变薄翻孔冲头、冲头设计方法以及防变形结构与流程

本发明涉及翻孔成型技术领域，特别地，涉及一种变薄翻孔冲头及其设计方法，此外还涉及一种用于翻孔加工时的防变形结构。

背景技术：

翻孔，即为用于将孔边缘翻成竖立边，翻孔是沿内孔周围将材料翻成侧立凸缘的一种冲压工序。冲头，机械工具中的冲压模具上的金属零件，是安装在冲压模具上进行连续冲裁冲压冲断作业，使被加工材料发生分离或塑性变形，从而获得所需要的成品或半成品。

航空发动机机匣上需要加工多个用于焊接其他零部件的翻孔，现有技术中，采用常规翻孔冲头进行冲压，冲压形成的翻孔的壁厚与机匣的壁厚相同，但由于需要焊接的零部件的壁厚比冲压后的翻孔壁厚薄很多，甚至不足冲压后的翻孔壁厚的一半。由于壁厚相差大的两个部件在焊接时，在焊接热影响区常常产生焊接裂纹，需要反复补焊，造成零件合格率低。因此，通过铣磨等其他加工方式将冲压后的翻孔变薄以使翻孔的壁厚与待焊接的零部件的壁厚一致，增加翻孔的加工工序，加工周期长。

技术实现要素：

本发明提供了一种变薄翻孔冲头、冲头设计方法以及防变形结构，以解决现有的翻孔冲头无法加工变薄量较大的变薄翻孔的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种变薄翻孔冲头，包括位于冲头起始端的第一冲头段、设于第一冲头段下游的第二冲头段、处于第一冲头段与第二冲头段之间的第一过渡段、设于第二冲头段下游的第三冲头段以及处于第二冲头段和第三冲头段之间的第二过渡段；第二冲头段的起始端直径小于或等于第一冲头段的末端直径，第二冲头段的末端直径大于第一冲头段的末端直径，第一冲头段的末端直径和第二冲头段的起始端直径均大于第一过渡段的直径；第三冲头段的起始端直径小于或等于第二冲头段的末端直径，第三冲头段的末端直径大于第二冲头段的末端直径，第二冲头段的末端直径和第三冲头段的起始端直径均大于第二过渡段的直径。

进一步地，第一过渡段的轴向长度大于或等于翻孔预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度。

进一步地，第二过渡段的轴向长度大于或等于翻孔预冲孔零件经第一冲头段和第二冲头段冲压后形成的翻孔的高度。

根据本发明的另一方面，还提供一种变薄翻孔冲头的设计方法，用于设计上述变薄翻孔冲头，包括以下步骤：根据预冲孔零件的壁厚以及所需加工的变薄翻孔的外径和翻孔边厚度，确定第一冲头段和第三冲头段的末端直径；通过分配变薄翻孔经第二冲头段冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段冲压翻孔的变薄量，确定第二冲头段的末端直径；根据第一过渡段的轴向长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度，通过计算预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度，确定第一过渡段的轴向长度；根据第二过渡段的轴向长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段和第二冲头段冲压后形成的翻孔的高度，通过计算预冲孔零件经第一冲头段和第二冲头段冲压后形成的翻孔的高度，确定第二过渡段的轴向长度。

进一步地，第一冲头段的末端直径等于所需加工的变薄翻孔的外径减去两倍预冲孔零件的壁厚；第三冲头段的末端直径等于所需加工的变薄翻孔的外径减去两倍翻孔边厚度。

进一步地，分配变薄翻孔经第二冲头段冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段冲压翻孔的变薄量，包括以下步骤：根据预冲孔零件的材料的拉伸变薄过程中的变薄系数分配变薄翻孔经第二冲头段冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段冲压翻孔的变薄量；第二冲头段的末端直径等于第一冲头段的末端直径与两倍的变薄翻孔预冲孔零件经第二冲头段冲压翻孔的变薄量之和。

