液压成形用的余料扩展和捕获设备及方法

专利名称：液压成形用的余料扩展和捕获设备及方法
技术领域：
001本发明涉及在液压成形过程中在液压成形零件上打孔。
背景技术：
002液压成形被用于制造零件，是由于其能够整体成形中空管、梁 或其他具有复杂形状的部件，而若采用其他方法，这些复杂形状的零 件就不得不通过若干段来制造和/或弯曲成形。将薄壁毛胚插入到与所 要制造的零件外部紧密匹配的模腔中。然后，用液压流体给管子加压 以使其扩展成模腔的形状。如果还需要加工，给完成的零件泄压并取 出。
003液压成形允许成形有凹度的复杂形状，而采用标准固态模压是 很难或者不可能的。液压成形的零件经常能被制成具有更高的刚度重 量比，并且以比传统沖压或沖压和焊接零件具有更低的单位成本，
004在最终零件的壁上经常需要各种孔或者开口.它们可在事后被 钻或者切割，但是也可能需要将打孔过程并入到液压成形过程本身中。 打孔过程的并入有利于减少零件制造的总步骤数目，并且可有其他好 处，例如降低次品率、减少废料、收紧公差等等.

发明内容
005提供了一种适合液压成形应用的在具有足够薄的壁的零件上打 孔的设备。该设备包括上模和下模，它们形成了放置毛胚零件的模腔， 上模和下模包括腔，它们一起限定了与零件垂直的交叉通道。交叉通 道容纳并导引角度沖头(angular punch),角度冲头用来在沖压穿过 零件和模腔时在零件上打孔。角度冲头具有细长体，细长体的一端有 切割面，另一端用于致动冲头并使之前进穿过零件.在冲头的打孔端， 角度切割面被设置成使得在零件上打孔时所产生的余料(slug)扩展 或者扩张。扩展或者扩张导致余料具有比冲头的横截面面积大的面积. 在工件的相对壁上打孔产生第二余料后，沖头前进穿过余料捕获区域。由于余料捕获区域比扩展后的余料小，当冲头撤回其起始位置时，余 料被敲离切割面并从系统丢弃或者移除。
006也提供了一种适合液压成形应用的在具有足够薄的壁的零件上 打孔的方法。第一步，在模腔中提供工件'随后向工件施加液压压力， 使得其扩展以填满模腔。然后沖头冲压穿过工件，这在工件上打出孔 并从工件产生余料。当余料从工件脱离，随着材料的松他余料进行扩 展；这个扩展使得余料的直径大于冲头的直径，之后余料通过具有比 余料直径更小的横截面的余料捕获区域。余料穿过余料捕获区域后， 冲头往复运动回到其初始位置。当沖头的面撤回离开余料捕获区域时， 余料太宽以致于不能跟随冲头返回穿过，这样余料就被从沖头上剥落。
007从下面对实施本发明的最佳方式的详细描述中并结合附图，上 述特征和优点以及本发明的其他特征和优点是显而易见的。


008图l是余料扩展和捕获设备的实施例的局部示意性剖视图；009图2是图1所示的沖头的一部分的侧视010图3-9—起展示了图l的余料扩展和捕获设备的工作情况，图3 示出了在工件中附加液压压力，这使工件壁的未受支撑部分发生弯曲；
011图4示出了沖头前进进入到工件的第一壁中，角度面开始分离 第一余料；
012图5示出了分离后的第一余料运动到工件的内部并从角度面上
松开；
013图6示出了笫一余料和冲头沖击工件的第二壁；014图7示出了笫一和第二余料运动通过镶套内部的渐缩锥形部分 时被压缩；
015图8示出了当工件失去液压压力，扩展后的第一和第二余料被 余料捕获区域从角度面上剥落；以及
016图9示出了当沖头往复运动时，第一和第二余料落下并通过排 出滑道排出系统。
具体实施例方式
017参照附图，其中相同的标记号对应于几幅图中相同或相似的元
6件，图1中示出了余料扩展和捕获设备10的实施例的示意性剖视图。3 个模部分一一第一或者上模部分14、第二或者模具镶套(button die) 部分32、以及第三或者下模部分12——形成了模腔16，薄壁工件18被 置于其中。
018本领域技术人员将认识到，模腔16几乎可以是任何形状或尺寸。 模腔的内表面作为凹模，其具有所期望的最终零件的形状.可使用很 多不同的薄壁起始零件18，只要它们适合液压成形为所期望的最终零 件形状。如在本申请中所使用的，术语"壁"应该被广泛解读成足以 囊括甚至是具有一般的、相对的壁的圆柱管的两侧。本领域技术人员 还将认识到，落入权利要求范围内的余料扩展和捕获设备不必完全如 附图中所示地定向，术语诸如"上"、"下，，、"在…之上"等等， 仅用于描述在这些附图中的方向。
019再次参照图1，上模部分14包括定向于上方的沖压腔20，其通 常垂直于零件或者工件18。冲压腔20用作导引和容纳冲头22的致动。 当沖头22被致动进行沖击并随后穿过工件18的第一壁24和笫二壁26 时，在工件18上产生所期望的孔。沖头22将在下文详细描述。
