时的塌陷深度仅为10 MPa的1/ 3.这说明，在成形过程中，适当增加内压，能够显著减小塌陷尺寸。

　　内压不仅影响塌陷深度，而且影响塌陷宽度。在冲孔过程中，当管内液体压力为200 MPa时，塌陷宽度仅为11. 8 mm ，而当内压下降到10 MPa时，塌陷宽度却达到20. 5 mm.因而，在冲孔过程中采用较大内压，可以避免变形区域大范围塌陷。

　　在冲孔过程中，当液体压力变化时，冲头推力的变化也很大，其关系所示。随着液体压力的升高，冲头的推力呈增大的趋势。可以看出，在冲孔过程中，内压不同，冲头推力*大点到来的时刻也不一样，推力达到*大时，材料发生断裂。随着内压的增加，冲头推力达到*大的时刻提前。当内压为10 MPa时，需经过120 s ，冲头前进2. 4 mm时推力达*大；而当内压为200 MPa时，只需经过52 s ，冲头前进1. 04 mm时推力达*大。

　　3. 2冲头直径的影响

　　当冲头直径的大小发生改变时，不仅塌陷尺寸变化明显，冲头推力的*大值也发生显著变化，而且推力达到*大值时冲头的位移也各不相同，不同冲头直径与塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积的关系。

　　当其它条件一定时，塌陷深度尺寸随冲头直径的增大而增大，塌陷宽度面积也越大。

　　当冲头直径为4 mm时，冲头*大推力为21 kN ，当直径增加到18 mm时，冲头*大推力为116 kN ，增加了4. 5倍。此外，随着直径的增加，当冲头推力达到*大时冲头位移也不一样，其关系如（c）所示，在冲头直径为4 mm时，冲头的*大位移为0. 6 mm ，而当冲头直径增加到18 mm时，冲头的*大位移变为2. 4 mm ，增加了3倍。

　　3. 3材料壁厚的影响

　　考虑到壁厚变化的因素，不同壁厚下的塌陷尺寸和冲头位移都不采用绝对位移，而采用相对位移，即位移与不同情况下的壁厚之比。从 （a）可以看出，壁厚增加时，相对塌陷尺寸明显减小。但是壁厚与塌陷面积的关系刚好相反，当壁厚增大时，塌陷宽度尺寸无论是绝对大小还是相对大小都急剧增大所示。

　　分别为壁厚与冲头*大推力及推力*大点冲头位移的关系。从（c）中可以看出，随着壁厚增加，冲头推力随之增大。当壁厚为1 mm时，*大推力仅为30. 5 kN ；而当壁厚增加到4 mm时，冲头*大推力变为85. 1 kN.当壁厚增加时，推力达到*大点时冲头的绝对位移和相对位移都明显减小，材料断裂时间提前。壁厚1 mm时，冲头需前进2. 43 mm推力才能达到*大；而当壁厚为4 mm时，冲头只需前进0. 85 mm推力就能达到*大。

　　4工艺实验

　　在数值模拟的基础上，进行了实验研究，研究了不同液体压力对塌陷尺寸的影响。实验所用管材为20号钢，外径63 mm ，壁厚2. 5 mm ，冲头直径为10 mm.实验由两部分组成。内高压成形过程管内的液体压力均为120 MPa ，冲孔时的管内液体压力分别为120 ， 80 ， 60和40 MPa.在压力达到120 MPa时，冲孔容易完成，断口表面质量好；当压力为40 MPa ，冲头前进距离与其它压力情况下相同时，冲孔不能完成。

　　冲孔后以孔的中心为原点，测量了孔周围塌陷深度和面积，测量时以冲孔前的平面为基准，分别沿零件的轴线方向和垂直于轴线方向每间隔5 mm取一点，共取5个点进行测量，然后以距孔心的距离为x轴，以塌陷的测量尺寸为y轴，建立直角坐标系，测量结果所示为不同压力条件下沿零件轴向方向的塌陷尺寸，不同压力条件下沿垂直于零件轴向方向的塌陷尺寸。可以看出，塌陷尺寸变化具有明显规律性。对于塌陷大小，随着冲孔时管内液体压力的降低，横向和纵向的塌陷尺寸都随距孔心位移的增大而增大，这是因为在冲孔的过程中，内压降低相当于冲裁过程中压边力减小，材料沿冲头方向位移变大，所以塌陷增大。在位移大于20 mm以后，所有压力下的塌陷都消失，这和数值模拟的结果是一致的。

　　在同一压力下，横向塌陷变化的区域长度较纵向的变化区域长度长，即沿管长方向塌陷变化较慢，垂直管长方向塌陷变化快。以冲孔时管内液体压力40 MPa为例，横向位移与纵向位移的*大值相同，均为2. 62 mm ，发生在孔边，离孔边5 mm处，塌陷横向尺寸为0. 80 mm ，塌陷上升了69. 5 % ，纵向尺寸为1. 10 mm ，塌陷上升58. 0 %；离孔边10 mm处，塌陷横向尺寸为0. 32 mm ，塌陷上升87. 8 % ，纵向尺寸为0. 18 mm ，塌陷上升93. 1 %.离孔边距离15 mm时，横向塌陷基本水平，但此时纵向塌陷仍然存在。这一现象表明，沿材料不同方向，在冲孔的过程中，塌陷的变化也不同。

　　5结论

　　1）随着管内液体压力的增大，塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积都呈减小的趋势。内压为10 MPa时的塌陷深度和塌陷宽度分别为2. 11 mm和20. 5 mm ，当压力增加到200 MPa时，塌陷深度减小到0. 77 mm ，尺寸仅为200 MPa的1/ 3 ，塌陷宽度减小到11. 8 mm ，同时材料发生断裂的时间提前，而冲头*大推力随管内液体压力的增大而增加。

　　2）当冲头直径增大时，塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积增大，冲头*大推力也随直径的增加而增大，当冲头直径为4 mm时，冲头*大推力为21 kN ，当直径增加到18 mm时，冲头*大推力为116 kN ，增加了4. 5倍。但是冲头直径的增加却延缓了材料发生断裂的时间。

　　3）当管坯的壁厚增加时，塌陷深度尺寸和塌陷宽度面积的绝对值没有明显变化，但由于壁厚不同，其相对数值均明显增大；此外，壁厚越大，冲头推力越大，冲头达到*大推力时间提前。

　　4）对于材料的不同方向，在冲孔过程中，塌陷的变化趋势也不同。实验中沿管长方向塌陷变化较慢，垂直管长方向塌陷变化快。