进一步地，确定第一过渡段的轴向长度，包括以下步骤：

计算预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度h1：

其中，d0为预冲孔零件经第一冲头段冲压后的形成的翻孔的中性层直径，d0为预冲孔直径，r为所需加工的变薄翻孔的翻折处内圆角的半径，t0为预冲孔零件的壁厚；第一过渡段的轴向长度大于或等于h1。

进一步地，确定第二过渡段的轴向长度h2，包括以下步骤：设所需加工的变薄翻孔的翻折处内圆角的半径为r，所需加工的变薄翻孔的外径为d，预冲孔零件经第一冲头段冲压后的翻孔边厚度为t，变薄翻孔经第二冲头段冲压后的翻孔厚度为t1，变薄翻孔预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度为h1，变薄翻孔预冲孔零件经第二冲头段冲压后形成的翻孔的翻孔高度为h2；

计算变薄翻孔预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的翻孔边与翻折处圆角的体积之和v1：

计算预冲孔零件变薄翻孔经第二冲头段(2)冲压后形成的翻孔的翻孔边与翻折处圆角的体积之和v2：

根据v1＝v2，计算出预冲孔零件经第一冲头段和第二冲头段冲压后形成的翻孔的高度h2，第二过渡段的轴向长度大于或等于h2。

进一步地，第一过渡段的轴向长度为预冲孔零件经第一冲头段冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍；第二过渡段的轴向长度为预冲孔零件经第一冲头段和第二冲头段冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍。

根据本发明的另一方面，还提供一种防变形结构，用于防止预冲孔零件在冲压过程中翻孔位置发生偏移，包括安装于翻孔冲压模具上的连接板、固设于连接板上的衬套、与预冲孔零件的内环相匹配的定心板以及插入定心板、衬套和连接板中并与定心板固接的插销。

本发明具有以下有益效果：

本发明的变薄翻孔冲头，通过设置第一冲头段、第二冲头段以及第三冲头段依次冲压预零件后形成翻孔，翻孔的壁厚经过多次冲压后逐渐变薄，使翻孔成型后的壁厚符合变薄翻孔的要求；通过第一过渡段将第一冲头段和第二冲头段连接以及通过第二过渡段将第二冲头段和第三冲头段连接，并且始端直径均大于第一过渡段的直径以及第二冲头段的末端直径和第三冲头段的起始端直径均大于第二过渡段的直径，使预冲孔零件完成第一冲头段冲压后需经过第一过渡段后再进行第二冲头段的冲压，完成第二冲头段的冲压后需经过第二过渡段后再进行第三冲头段的冲压，由于第二冲头段的起始端直径小于或等于第一冲头段的末端直径以及第三冲头段的起始端直径小于或等于第二冲头段的末端直径，从而避免由于冲头的直径突然变大对预冲孔零件造成破坏性的拉扯，影响变薄翻孔的成型。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的变薄翻孔冲头的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的变薄翻孔冲头的结构尺寸示意图。

图例说明：

1、第一冲头段；2、第一过渡段；3、第二冲头段；4、第二过渡段；5、第三冲头段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的变薄翻孔冲头的结构示意图；图2是本发明优选实施例的变薄翻孔冲头的结构尺寸示意图。