020在这个实施例中，下模部分12具有镶套(button)腔30,其被 设置成容納模具镶套部分32以使得模具镶套部分32安装成与下模部分 12的顶部平齐并且有效地形成模腔16的限定部分。模具镶套部分32具 有内腔，镶套内部40，其通常与工件18垂直.下文对镶套内部40进行 了更详细的描述。沖压腔20和镶套内部40—起，提供了通常垂直地穿 过工件18到达工件18的壁24和26的交叉通道。这个交叉通道限定了沖 头22的工作路径。另外，交叉通道与工件18相交的区域粗略地限定了 将在最终零件上打出的孔的外边缘。通常来说，沖头由液压驱动或者 致动穿过壁24和26并当其穿透材料时产生由冲头22的横截面形状所限 定的孔，此将在下文详细解释。
021图2以更多的细节显示了冲头22的一部分。冲头22包括两个主 要特征细长体34和角度面36。角度面36是带角度或凸出的瘤(boss)， 从细长体34向外延伸指向工件18,角度面36被设置成其总表面积大于 细长体34的橫截面面积。换句话说，如从图1和2的二维图中所看到的， 代表角度面36的连接点A、 B、 C和D的线的总长(df，在图中没有标出)， 大于代表冲头横截面28 (dp)的线的长度.只要df大于dp，角度面36就具有比细长体34的橫截面面积大的表面积。如在本应用中所使用的，
"角度面"、"角度切割面"以及相似的用语包括冲压面的许多不同 的形状；只要该面被设置成使从工件18上切除的材料扩展或扩张(如 将在下文详述的).细长体34具有沖头横截面28，其通常等于所需孔 的形状和尺寸一一由正常制造效应导致的任何差异对于本领域技术人 员来说是明显的。在这个实施例中，沖头是圃柱状且通常打出圃形孔，
头，这取决于具体应用和所期望的^T出孔;横截面。、、''022冲头22可用任何能够重复穿透工件18的材料制成，例如合适的 工具钢，像M2 58-60RC;本领域技术人员会认识到许多其他的可能性。 用于工件18的合适的可液压成形且可被穿透的材料包括，但不限于， 低碳钢、高强度钢、铝、镁，或者它们的等同物.工件18的壁厚通常 介于0.5mm到5，Omm之间，但本领域技术人员将进一步认识到用于可液 压成形且可被穿透的工件的其他切实可行的厚度.023图3-9—起展示了当余料扩展和捕获设备10在笫 一壁24上打出第 一个孔25以及随后在第二壁26上打出第二个孔27时的工作情况'图3示 出了在液压成形压力42被引入到工件18的内部后图1中余料扩展和捕 获设备10的剖面。当液压成形压力42被引入到工件18的内部时，工件 18扩展以与模腔16的轮廓相匹配。余料扩展和捕获设备的大部分实施 例具有比图l和图3-9所示的实施例更加复杂的模腔，但是这些具体应用 的细节能被本领域的普通技术人员所理解。如本领域技术人员会认识 到的，液压成形工作压力低至5，000psi以及高至25，000psi。如图3所示， 液压成形压力42的引入导致壁24和26与交叉通道相邻的部分向沖压腔 20和镶套内部40轻微扩展，这是因为壁24和26在这些区域没有受到模 腔的支撑。在特定的壁厚和使用压力下，施加在未支撑区域上的压力 不足以被动地吹出穿透壁24和26的孔。
024图4示出了沖头22开始沿着它的工作路径向工件18运动时的余 料扩展和捕获设备IO。沖头22可被液压(未示出)或者本领域技术人 员所公知的其他力致动。从这个压力所派生出的力驱动沖头22向下， 如图4所示，其中沖头22冲击第一壁24且对抗着液压成形压力42的反抗 力开始使该壁的局部区域向模腔中形变。这个形变使得在与角度面36 接触的材料和模腔16之间的外围交界处产生第一断裂点44。随着冲头
822继续前进，笫一余料46在笫一断裂点44处从第一壁24上分离，产生 了第一个孔25。开始，在分离时，第一余料46被形变或者拉伸成与角 度面36的形状紧密匹配，这个形变产生了具有与角度面36的表面基本 匹配的扩展表面区域的余料。025现在参照图5，当沖头22和第一余料46穿过工件18的第一壁24 前进并进一步进入模腔16时，第一余料46从角度面36上略微松开。在 这种松弛状态下，第 一余料46保持着与角度面36的表面区域大致相等 的扩展表面区域，并且具有与沖头22相关的、比细长体34的沖头横截 面28大的横截面积。应当注意，虽然出于说明的目的过程被分解成离 散步骤，实际上沖头22是非常有力地且以高达甚至超过4英寸每秒的速 度快速地被推动穿过工件18和交叉通道的。026现在参照图6和7，示出了第二个孔27和第二余料50的产生。随 着冲头22和第一余料46穿过工件18继续前进，它们接下来冲击第二壁 26。