CN111975284B - 一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法，属于机械加工技术领域，包括：压头，该压头为圆台形结构，压头位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角；芯轴，该芯轴为锥形或圆台形结构，芯轴位于通孔内用于支撑通孔，以使通孔形成设定的形状和直径；压头的上底面与芯轴的下底面连接，芯轴的轴线与压头的轴线重合。本申请的压头能够控制塑性变形倒角时材料主要向通孔内流动，限制孔端平面凸起、有利于在通孔内形成稳定的残余压应力，保证不在孔端表面形成环形凸起。芯轴能够在塑性变形倒角时防止在通孔内自然形成环形凸起或凹陷，在通孔表面形成稳定的残余压应力，保证了疲劳强度的提高幅度。

Description

一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法

技术领域

本申请涉及机械加工技术领域，特别涉及一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法。

背景技术

众所周知，工件上的孔洞、沟槽、台阶会造成应力集中。按照《机械设计手册》介绍，宽板上垂直板面的孔洞边缘的应力三倍于平均应力。板材冲裁孔，因为毛刺、撕裂带和尖锐棱边的存在，其拉压或扭转疲劳强度会进一步降低。

对冲裁孔进行修整、喷丸、挤压、滚压、倒角均可以有效提高其疲劳强度，这是因为：修整，可能是精冲或机加工方法，可以消除撕裂带和毛刺的影响。喷丸可以消除毛刺、棱边倒钝，并在孔表面形成一定的残余压应力。挤压，一般采用直径稍大于孔径的钢珠或锥形体挤过冲裁孔，达到光整和形成一定残余压应力的作用。滚压，用于较大孔径的孔，采用指形或圆柱形压头滚过孔表面，同样可以达到类似挤压强化的效果。倒角，可以采用机加工方式或滚压、挤压方式将棱边倒钝，以降低棱边处的应力集中。

但是，采用修整加工方式是发动机曲轴油孔、卡车前轴主销孔等机械加工件常用的孔洞修整方法，也适用于少量冲裁孔的修整，但因为其效率较低，不能满足于车架、车轮等有众多冲裁孔需要强化的零件。而且这些方法用于板材冲裁孔，只能提高其疲劳强度90％～120％，相对于应力集中系数3，这一提高幅度偏小。

喷丸强化同样可以提高板材冲裁孔的疲劳强度60％～120％，但仅仅适用于孔径-厚度比不小于0.5的孔，孔径-厚度比小于0.5的孔丸粒被遮蔽，难以取得最佳喷丸强化效果。另外，因为孔为360°环形或规则、不规则环形面，因此喷丸过程需要解决工件旋转或多方位喷射，工装、设备较为复杂，不适用于大型工件。此外，喷丸造成的噪声和粉尘污染，也是不能忽视的问题。

孔挤压，由于冲裁孔存在断裂角，需要模具与孔之间有较大的过盈量，但这会导致模具与孔之间的很大接触应力和剧烈摩擦，并在模具挤出侧形成新的毛刺，从而限制了过盈量的增加，难以达成预想的挤压强化效果。挤压芯轴或钢球挤过孔后，无法原路返回，还可能影响工作效率。

采用倒角机加工方式或滚压、挤压方式将棱边倒钝，以降低棱边处的应力集中需要额外增加机加工工序，增加工艺费用。

发明内容

本申请实施例提供一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法，以解决相关技术中金属板材冲裁孔应力消除效率低，加工成本高的问题。

本申请实施例第一方面提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，包括：

压头，所述压头为圆台形结构，所述压头的锥角为α，且110°≤α≤130°，所述压头位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角；

芯轴，所述芯轴为锥形或圆台形结构，所述芯轴位于通孔内用于支撑通孔，以使通孔形成设定的形状和直径；

所述压头的上底面与芯轴的下底面连接，所述芯轴的下底面直径与所述压头的上底面直径相同，所述芯轴的下底面直径为通孔直径的92％～97％，所述芯轴的轴线与所述压头的轴线重合。