如图1所示，本实施例的变薄翻孔冲头，包括位于冲头起始端的第一冲头段1、设于第一冲头段1下游的第二冲头段3、处于第一冲头段1与第二冲头段3之间的第一过渡段2、设于第二冲头段3下游的第三冲头段5以及处于第二冲头段3和第三冲头段5之间的第二过渡段4；第二冲头段3的起始端直径小于或等于第一冲头段1的末端直径，第二冲头段3的末端直径大于第一冲头段1的末端直径，第一冲头段1的末端直径和第二冲头段3的起始端直径均大于第一过渡段2的直径；第三冲头段5的末端直径大于第二冲头段3的末端直径，第三冲头段5的起始端直径小于或等于第二冲头段3的末端直径，第二冲头段3的末端直径和第三冲头段5的起始端直径均大于第二过渡段4的直径。第一冲头段1、第二冲头段3、第三冲头段5由起始端向末端直径逐渐变大。第一冲头段1、第二冲头段3、第三冲头段5的表面为凸曲面。第一过渡段2和第二过渡段4的表面为凹曲面。其中，第一冲头段1对预冲孔零件进行壁厚不变的常规翻孔，而第二冲头段3和第三冲头段5依次对预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔进行变薄翻孔，使翻孔边的厚度符合加工要求。本发明的变薄翻孔冲头，通过设置第一冲头段1、第二冲头段3以及第三冲头段5依次冲压预零件后形成翻孔，翻孔的壁厚经过多次冲压后逐渐变薄，使翻孔成型后的壁厚符合变薄翻孔的要求；通过第一过渡段2将第一冲头段1和第二冲头段3连接以及通过第二过渡段4将第二冲头段3和第三冲头段5连接，并且始端直径均大于第一过渡段2的直径以及第二冲头段3的末端直径和第三冲头段5的起始端直径均大于第二过渡段4的直径，使预冲孔零件完成第一冲头段1冲压后需经过第一过渡段2后再进行第二冲头段3的冲压，完成第二冲头段3的冲压后需经过第二过渡段4后再进行第三冲头段5的冲压，由于第二冲头段3的起始端直径小于或等于第一冲头段1的末端直径以及第三冲头段5的起始端直径小于或等于第二冲头段3的末端直径，从而避免由于冲头的直径突然变大对预冲孔零件造成破坏性的拉扯，影响变薄翻孔的成型。可选地，变薄翻孔冲头还包括设于第三冲头段5下游的第四冲头段以及用于连接第三冲头段5和第四冲头段之间的第三过渡段。当预冲孔零件的壁厚与所需加工的翻孔边的厚度相差较大时，第三冲头段5完成冲压后形成的翻孔的翻孔边的厚度仍无法达到要求时，通过增设第三过渡段和第四冲头段，第三冲头段5完成冲压后经过第三过渡段进行第四冲头段的冲压使成型后的翻孔的翻孔边厚度符合要求。成型后的变薄翻孔与需焊接的零部件的壁厚相等，因此无需再对翻孔进行铣磨等其他加工方式使翻孔边变薄，直接将变薄翻孔与零部件进行焊接。

第一过渡段2的轴向长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度。第一冲头段1进入预冲孔零件冲压的同时第一过渡段2也逐渐进入翻孔中，并且需经过第一过渡段2之后才能使第二冲头段3进入翻孔中进行冲压，由于第一过渡段2的轴向长度大于或等于翻孔的高度，因此使第一冲头段1充分完成对预冲孔零件的冲压后再进行第二冲头段3的冲压。第二过渡段4的长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度。第二冲头段3进入预冲孔零件冲压的同时第二过渡段4也逐渐进入翻孔中，并且需经过第二过渡段4之后才能使第三冲头段5进入翻孔中进行冲压，由于第二过渡段4的长度大于或等于翻孔的高度，因此使第二冲头段3充分完成对预冲孔零件的冲压后再进行第三冲头段5的冲压。预冲孔零件在充分完成一个阶段的冲压后再进入下一个阶段的冲压，使每个阶段冲压后翻孔边的变薄量和翻孔高度接近理论设计值，提高了预冲孔零件经过多个阶段冲压后形成的变薄翻孔的精度。

