王艷茹， 侯紅玲,2*， 陳 鑫， 吳 浪， 趙永強,2

(1.陜西理工大學 機械工程學院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

隨著輕質金屬和復合材料在制造業(yè)中的大量使用，尤其是當今世界對汽車節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、經濟性等方面的要求，促使板材塑性連接技術不斷發(fā)展。與傳統(tǒng)連接技術相比，無鉚連接具有連接強度高、表面損傷小、可靠性高等優(yōu)勢，在汽車車身覆蓋件、電子、家電等領域被廣泛應用[1]。

汽車克服自身重量產生的油耗占據了汽車總油耗的70%左右[2]，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可以提高6%～8%，降低車身重量越來越被汽車行業(yè)重視，汽車輕量化已成為一種趨勢[3]。采用輕質金屬和非金屬，如鋁合金板、鎂合金板、鈦合金板、薄鋼板以及復合材料等取代鋼鐵銅來減輕車身重量是行之有效的措施，也可以達到傳統(tǒng)點焊技術無法完成的連接效果。

無鉚連接是利用金屬本身的塑性變形能力，對板件進行壓力加工來獲得金屬板料相互嵌入的接頭，屬于機械變形連接工藝的一種。目前國內外對無鉚連接的相關研究成果比較豐富。貢澤飛[4]通過對比自沖鉚接和無鉚釘鉚接的不同厚度的板材連接，分析了兩種接頭的失效形式，但未涉及不同厚度下工件的應力應變；陶柳[5]提出了一種利用模具降低鉚接點凸出的方法，提高了無鉚釘鉚接的連接強度；陳超[6]綜述了無鉚連接的過程及其影響因素；張兆元[7]針對鋼鋁自沖鉚接載荷過大問題，優(yōu)化鉚釘長度，研究鉚釘、模具及車身板件的匹配關系，但未涉及成形過程中的鉚接速度等因素；Coppieters S等[8-10]運用有限元預測了連接點的抗拔強度和抗剪強度，并對比了實驗數據和仿真結果；Lee C J等[11-13]研究了異種材料的無鉚連接過程，預測了上下板材的不同塑性能力導致連接接頭出現(xiàn)破裂、無鎖扣等缺陷；HE Xiao-cong[14]總結了鉚接接頭有限元分析的研究進展；Abe Y等[15-17]研究了高強度鋼板和鋁合金的無鉚連接，分析了鋼板易斷裂的原因。

以上研究從無鉚連接接頭及異質材料的連接方面著手，分析了不同連接類型和不同材質板材對接頭失效和連接強度等問題的影響，但很少涉及鉚接模具的幾何形狀和連接過程中沖壓速度對無鉚連接接頭質量的影響。本文以5052鋁合金板材為研究對象，通過改變板材厚度、凹模深度和沖頭速度等參數，采用有限元模擬的方法，研究鉚接模具對鉚接接頭質量的影響。

1 板材無鉚連接的成形機理

1.1 板材的無鉚連接理論

無鉚連接又稱為“沖壓連接”，是利用模具對兩層或多層板料進行沖壓，利用板材的塑性變形能力，使板材之間內嵌而實現(xiàn)連接的加工方法。在連接過程中主要涉及沖頭、凹模、壓邊圈和上、下板材，其連接過程如圖1所示。板料初壓時沖頭向下運動將兩層或多層板材擠壓進凹模中，上層板在沖頭作用下產生剪切變形導致板料變薄，下層板由于未直接接觸沖頭，變形較小并接觸凹模底部平面；成形初期階段，沖頭繼續(xù)運動，上板料在沖頭圓角的壓力下變形減薄并開始向凹模底部的凹槽中流動，但下層板料的側面還未接觸凹模的內側面；成形階段模具繼續(xù)下行，下板料在擠壓力作用下向凹槽內流動并逐漸充滿凹槽，上層板料也逐漸嵌入凹模側的下板料中，從而在上下板料間產生相互鑲嵌的連接點。