在一些实施例中：所述压头和/或芯轴的圆弧面粗糙度Ra≤0.8μm。

在一些实施例中：所述芯轴的锥角为β，且15°≤β≤30°。

在一些实施例中：所述芯轴为圆台形结构，所述芯轴的高度小于通孔深度的1/2。

在一些实施例中：所述压头的锥角α＝120°。

在一些实施例中：所述压头的下底面设有模柄销，所述模柄销、压头和芯轴为模具钢一体成型的回转体。

本申请实施例第二方面提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，所述方法包括以下步骤：

在金属板材的通孔两端分别对称设置挤压模具，两个挤压模具的压头分别位于通孔两端的孔口，两个挤压模具的芯轴均位于通孔内；

采用挤压机驱动两个挤压模具以相互接近的方向同步挤压，以使在通孔的孔口形成倒角，并使通孔形成设定的形状和直径；

当挤压模具向通孔内挤压至设定深度后挤压机回退，对金属板材的下一通孔进行挤压。

在一些实施例中：所述倒角的高度为通孔的深度的10％～20％，所述倒角的角度为25°～35°。

在一些实施例中：所述通孔挤压完成后的直径减小2％～5％。

在一些实施例中：两个所述挤压模具的芯轴的高度之和小于通孔的深度，当两个所述挤压模具的芯轴接触时挤压机停止挤压。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法，由于本挤压模具设有压头和芯轴，其中压头为圆台形结构，所述压头的锥角为α，且110°≤α≤130°，压头位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角；芯轴为圆台形结构，芯轴位于通孔内用于支撑通孔，以使通孔形成设定的形状和直径；压头的上底面与芯轴的下底面连接，芯轴的下底面直径与压头的上底面直径相同，芯轴的下底面直径为通孔直径的92％～97％，芯轴的轴线与压头的轴线重合。

因此，本申请的压头能够控制塑性变形倒角时材料主要向通孔内流动，限制孔端平面凸起、并实现厚向压缩，有利于在通孔内形成稳定的残余压应力，保证不在孔端表面形成环形凸起。芯轴能够在塑性变形倒角时防止在通孔内自然形成环形凸起或凹陷，保证孔端挤压后获得所需的孔的形状和直径，降低了通孔表面的粗糙度，在通孔表面形成稳定的残余压应力，保证了疲劳强度的提高幅度。芯轴同时具有拔模斜度保证顺利脱模，芯轴的高度还用于控制压头的下压量，从而控制倒角尺寸，保证尺寸精度和孔强化后性能的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的挤压模具的结构示意图；

图2为本申请实施例的挤压模具的挤压状态图。

附图标记：

1、挤压模具；2、金属板材；11、芯轴；12、压头、13、模柄销。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法，其能解决相关技术中金属板材冲裁孔应力消除效率低，加工成本高的问题。

参见图1和图2所示，本申请实施例第一方面提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，该挤压模具1适用于厚度为4～10mm的金属板材2的冲裁孔、钻制孔或铰制孔，该挤压模具1包括：

压头12，该压头12为圆台形结构，压头12的锥角为α，且110°≤α≤130°，压头12处于工作状态时位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角。压头12用于控制通孔的孔口塑性变形形成倒角时材料主要向通孔内流动，限制孔端平面凸起、并实现沿金属板材2的厚度方向压缩，有利于在通孔内形成残余压应力，保证不在孔端表面形成环形凸起。

本实施例的压头12的锥角α优选为120度，有利于在通孔内形成残余压应力，保证不在孔端表面形成环形凸起。当压头12的锥角α过小时，例如压头12的锥角α＝70°时，金属板材2的材料将主要向孔端表面流动，这会导致倒角附近孔端表面的材料环形堆积成斜面，特别是不利于孔壁压应力的形成。如果是螺栓联接用孔，孔端表面的环形凸起将导致螺栓法兰面与被紧固件接触面积的减小，不利于紧固件的拧紧可靠性。当压头12的锥角α过大时，例如压头12的锥角α＝150°时，金属板材2的材料主要向通孔内流动，向金属板材2厚度方向压缩，金属板材2的材料在通孔的孔壁堆积形成环形凸起，并导致通孔的孔径减小，导致通孔的功能尺寸不符合要求。