受到冲击后，在与笫一余料46接触的材料和模具镶套(button die) 部分32之间的外围交界处产生第二断裂点48.随着冲头22继续前进， 第二余料50在第二断裂点48处从第二壁26上分离。第二余料50分离之 后，沖头22、第一余料46以及第二余料50运动穿过模腔16并进入银套 内部40'027在这个实施例中，镶套内部40由三个特征限定渐缩锥形部分 52、渐扩锥形部分54以及余料捕获区域56。渐缩锥形部分52是渐缩圆 锥的一段，渐扩锥形部分54是渐扩圓锥的一段.余料捕获区域56在渐 缩和渐扩锥形部分52和54的锥顶，并且是镶套内部40的具有最小橫截 面的区域。在一个示例性实施例中，冲头22的细长体34和镶套内部40 的余料捕获区域56之间的间隙大致是0.002-0.005英寸；这提供了足够的 径向间隙以提供滑动配合，然而，细长体34和余料捕获区域56之间的 径向间隙更小也是可能的，包括零间隙紧贴配合。028操作中，当余料46和50运动离开第二壁26，渐缩锥形部分52阻 止了它们的径向膨胀或者松弛，如图7中最佳所见的。余料捕获区域56 和细长体34之间的间隙被设置成，首先允许余料46和50被推动穿过渐 缩锥形部分52，然后当沖头22向上往复运动(如图l-9所示)穿过余料 捕获区域56时剥去余料46和50。只要余料46和50在向下沖程中而不是 在往复运动的向上沖程中能够通过余料捕获区域56,细长体34和余料捕获区域56之间的径向间隙就足够了 。029图8和9图示了第一和第二余料46和50从余料扩展和捕获设备10 上的释放。当沖头22的角度面36穿过余料捕获区域56前进时，第一和 第二余料46和50不再受到渐缩锥形部分52的约束，现在可自由扩展并 从角度面36上松开。这种扩展导致余料46和50具有比余料捕获区域56 的橫截面积大的横截面积.然后，沖头22的致动反转方向，冲头22开 始向上运动，如图8和9所示的。当冲头22的角度面36穿过余料捕获区 域56时，扩展后的第一和第二余料46和50太宽以致于不能回穿过余料 捕获区域56，被从角度面36上剥落或敲掉。此时，余料46和50是松他 的，它们通过排出滑道60落下。本领域技术人员会认识到用于从设备 中移除余料的其他方法，例如，但不限于机械移除法、液压排出余 料等等。030在沖头22撤回离开余料捕获区域56 (参见图7和8)后，失去液 压成形压力42，内部设备不再压力密封.本领域技术人员会认识到， 在使用多个沖头来产生多个孔的应用中，当任何一个沖头撤回穿过它 的余料捕获区域或者由这样的系统中其他构件所导致时，系统中的压 力损失将发生。之后，冲头22返回到其在沖压腔20中的位置，(现在 已完成的)工件18被移除，并提供新的零件，该设备重复上述过程.031本发明也提供了一种在液压成形零件上打孔的方法，如图l-9 所示，该方法包括向具有模腔16的模具内提供工件18,然后向工件18 施加足够的液压成形压力42，使得工件8在模腔16中扩展，此时工件 18开始与模腔16的形状匹配。接下来，冲头22前进充分穿透工件的第 一壁24以在第一壁24上打出第一个孔25并从第一壁24上产生第一余料 46。当沖头22前进穿过笫一壁24时，第一余料46扩展后并从沖头22上 松开。扩展后的第一余料通过模中的余料捕获区域56.余料捕获区域 56具有比扩展后的笫 一余料46更小的横截面积，因此扩展后的第 一余 料46仅在向下的方向能够通过余料捕获区域56，如图l-9所示。之后， 沖头22往复运动，穿过余料捕获区域56充分撤回以将扩展后的第一余 料46从冲头22剥落。032尽管已经详细描述了实施本发明的最佳方式，熟悉本发明相关
权利要求
1. 一种适合液压成形应用的在工件上打孔的设备，包括第一模部分，其具有第一冲压腔部分；第二模部分，其具有第二冲压腔部分；其中所述第一和第二模部分限定用于接收工件的模腔，所述第一和第二冲压腔部分与所述模腔相交；其中所述第二冲压腔部分包括与所述第一冲压腔部分共轴的余料捕获区域；冲头，其具有角度切割面，角度切割面被设置成在由所述第一冲压腔部分和所述第二冲压腔部分的所述余料捕获区域限定的交叉通道中运动；其中所述冲头具有与所述交叉通道相垂直的横截面，所述冲头的所述角度切割面具有比所述冲头的所述横截面大的表面积；以及其中所述余料捕获区域被设置成具有比所述角度切割面的所述表面积小的横截面面积。
2. 权利要求l的设备，还包括第三模部分，其具有镶套腔，其中 所迷第二模部分是平齐安装于所述第三模部分的所述镶套腔内的镶 套，其中所述余料捕获区域由所述镶套的内腔限定.