(a)接觸階段 (b)初壓階段 (c)填充階段 (d)成形階段1.沖頭； 2.上板材； 3.下板材； 4.凹模； 5.壓邊圈圖1 無鉚連接過程

1.2 無鉚連接的模具設計理論

在理想狀態(tài)下，板材鉚接質量最好的情況是下板材完全充滿凹模凹槽且板料填充部分無任何裂紋，上下板料無間隙，同時板材成形部分呈軸對稱形狀，這種鉚接狀態(tài)是“墩實”。在這一假設條件下，建立的模具和雙層板材的鉚接成形截面如圖2所示。

(a)模具形狀

D—凹模直徑；

d—沖頭直徑；

H—凹模深度；

t1、t2—上、下板材厚度；

r1—沖頭圓角半徑；

r2—凹槽半徑

(b)沖頭所形成的截面形狀 (c)凹模所形成的截面形狀 圖2 鉚接成形截面形狀

一般板材無鉚連接的圓點接頭頸部厚度Tn(凹模半徑RD和沖頭半徑Rd之差)是上板料厚度t1和下板料厚度t2的1/3～2/3，即Tn的取值范圍為[18]

(1)

計算凹模深度H時，依據的原理是，理想狀態(tài)下鉚接模具的沖頭行程結束后所得的材料體積Vpunch與凹模凹槽內充滿的材料體積Vdie相等，即

Vpunch=Vdie。

(2)

圖3 板件接頭截面體積分布

在鉚接過程中，板材的整體壓縮性較小，其中板材的斷面收縮率為δ，假設材料在變形前后體積保持不變，即

(3)

(4)

從圖2截面體積分布和式(4)推導可得

(5)

(6)

不考慮沖頭和凹模圓角的情況下，可得

(7)

(8)

(9)

綜合上述算式，可得到凹模深度H的范圍為

(10)

將凹模半徑、沖頭半徑及上、下板的板厚值代入式(10)，可確定凹模的深度范圍。本文中凹模半徑RD=4 mm、沖頭半徑Rd=2.7 mm、上板料厚度t1和下板料厚度t2均為1 mm，計算可得凹模的深度H的范圍為0.91 mm

1.3 鉚接質量評價

圖4 接頭評價數據

無鉚釘鉚接接頭的質量評價一般采用直觀評價法[19]，即通過對成形接頭中心截面處幾個關鍵幾何尺寸的測量來對其進行質量評價，分別是互鎖值Tu、頸厚值Tn、底厚值X，如圖4所示?；ユi值Tu的大小反映連接的可靠性，該值越大，代表連接越可靠，反之，則表示上下板易分離；頸厚值Tn較小時，接頭容易斷裂。同時，頸厚值Tn、互鎖值Tu與底厚值X之間有著密切的聯(lián)系，不同的底厚值得到的頸厚值和互鎖值不同[20]。

2 無鉚連接的有限元模擬

2.1 仿真模型建立

根據前述的計算過程，得到的沖頭直徑d=5.4 mm，沖頭圓角半徑r1=0.5 mm；凹模直徑D=8 mm，凹模深度取值H=1.4 mm，凹槽半徑r2=0.5 mm，單層板料厚度為1 mm。由于模型是軸對稱結構，為了研究方便又不失真實工況，對其中一半進行模擬分析，在UG三維軟件中設計裝配好仿真模型，再導入DEFORM-3D中進行鉚接過程仿真，其幾何模型如圖1(a)所示。

2.2 鉚接有限元模型建立

DEFORM-3D是一個基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬塑性成形、熱處理等工藝數值模擬的有限元分析軟件[21]。其仿真步驟如下：

(1)材料選擇：將沖頭、凹模和壓邊圈設置為剛體，上下板材的材料選用5052鋁合金。

(2)具體約束：仿真模擬溫度設置為常溫20 ℃；為防止板材變形過程發(fā)生位移，將上下板的邊緣處添加固定節(jié)點邊界條件；以剛性體或變形較小的物體為主對象，依次對沖頭和上板、上板和下板、凹模和下板、壓邊圈和上板之間分別設置主、從對象關系，并設置摩擦系數。