芯轴11，该芯轴11为锥形或圆台形结构，优选的，该芯轴11为圆台形结构。该芯轴11处于工作状态时位于通孔内用于支撑通孔，以防止孔口塑性变形形成倒角时在孔内自然形成环形凸起或凹陷，保证通孔的孔口挤压后新获得的通孔形成设定的形状和直径；降低了通孔表面的粗糙度，在通孔表面形成稳定的残余压应力，提高了通孔的疲劳强度。

压头12的上底面与芯轴11的下底面连接，并且芯轴11的下底面直径与压头12的上底面直径相同，芯轴11的下底面直径为通孔直径的92％～97％，芯轴11的轴线与压头12的轴线重合。芯轴11的下底面直径用于控制通孔挤压后的直径的最小减小量，如果芯轴11下底面直径过大，通孔直径减小量过小，难以形成足够的残余压应力。如果芯轴大头下底面直径过小，则芯轴11不能在通孔的孔壁形成挤压，所以本实施例的芯轴11下底面直径应为挤压前孔径的92％～97％。

本实施例选用厚度为8mm，700MPa级热轧钢板上冲制直径φ15的通孔，然后进行孔端挤压，挤压后进行轮廓尺寸和疲劳强度测试。测试结果如下表：

在一些可选实施例中：本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，该挤压模具1的压头12和芯轴11的圆弧面粗糙度Ra≤0.8μm。压头12和芯轴11的圆弧面粗糙度Ra≤0.8μm是为了减小压头12和芯轴11与通孔之间的摩擦力，防止孔端倒角处形成折叠，减小倒角和通孔表面粗糙度。

若压头12和芯轴11的圆弧面表面粗糙，或者其他原因导致压头12和芯轴11的圆弧面粗糙度与工件摩擦系数过大，将导致工件倒角表层金属的剧烈流动，形成较大的应变梯度，从而在摩擦移动方向末端形成折叠，这种由于表层剧烈变形形成的折叠在摩擦表面形成鳞状缺陷，这些都不利于疲劳强度的提高。

在一些可选实施例中：本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，该挤压模具1的芯轴11的锥角为β，且15°≤β≤30°。芯轴11的锥角能够确保芯轴11能够在通孔内顺利脱模。

芯轴11为圆台形结构，芯轴11的高度小于通孔深度的1/2。芯轴11的高度还用于控制压头12的下压量，从而控制倒角尺寸，保证尺寸精度和通孔强化后性能的稳定性。对于中厚金属板材上的通孔，在通孔的两端同时进行挤压，芯轴11的高度和压头12尺寸根据金属板材的厚度、通孔的孔径和倒角高度经过几何计算确定。

在一些可选实施例中：本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，该挤压模具1的压头12的下底面设有模柄销13，该模柄销13、压头12和芯轴11为模具钢一体成型的回转体，模柄销13用于与外部设备连接。

参见图2所示，本申请实施例第二方面提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在金属板材2的通孔两端分别对称设置挤压模具1，两个挤压模具1的压头12分别位于通孔两端的孔口位置，两个挤压模具1的芯轴11均位于通孔内，使两个挤压模具1中心线与通孔的中心线基本重合。

步骤2、采用挤压机驱动两个挤压模具1以相互接近的方向同步挤压，以使在通孔的孔口形成倒角，倒角的高度为通孔的深度的10％～20％，倒角的角度为25°～35°；并使通孔形成设定的形状和直径，通孔挤压完成后的直径减小2％～5％。

