CN108436474A - 一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法 - Google Patents

Abstract

一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，利用塑性变形可以改变坯料外形并使材料产生流动变形的特点，使内部具有直孔的坯料产生塑性变形，从而改变直孔的走向，得到弯曲孔的形状。本发明包括以下步骤：(1)根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，确定加工的方案，利用三维造型软件与数值模拟方法对加工方案进行验证和修正；(2)对坯料进行塑性成形；(3)对已塑性变形的坯料进行钻孔加工，得到内部的直孔；(4)对带直孔的坯料进行塑性变形，使直孔成为所需的弯曲孔形状；(5)对坯料外形进行切削加工，得到最终的制件。本发明可得到多种类型的弯曲孔结构，简单易行、成本低廉，且适用面广、扩展性强。

Description

一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法

技术领域

本发明属于制造领域，尤其涉及一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法。

背景技术

注塑、压铸等模具工作时，熔融的塑料流体或金属液体在压力作用下通过浇道进入模具型腔，经保温、保压再冷却、凝固定型后取出制件。为了控制成型质量并提高工作效率，模具的模块内通常设置有专门的冷却系统，目前主要采用冷却水道的方式。为得到最佳的效果，冷却水道应尽量沿着型腔的形状进行布置，即采用具有弯曲孔的所谓“随形冷却”方式；此外，在一些液压元件的油路中，为减少阻力也希望避免90°的直转角。这些情况下，都涉及到了弯曲孔的加工。但迄今为止，孔加工大多采用钻孔工艺，要实现弯孔的加工极其困难、甚至不可能。因此，实践中一般尽量不采用弯孔的结构，即使无法避免，也只能采用多段直孔相连、并将一端封堵的组合方式，来实现非直线的通道结构。但这种方法加工的水道，存在冷却效果差、容易泄漏等问题，特别是极易因冷却不均而导致生产节拍滞后、产品品质降低，无法满足实际的需要。因此，开发合适的弯曲孔加工工艺，具有巨大的实际应用价值。

迄今为止，除切削加工外，已经提出的弯孔加工方法主要有：

(1)电火花加工

电火花加工是利用“放电腐蚀”原理的一种加工方法。对于弯孔的电火花加工，需要采用专用工具来实现放电电极的曲线运动【M.Uchiyama,T.Shibazaki,Development ofan electromachining method for machining curved holes,J.Mater.Process.Technol.,2004,149(1):453-459】。目前的解决办法，主要有利用压缩弹簧、形状记忆合金等来控制电极，或者采用线框电极等方法【徐盛林,弯曲孔加工技术及新方法,现代制造工程,2006,9:82-84】。

利用压缩弹簧的方式，是用弹簧将电极头和电火花机床的主轴头连接起来，在弹簧自由端的圆周上连接均匀分布的三根钢丝，加工时通过控制各钢丝的长度来调整弹簧的释放量，从而控制弹簧自由端的行进姿势与方位【M.Fukui,N.Kinoshita,Developing amole electric discharge digging machining,Annals of the CIRP,1989,38(1):203-206】。但实际操作中，弹簧的振动很难控制，而且随着孔深度增加、机构稳定性不断下降，由此加工精度和效率较低，所加工孔的形状和尺寸也存在很大限制，只能加工简单的大半径弯曲孔。其他一些方式也同样存在装置复杂、加工形状受限等问题【D.B.Meshram,Y.M.Puri,Review of research work in die sinking EDM for machining curvedhole,Braz.Soc.Mech.Sci.Eng.,2017,39:2593–2605】。

(2)3D打印

3D打印又称为增材制造，是一种通过材料逐层累加而实现制件成形的柔性制造方法。3D打印融合了计算机、数控、材料及其成形等技术，制造过程不仅无需专用工具、模具，还可以得到传统工艺无法加工的复杂制件，包括一些中空或弯曲内孔等结构，因此近年来发展十分迅速。迄今为止，已开发了SLS(激光选区烧结)、FDM(熔融沉积式)、LOM(分层实体制造)、SLA(立体平板印刷)等多种3D打印成型方式，其中一些方法在随形冷却模具中已有成功应用的例子【B.O.Rhee,C.S.Park,H.K.Chang,H.W.Jung,Y.J.Lee,Automaticgeneration of optimum cooling circuit for large injection moldedparts.Int.J.Precis.Eng.Manuf.,2010,11(3):439–444】。