(3)網格參數：本文采用的網格類型是四面體網格，因本身幾何模型并不復雜，使用四面體網格在保證網格質量和計算精度的前提下可以自動、快速地生成，且不需要消耗大量的計算機內存；同時本文在劃分四面體網格的基礎上，還對重點變形區(qū)進行網格細化。將上下板設置為塑性體并進行網格細分，工件網格數設定為60 000，在板料中心約4 mm處細化網格，尺寸比為3∶1；對沖頭添加步數和速度設定，具體步數設定為80，速度設定為2 mm/s；上下板之間的摩擦系數為0.4，其他模具之間的摩擦系數為0.12。

(4)失效形式：材料變形量過大導致的板材破裂或達不到連接效果。

在UG三維軟件中設計裝配仿真模型，并導出stl文件格式，最后導入DEFORM-3D軟件進行仿真模擬，其有限元模型如圖5所示。

(a)仿真模型 (b)模型剖面圖圖5 有限元模型

2.3 無鉚連接數值模擬分析

本文的研究是基于工件材料為5052鋁合金進行的，其主要物理參數見表1[22]。利用DEFORM-3D對無鉚連接成形過程中單板厚度分別為1、1.2、1.5 mm的組合板件進行仿真模擬，討論上下板不同厚度組合的成形效果以及對板件應力、應變的影響，具體板件鉚接組合見表2，不同厚度組合的板件成形效果如圖6所示。

表1 5052鋁合金的主要物理參數(20 ℃)

表2 鉚接方案一覽表

根據互鎖值Tu和底厚值X觀察以上結果，可以看出，相同厚度板材進行鉚接成形的結果明顯優(yōu)于不同厚度的板材鉚接，如圖6(a)、(d)、(f)的接頭成形效果明顯優(yōu)于圖6(b)、(c)、(e)、(g)；不同厚度板材進行鉚接時，較厚板材應置于沖頭側，比較圖6(e)、(g)，可以看出圖6(e)圖的鉚接結果較好。

圖6 不同厚度組合的板材成形結果

為了觀察整個鉚接階段工件的力學性能變化，選取不同厚度組合下的上下板材的應力、應變曲線，模擬觀察從開始接觸到鉚接結束這一時間段內的變化，其工件應力、應變變化情況如圖7—圖10所示。

(a)應力曲線 (b)應變曲線圖7 相同鉚接厚度的上板材應力、應變曲線

(a)應力曲線 (b)應變曲線圖8 不同鉚接厚度的上板材應力、應變曲線

(a)應力曲線 (b)應變曲線圖9 相同鉚接厚度的下板材應力、應變曲線

(a)應力曲線 (b)應變曲線圖10 不同鉚接厚度的下板材應力、應變曲線

應力和應變分別是指上下板材在工作過程中受到的沖頭壓力產生的板內應力變化及其受力狀態(tài)下的變形量變化。由等效應力、應變圖可以看出，隨著沖頭行程的增加，不同厚度組合中的上板件的應力變化趨勢一致，應力值相差不大，隨板厚稍有增加。不同厚度組合中的下板件的應力變化趨勢相似，但隨板厚的增加應力逐漸減??；應變則是先緩慢增加而后快速升高，到達最高點后就下降趨于平緩。

在鉚接成形過程中，接觸凹凸模間隙的板料部分，即圖6(a)圈出的部分(區(qū)域1)，應力、應變值隨沖頭行程增加逐漸增大，壓邊圈附近板料的應力、應變隨行程增加的變化較小；其中最大應變發(fā)生在沖頭圓角與板材接觸的部分，即接頭頸部，也就是圖6(b)中圈出的部分(區(qū)域2)。這是因為隨著沖頭行程增加，板材在擠壓力的作用下向凹槽內流動，應力、應變較集中，是鉚接過程中易出現(xiàn)斷裂的部位。