如图1和图2所示，本实施例的变薄翻孔冲头的设计方法，用于设计上述变薄翻孔冲头，包括以下步骤：根据预冲孔零件的壁厚以及所需加工的变薄翻孔的外径和翻孔边厚度，确定第一冲头段1和第三冲头段5的末端直径；通过分配变薄翻孔经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段5冲压翻孔的变薄量，确定第二冲头段3的末端直径；根据第一过渡段2的轴向长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度，通过计算预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度，确定第一过渡段2的轴向长度；根据第二过渡段4的轴向长度大于或等于预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度，通过计算预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度，确定第二过渡段4的轴向长度。设第一冲头段1的末端直径为d1，第二冲头段3的末端直径为d2，第三冲头段5的末端直径为d3。其中，根据预冲孔零件的预冲孔直径确定第一冲头段1起始端的直径。第一冲头段1的轴向长度为第一冲头段1的冲压行程，因此实际预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度第一冲头段1的轴向长度跟第一冲头段1的轴向长度有关。根据所设计预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度确定第一冲头段1的轴向长度，确保预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度、经第二冲头段2冲压后翻孔的高度增量以及经第三冲头段3冲压后翻孔的高度增量之和符合所需加工的变薄翻孔的高度的要求。本发明的变薄翻孔冲头的设计方法，首先通过根据预冲孔零件的壁厚以及所需加工的变薄翻孔的外径和翻孔边厚度确定第一冲头段1和第三冲头段5的末端直径，再根据变薄量的分配确定第二冲头段3的末端直径，最后根据计算预冲孔零件经第一冲头段1冲压后的翻孔高度以及经第二冲头段3冲压后的翻孔高度确定第一过渡段2和第二过渡段4轴向长度，从而完成变薄翻孔冲头的设计以确保变薄翻孔冲头冲压预冲孔零件后成型的变薄翻孔符合设计要求。

在另一实施例中，所需设计的变薄翻孔冲头的第三冲头段5的下游还设有第四冲头段以及用于连接第三冲头段5和第四冲头段之间的第三过渡段，包括以下步骤：根据预冲孔零件的壁厚以及所需加工的变薄翻孔的外径和翻孔边厚度，确定第一冲头段1和第四冲头段的末端直径；通过分配变薄翻孔经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量、经第三冲头段5冲压翻孔的变薄量以及经第四冲头段冲压翻孔的变薄量，确定第二冲头段3和第三冲头段5的末端直径；通过计算预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度，确定第一过渡段2的轴向长度；通过计算预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度，确定第二过渡段4的轴向长度；通过计算预冲孔零件经第一冲头段1、第二冲头段3以及第三冲头段5冲压后形成的翻孔的高度，确定第三过渡段的轴向长度。

第一冲头段1的末端直径等于所需加工的变薄翻孔的外径减去两倍预冲孔零件的壁厚；第三冲头段5的末端直径等于所需加工的变薄翻孔的外径减去两倍翻孔边厚度。由于第一冲头段1对预冲孔零件进行平板胚料翻孔，因此冲压后的翻孔边厚度与预冲孔零件的壁厚相等。

分配变薄翻孔经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段5冲压翻孔的变薄量，包括以下步骤：根据预冲孔零件的材料在拉伸变薄过程中的变薄系数分配预冲孔零件经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量和经第三冲头段5冲压翻孔的变薄量；第二冲头段3的末端直径等于第一冲头段1的末端直径与两倍的预冲孔零件经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量之和。变薄翻孔成型可视作特殊的变薄拉伸，不同材料的变薄系数不同即不同材料在壁厚相同的受到相同的挤压力后变薄量不同，并且不同壁厚存在不同极限变薄量，因此需根据预冲孔零件的材料以及预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的翻孔边厚度，确保分配预冲孔零件经第二冲头段3冲压翻孔的变薄量小于极限变薄量，需根据预冲孔零件经第二冲头段3冲压后形成的翻孔的翻孔边的厚度，确保零件经过第三冲头段5冲压后的变薄量小于极限变薄量，同时还需保证预冲孔零件经第二冲头段3的第三冲头段5冲压后成型的变薄翻孔的翻孔边的厚度符合加工要求。

确定第一过渡段2的轴向长度，包括以下步骤：计算预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度h1：其中，d0为预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的中性层直径，d0为预冲孔直径，r为所需加工的变薄翻孔的翻折处内圆角的半径，t0为预冲孔零件的壁厚；第一过渡段2的轴向长度大于或等于h1。