但金属材料的3D打印需要昂贵的成形设备和原材料，生产成本高、加工效率低，适用的材料目前类型较少，且制件的力学性能、表面质量等方面还存在一些局限。此外，由于其“从无到有”、“自下而上”的成型原理，加工内孔时存在粉末“悬浮”的状态，可能导致结构变形或打印过程失效。

(3)其他方法

如电解加工、铸造、激光加工以及电子束加工等。其中，电解加工利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理来去除工件上多余材料，属于电化学加工方法。对于弯孔的电解加工，同样需要专用机构以控制电极头的运动【M.Uchiyama,M.Kunieda,Application oflarge deflection analysis for tool design optimization in an electrochemicalcurved hole machining method,Precis.Eng.,2013,37:765–770】；

文献【Y.D.Qu,G.Qin,M.L.Jin,J.H.You,R.R.Chen,R.D.Li,Preparation of U-shaped curved holes by a casting method,Int.J.Adv.Manuf.Technol.,2016,86:129–132】研究了弯曲孔的铸造成形方法。但铸造内孔的质量差、性能难以保证；

文献【H.Hidai,Y.Kuroki,S.Matsusaka,A.Chiba,N.Morita,Curved drillingvia inner hole laser reflection,Precis.Eng.,2016,46:96–103】提出一种弯曲孔的激光加工方法，思路是利用激光在已加工孔壁的反射来改变加工方向。但只能加工极小偏转角度的内孔，而且加工过程很难控制。

电子束加工方法利用运动的电子束受磁场力发生偏移，从而在工件内部形成弯曲轨迹的原理，可加工出微细的弯孔，但实际操作中磁场大小以及电子束的偏转程度很难准确控制。总体上，这些方法能够加工的弯孔在形状、尺寸以及质量等各方面都存在很大限制。

综上所述，现有的弯曲孔加工方法均存在各自的不足，不能满足生产实践的需要，有必要研究和开发新的弯曲孔加工方法。

发明内容

本发明提供了一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，可以针对特定的需要，得到材料内部的弯曲孔结构。

本发明提供的弯曲孔加工方法基于以下原理：塑性成形可以改变坯料的外形并使材料内部产生流动变形，因此可以结合塑性变形与钻孔的工艺，通过塑性成形方法使利用钻孔得到的材料内部直孔产生变形，改变直孔的走向，从而得到弯曲孔的形状。

为实现上述目的，本发明包括以下步骤：

(1)根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，确定加工的方案；利用三维造型软件与数值模拟方法，对加工方案进行验证和修正；

(2)对坯料进行塑性成形，使其获得适当的外形；

(3)对成形后的坯料进行钻孔加工，得到坯料内部的直孔；

(4)对带直孔的坯料进行塑性成形，改变坯料外形，同时控制直孔附近的材料产生塑性流动，使直孔成为所需的弯曲孔形状；

(5)根据工件形状与尺寸要求，对坯料进行切削加工，得到最终制件。

为减小直孔在塑性变形阶段截面的畸变，在带直孔坯料进行塑性成形之前，可以在孔内增加填充物并将端部密封，塑性变形后，再将填充物从坯料的孔内取出。

本发明具有以下有益效果：本发明仅利用钻孔与塑性变形的传统工艺方法，可以得到多种类型的弯曲内孔结构，简单易行、成本低廉，而且适用面广、扩展性强。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的C形孔成形方法一的流程图；