3 關鍵參數對鉚接質量的影響

3.1 凹模深度的影響

凹模深度是影響鉚接質量的關鍵幾何參數，根據對凹模深度H的設計要求(0.91 mm

由圖11可見，隨著凹模深度的增大，頸厚值Tn呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，互鎖值Tu則是先增大后減小，底厚值X則隨凹模深度的增大逐漸增大。頸厚值Tn和互鎖值Tu的大小反映了鉚接質量的好壞。當凹模深度為1.4 mm時，頸厚值Tn和互鎖值Tu大小相差無幾，底厚值X達到預定值，此時鉚接質量較好。凹模深度的增加會造成凹模型腔體積的增大，在沖頭行程一定的情況下，伴隨凹模型腔體積的增大，板材會因體積不夠而無法充滿整個凹模型腔，造成無鉚連接接頭的頸厚值呈現(xiàn)下降的趨勢，其中沖頭半徑為2.7 mm，凹模深度取1.4 mm左右時成形結果較好。

圖11 凹模深度對連接接頭尺寸的影響

3.2 沖頭速度的影響

為了對比分析沖頭速度對無鉚連接的影響，分別選取沖頭速度為3、4、5、6、7 mm/s的5種情況進行模擬，沖頭速度對板料嵌入量、頸厚值、底厚值的影響如圖12所示，沖頭速度對模具最大載荷的影響如圖13所示。

圖12 沖頭速度對鉚接質量的影響 圖13 沖頭速度對模具載荷的影響

從圖12和圖13可見，板料嵌入量隨沖頭速度的增加而逐漸減小。板料嵌入量的大小反映了上下板鉚接時的抗拉強度，即嵌入量大則鉚接更牢靠，具體可用互鎖值Tu表示，但嵌入量不宜過大，否則下板料易沖孔；頸厚值、底部厚度二者與沖頭速度呈正相關，當沖頭速度一定時板料嵌入量和底部厚度呈負相關，沖頭速度大小影響底厚值X；就本文研究而言，沖頭速度選擇2～5 mm/s較合適。在20 ℃下5052鋁合金塑性成形能力較弱，同時又伴隨沖頭速度的提高，兩層板料會出現(xiàn)鉚接不充分的現(xiàn)象。同時，模具最大載荷隨沖頭速度的增大而增大，得出在較高的成形速度下材料的塑性能力變低，這與塑性材料的變形趨勢是一致的；因此在常溫下進行無鉚連接時要選擇較低的沖頭速度。

通過對上述3個影響因素的模擬仿真分析，為后續(xù)的無鉚連接試驗提供一定的參考。無鉚連接時要盡量選擇上下板厚度相一致，或者厚度相差較小且塑性能力較好的板材；凹模深度的大小由模具的幾何形狀和板料厚度確定，并要大于薄板厚度值且小于被連接板材的組合值(t1+t2)；在常溫或低溫進行無鉚連接時要選擇低速以達到較優(yōu)連接質量。

4 結論

本文通過設計鋁合金板料無鉚連接模具參數，采用DEFORM-3D進行數值模擬加工，研究了模具主要結構參數及成形速度與金屬板料變形之間的關系。

(1)板料的連接厚度對鉚接過程中工件應力和應變影響較大，隨著板材厚度增加，上下板的應力增大，應變則先緩慢增大到達最高點后急劇下降，最大應變發(fā)生在沖頭圓角與板料接觸的部分，即接頭頸部，也是鉚接過程中易斷裂的地方。

(2)凹模的深度影響無鉚連接的成形質量，即要根據上下板材的總厚度、底厚值等參數對凹模深度進行設計。板材總厚度為2 mm，凹模深度選用1.4 mm時，鉚接質量較好。

(3)鉚接過程中，沖壓速度的大小影響板材嵌入量和鉚接質量，沖壓速度越小，板材嵌入量越大，鉚接質量越好，即常溫下進行鉚接時應盡量選取較低的成形速度以保證更高的成形質量，提高鉚接強度。