3. 权利要求2的设备，其中所述镶套的内腔还由下列各项限定 与工件相邻的渐缩锥形部分，其限定了渐缩的基本圃锥的腔；以及与工件相对的渐扩锥形部分，其限定了渐扩的基本圆锥的腔.
4. 权利要求3的设备，其中所述余料捕获区域被限定为所述渐缩 锥形部分和所述渐扩锥形部分的锥顶。
5. 权利要求l的设备，还包括液压压力源，其被设置成向所述模 腔中的工件内提供液压压力，其中所述提供的液压压力足以向外扩展 工件以使得其符合所述模腔的表面，却不足以使工件的壁断裂进入所 述第一或第二冲压腔部分。
6. 权利要求l的设备，其中所述沖头可撤回且当所迷冲头撤回时 所述余料捕获区域的结构足以捕获余料。
7. 权利要求l的设备，其中所述冲头的所述角度切割面为凸出的瘤。
8. 权利要求l的设备，还包括 在所述模腔中的工件，用于打孔以产生余料；以及 其中所迷角度切割面被设置成当所述沖头在所述交叉通道中运动时足以扩展所述余料.
9. 一种适合液压成形应用的在工件上打孔的设备，包括沖头，其具有细长体，在细长体的相对两端具有可致动端和打孔端；其中所述打孔端具有角度切割面；以及其中所述角度切割面具有比所述细长体的横截面面积大的表面积。
10. 权利要求9的设备，进一步包括锿套，其具有被设置成允许所述沖头纵向通过的内腔； 其中所述内腔具有渐缩锥形部分和渐扩锥形部分，其中所述渐缩锥形部分更接近所述沖头；以及其中所述细长体和所述内腔被设置成具有径向间隙以使被所述冲头的所述打孔端打下的工件部分只能单向通过所述镶套的所述内腔.
11. 权利要求10的设备，其中所述径向间隙的特征为滑动配合。
12. 权利要求10的设备，其中所述径向间隙小于或等于0. 005英寸。
13. 权利要求10的设备，其中所迷角度切割面是凸出的瘤。
14. 一种使用沖头在液压成形时的工件上打孔的方法，包括 将工件定位在具有模腔的模中，其中所述模腔被设置成接收工件； 向工件施加足够的压力，使得工件在所述模腔中向所述模扩展； 使沖头前进足以穿过工件的第一壁以在所述的第一壁上打出第一个孔并从第一壁产生第一余料；当沖头前进穿过所述第一壁时扩展所述第一余料，由此形成扩展 后的第一余料；使所述扩展后的第一余料穿过所述模中余料捕获区域，余料捕获 区域具有比所述扩展后的笫一余料更小的横截面面积；撤回冲头使之足以回穿过所述余料捕获区域以从沖头上剥落所述 扩展后的第一余料。
15. 权利要求14的方法，还包括在使所迷扩展后的第一余料通过所述余料捕获区域之前，使冲头和所述扩展后的第一余料前进足以通过工件的第二壁以在所述笫二壁 上打出第二个孔且产生并扩展来自所述第二壁的第二余料，由此形成扩展后的第二余料；使所述扩展后的第 一余料和所述扩展后的第二余料通过所述余料 捕获区域；以及撤回沖头使之足以回穿过所述余料捕获区域以从冲头上剥落所述 扩展后的第 一余料和所述扩展后的第二余料。
全文摘要
液压成形用的余料扩展和捕获设备及方法。该设备包括第一模部分和第二模部分，它们形成用于工件的模腔。每个模包括冲压腔，冲压腔通常垂直于工件。冲压腔之一具有余料捕获区域。具有角度切割面的冲头能在由冲压腔所形成的交叉通道中运动以冲击工件。冲头的角度切割面具有比冲头体大的表面积，这导致从工件上打下的余料扩展。余料捕获区域被设置成具有比角度切割面的表面积更小的横截面面积。
文档编号B21D28/24GK101502861SQ200910003820
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月7日
发明者G·W·巴彻洛, M·M·吉兰, T·A·肯特, V·J·塞奇塔 申请人:通用汽车环球科技运作公司