图2为本发明的C形孔成形方法二的流程图；

图3为本发明的S形孔的成形流程图；

图4为本发明的L形孔的成形流程图；

图5为C形孔的成形方法二，已钻孔坯料和模具在塑性成形前的数值模拟模型；

图6为C形孔的成形方法二，已钻孔坯料塑性成形的数值模拟结果；

图7为C形孔的成形方法二，对已钻孔坯料塑性成形过程模拟得到的载荷-行程曲线。

具体实施方式

下面针对C型、S型以及L型弯曲孔的加工，结合具体的实施例对本发明进行说明。实施例中，坯料材料选用纯铝1100，所述C型、S型以及L型弯曲孔的成形均结合塑性变形与钻孔的传统工艺，利用塑性变形可以改变坯料外形并使材料内部产生流动变形的特点，使带直孔的坯料产生变形并改变内部直孔的走向，从而得到弯曲孔的形状。

(1)C型孔

坯料的外形尺寸为200mm×60mm×40mm，中心孔径为5mm。成形过程包括以下步骤：

1)根据待加工制件与弯曲内孔的几何形状确定加工方案，利用三维造型软件与数值模拟方法对方案进行验证与修正；

2)对坯料进行塑性成形，使其外形为反向的“C”形；

3)对已成形的坯料进行钻孔加工，得到材料内部的直孔；

4)对带直孔的坯料进行塑性变形，本实施例中，主要是将反向的“C”形坯料压直，同时控制直孔附近的材料产生塑性变形，将直孔变形成为所需的“C”形弯孔形状；

5)根据工件的形状与尺寸要求，对坯料外形进行切削加工，得到最终的制件。

数值模拟的结果表明，塑性成形后弯曲孔的最大畸变位置在转角处，其余位置的孔形变化较少。测量成形后内孔，长轴为4.94mm，短轴为4.06mm，最大椭圆度为17.6％，能够满足冷却水道的要求。

(2)S型孔

坯料外形尺寸为340mm×85mm×40mm，中心孔径为6mm。采用与上述相同的加工步骤，得到“S”形的弯孔形状。数值模拟的结果表明，成形后内孔的最大畸变位置在转角处，孔长轴为5.92mm，短轴为5.36mm，最大椭圆度为9.5％。

(3)L型孔

坯料外形尺寸85mm×40mm×224mm，中心孔径为5mm。采用与前面相同的加工步骤，得到“L”形的弯孔形状。数值模拟的结果表明，成形后内孔的最大畸变位置在转角处，孔长轴为4.93mm，短轴为3.93mm，最大椭圆度为20.2％。

应用本发明加工的弯曲孔，可以用于注塑、压铸模具上的冷却水道等场合，也可作为某些弯曲孔的预制孔加工手段，即后续结合其他方法，可以进一步提高弯曲内孔的形状与尺寸精度。

为了减小内孔在塑性变形阶段的截面畸变，如椭圆扁化，塑性变形前可在孔内增加填充物并密封孔两端，塑性变形后再将填充物取出。

以上所述仅为本发明的代表性实施实例，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限。凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，其特征在于，利用塑性成形可以改变坯料的外形并使材料内部产生流动变形的特点，通过塑性成形方法使利用钻孔得到的材料内部直孔产生变形，改变直孔的走向，从而得到弯曲孔的形状。

2.如权利要求一所述的一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据待加工的制件与弯曲孔的几何形状，确定加工方案；

(2)对坯料进行塑性成形；

(3)对成形后的坯料进行钻孔加工，得到坯料内部的直孔；

(4)对带直孔的坯料进行塑性成形，改变坯料外形，同时控制直孔附近的材料产生塑性流动，使直孔成为所需的弯曲孔形状；

(5)根据工件形状与尺寸要求，对坯料进行切削加工，得到最终制件。

3.如权利要求一所述的一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，其特征在于，在步骤(1)中，利用三维造型软件与数值模拟方法，对加工方案进行验证和修正。

4.如权利要求一所述的一种结合钻孔与塑性变形的弯曲孔加工方法，其特征在于，在带直孔坯料进行塑性成形之前，可以在孔内增加填充物并将端部密封，塑性变形后，再将填充物从孔内取出。