确定第二过渡段4的轴向长度h2，包括以下步骤：设所需加工的变薄翻孔的翻折处内圆角的半径为r，所需加工的变薄翻孔的外径为d，预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的翻孔边厚度为t，预冲孔零件经第二冲头段3冲压后形成的翻孔的翻孔边厚度为t1，预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度为h1，预冲孔零件经第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度为h2；

计算预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的翻孔边与翻折处圆角的体积之和v1：

计算预冲孔零件经第二冲头段3冲压后形成的翻孔的翻孔边与翻折处圆角的体积之和v2：

根据v1＝v2，计算出预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度h2，第二过渡段4的轴向长度大于或等于h2。

第一过渡段2的轴向长度为预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍；第二过渡段4的轴向长度为预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍。由于在预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度h1和经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度h2的计算中，翻折处圆角的体积是按照所需加工的变薄翻孔的壁厚即最薄壁厚计算的，因此h1和h2的值比实际值要稍大一点，当第一过渡段2的长度与h1相等时，h1与实际值的偏差便是第一过渡段2的长度裕度，当第二过渡段4的长度与h2相等时，h2与实际值的偏差便是第二过渡段4的长度裕度。第一过渡段2的长度为预冲孔零件经第一冲头段1冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍；第二过渡段4的长度为预冲孔零件经第一冲头段1和第二冲头段3冲压后形成的翻孔的高度的1～1.5倍，确保有足够的空间完成第二冲头段3和第三冲头段5的冲压，且第一过渡段2和第二过渡段4的长度裕度合理，避免长度裕度过大使冲头的总长度很长而造成加工空间以及冲头制作材料的浪费，同时减少了冲压过程中不必要的空行程，提高了变薄翻孔成型的加工效率。

本实施例的防变形结构，用于防止预冲孔零件在冲压过程中翻孔位置发生偏移，其特征在于，包括安装于翻孔冲压模具上的连接板、固设于连接板上的衬套、与预冲孔零件的内环相匹配的定心板以及插入定心板、衬套和连接板中并与定心板固接的插销。在发动机匣上进行冲压翻孔时，预冲孔位于锥面上，加工时将锥面部分固定于冲压模具上进行冲压翻孔的过程中，由于冲压应力以及机匣类零件的自身重力，导致预冲孔的位置容易发生偏移，成型后的变薄翻孔的位置度不符合要求。通过本发明的方变形结构对预冲孔零件的内环进行固定，通过固定于翻孔冲压模具上的连接板支撑零件以及通过插销与连接板连接的定心板与零件内环定心限位，从而确保预冲孔零件在冲压过程中不易发生位置偏移，保证预冲孔零件的变薄翻孔的位置度和精度符合要求。

从以上的描述中，可以看出，本发明的上述实施例实现了如下技术效果：

本发明的变薄翻孔冲头，通过设置第一冲头段、第二冲头段以及第三冲头段依次冲压预零件后形成翻孔，翻孔的壁厚经过多次冲压后逐渐变薄，使翻孔成型后的壁厚符合变薄翻孔的要求；通过第一过渡段将第一冲头段和第二冲头段连接以及通过第二过渡段将第二冲头段和第三冲头段连接，并且始端直径均大于第一过渡段的直径以及第二冲头段的末端直径和第三冲头段的起始端直径均大于第二过渡段的直径，使预冲孔零件完成第一冲头段冲压后需经过第一过渡段后再进行第二冲头段的冲压，完成第二冲头段的冲压后需经过第二过渡段后再进行第三冲头段的冲压，由于第二冲头段的起始端直径小于或等于第一冲头段的末端直径以及第三冲头段的起始端直径小于或等于第二冲头段的末端直径，从而避免由于冲头的直径突然变大对预冲孔零件造成破坏性的拉扯，影响变薄翻孔的成型。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。