步骤3、两个挤压模具1的芯轴11的高度之和小于通孔的深度，当两个挤压模具1的芯轴11接触时挤压机停止挤压，挤压模具1向通孔内挤压至设定深度后挤压机回退，对金属板材2的下一通孔进行挤压。

工作原理

本申请实施例提供了一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具及方法，由于本挤压模具1设有压头12和芯轴11，其中压头12为圆台形结构，压头12的锥角为α，且110°≤α≤130°，压头12位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角；芯轴11为圆台形结构，芯轴11位于通孔内用于支撑通孔，以使通孔形成设定的形状和直径；压头12的上底面与芯轴11的下底面连接，芯轴11的下底面直径与压头12的上底面直径相同，芯轴11的下底面直径为通孔直径的92％～97％，芯轴11的轴线与压头12的轴线重合。

本申请的压头12能够控制塑性变形倒角时材料主要向通孔内流动，限制孔端平面凸起、并实现沿金属板材1的厚度方向压缩，有利于在通孔内形成稳定的残余压应力，保证不在孔端表面形成环形凸起。芯轴11能够在塑性变形倒角时防止在通孔内自然形成环形凸起或凹陷，保证孔端挤压后获得所需的孔的形状和直径，降低了通孔表面的粗糙度，在通孔表面形成稳定的残余压应力，保证了疲劳强度的提高幅度。芯轴11同时具有拔模斜度保证顺利脱模，芯轴11的高度还用于控制压头12的下压量，从而控制倒角尺寸，保证尺寸精度和孔强化后性能的稳定性。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于，挤压模具(1)包括：

压头(12)，所述压头(12)为圆台形结构，所述压头(12)的锥角为α，且110°≤α≤130°，所述压头(12)位于通孔的孔口用于挤压通孔，以使在通孔的孔口形成倒角；

芯轴(11)，所述芯轴(11)为锥形或圆台形结构，所述芯轴(11)位于通孔内用于支撑通孔，以使通孔形成设定的形状和直径；

所述压头(12)的上底面与芯轴(11)的下底面连接，所述芯轴(11)的下底面直径与所述压头(12)的上底面直径相同，所述芯轴(11)的下底面直径为通孔直径的92％～97％，所述芯轴(11)的轴线与所述压头(12)的轴线重合。

2.如权利要求1所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于：

所述压头(12)和/或芯轴(11)的圆弧面粗糙度Ra≤0.8μm。

3.如权利要求1所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于：

所述芯轴(11)的锥角为β，且15°≤β≤30°。

4.如权利要求1所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于：

所述芯轴(11)为圆台形结构，所述芯轴(11)的高度小于通孔深度的1/2。

5.如权利要求1所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于：

所述压头(12)的锥角α＝120°。

6.如权利要求1所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具，其特征在于：

所述压头(12)的下底面设有模柄销(13)，所述模柄销(13)、压头(12)和芯轴(11)为模具钢一体成型的回转体。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在金属板材(2)的通孔两端分别对称设置挤压模具(1)，两个挤压模具(1)的压头(12)分别位于通孔两端的孔口，两个挤压模具(1)的芯轴(11)均位于通孔内；

采用挤压机驱动两个挤压模具(1)以相互接近的方向同步挤压，以使在通孔的孔口形成倒角，并使通孔形成设定的形状和直径；

当挤压模具(1)向通孔内挤压至设定深度后挤压机回退，对金属板材(2)的下一通孔进行挤压。

8.如权利要求7所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，其特征在于：

所述倒角的高度为通孔的深度的10％～20％，所述倒角的角度为25°～35°。

9.如权利要求7所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，其特征在于：

所述通孔挤压完成后的直径减小2％～5％。

10.如权利要求7所述的一种用于提高金属板材孔端疲劳强度的挤压模具的方法，其特征在于：

两个所述挤压模具(1)的芯轴(11)的高度之和小于通孔的深度，当两个所述挤压模具(1)的芯轴(11)接触时挤压机停止挤压。

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