6016與H70板的沖壓變形連接過程及剝離強度分析

溫 彤，張文城，陳 世

(重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400044)

沖壓變形連接(或沖壓連接)是一種利用塑性變形使板件相互連接的方式，可用于同質(zhì)或異質(zhì)、相同或不同厚度金屬板料之間的連接.相對于點焊、鉚接等傳統(tǒng)工藝，沖壓連接具有生產(chǎn)率高、成本低，對板料表面無特殊要求等優(yōu)點.雖然該工藝出現(xiàn)較早，但上世紀80年代后才開始應用于生產(chǎn).

沖壓連接質(zhì)量受到板材料特性、模具幾何尺寸、摩擦以及連接工藝狀態(tài)等很多因素影響.Varis［1］對不同厚度高強度鋼板進行了連接，比較了圓形與方形連接點，討論了連接點抗剪強度的影響因素;Neugebauer等［2］利用感應加熱和平底砧對AZ31進行了連接，結合數(shù)值方法分析了不同模具參數(shù)對連接點的影響;Abe等［3］在連接高強度鋼和鋁板時，通過優(yōu)化凹模形狀以改善材料流動;He［4］總結了沖壓連接數(shù)值模擬的現(xiàn)狀;Oudjene等［5］利用田口方法研究了模具參數(shù)與連接點互鎖值、頸部厚度、抗拉強度之間的關系;Coppieters等［6-7］運用有限元法預測了連接點的抗拉和抗剪強度;Lee等［8］進行了鋁合金和高強度鋼板間的連接，推導了連接點在拉伸載荷下的頸部斷裂和上板料拔出兩種失效形式的解析式.此外，Saberi等［9］分析了材料塑性各向異性對連接的影響，Mucha［10］探討了連接成形機制，Carboni等［11］分析了連接點的疲勞特性.由于影響沖壓連接質(zhì)量的因素眾多，至今尚未形成一套完整而成熟的工藝設計體系.

本文利用數(shù)值模擬和實驗，分析了不同工藝參數(shù)對連接點頸部厚度、互鎖值以及金屬流動的影響，并對連接點的剝離過程進行數(shù)值模擬以預測連接強度，比較了不同剝離試樣方式對強度測試結果的影響.

1 研究模型與參數(shù)

1.1 實驗模型

連接和剝離實驗均在萬能材料試驗機上進行.材料為厚度分別為0.8和1 mm的6016鋁板和H70黃銅板，切割成90 mm×25 mm的坯料，表1為拉伸試驗得到的性能參數(shù).為便于加工，連接模具采用圖1所示的鑲塊式凹模結構.

圖1 連接模具

1.2 實驗參數(shù)確定

為比較不同模具幾何參數(shù)對連接的影響，凸模直徑 Dp取 5.4、5.6、5.8 mm，圓角半徑 Rp為0.3、0.5、0.7 mm;凹模直徑 Dd=8 mm，深度Hd=1.2、1.4 mm，凹模底部圓角半徑Rd=0.5 mm.實驗尺寸組合見表2.

表2 鋁板連接的模具參數(shù)組合

圖2為與連接質(zhì)量密切相關的連接點幾何參數(shù)，包括連接點直徑D、頸部厚度Tn、互鎖值Tu以及底部厚度X.圖3為按表2參數(shù)對連接過程的數(shù)值模擬結果.模擬時摩擦因子板料間設為0.4，板料和模具間設為0.12.根據(jù)對稱性，取一半的模型進行分析.由圖3可以看出，1號未能填滿凹槽，說明凸模直徑偏小，3號出現(xiàn)了材料返流現(xiàn)象，說明凸模直徑偏大，2號正好填滿凹槽，連接點形狀良好.當凹模深度變?yōu)?.4 mm時，4、5號組合均未能填滿凹槽，只有6號材料填充情況較好，但頸部減薄明顯.

圖2 連接點質(zhì)量特征參數(shù)

圖3 有限元模擬結果

由圖3還可知，當Dp一定時，隨著Hd增加，Tn減小，Tu增加;當Hd一定時，隨著Dp增加，Tn減小，Tu先大后小，當Dp為5.8 mm時，Tn和Tu均下降，在Dp為5.6 mm時最佳.另外，5號組合的Tn最小，因此，后面將1、2、4的3組作為鋁板連接的模具參數(shù)，分別用A、B、C組表示.同樣確定銅板連接的參數(shù)組合(表3)，即Dp取5.4 mm，Hd取1.4、1.6 mm，分別用D、E組表示.圖4為實驗與模擬的模具工作部分尺寸.

表3 銅板連接的模具參數(shù) (mm)

圖4 實驗模具工作部分尺寸

2 結果及分析

2.1 實驗結果

實驗發(fā)現(xiàn)，用A、B兩組參數(shù)連接的鋁板連接點外觀完好、連接牢靠(圖5)，C組則由于凹模深度過大，板料頸部減薄厲害并出現(xiàn)斷裂.D、E所成形銅板的連接點完好，但E組連接點凸模側有細小裂紋.鋁和銅板間進行異質(zhì)材料連接時，模具參數(shù)取Dp=5.4、Dd=8、Hd=1.4.當銅板在凸模側(F 組)連接成功，而鋁板在凸模側(G組)則出現(xiàn)頸部斷裂，如圖6所示.

圖5 同質(zhì)板料的連接實驗結果

因此，異種材料間連接時，通常較厚的板材應位于凸模側，因為較薄的板材容易因變形過度而導致頸部斷裂.材料的硬度也不要相差太大，且應將較硬的板材放在凸模側.

圖6 鋁/銅板連接實驗結果

2.2 沖壓連接成形過程的影響因素分析

2.2.1 凸模圓角半徑Rp

圖7為其他條件不變，Rp分別為 0.3、0.5、0.7 mm時，成形后根據(jù)數(shù)值模擬結果繪制的0.8 mm厚6016板(下同)連接點截面形狀對比圖.可見，Rp越小則上板料拉伸減薄越厲害，出現(xiàn)剪斷的風險越大.隨著Rp增加，頸厚值Tn增大，互鎖值Tu減小.因此，合適的Rp取值十分重要:過小可能因頸部材料減薄而出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，過大可能使嵌入量太小、影響結合強度.

圖7 不同Rp成形的截面對比

2.2.2 底部厚度X

X大小取決于凸模下壓量.隨著凸模下壓，凸、凹模間材料向凹槽內(nèi)的流速加快，并將上層板料擠入下層板料內(nèi)，形成互鎖(圖8).當X減小，Tn基本不變，但Tu增大(圖9).若X太大，底部材料可能流動不到位，影響互鎖;X太小，則底部太薄，連接點可能破壞.通常推薦 X取總板厚的25%.

圖8 不同底厚值X的材料流動趨勢

圖9 不同X對截面形狀和Tn、Tu的影響

2.2.3 凹模形狀

在適當范圍內(nèi)，通常凹模直徑Dd越大則連接點直徑D越大，連接點的抗拉強度和抗剪強度越高.為比較凹模形狀對連接點的影響，考慮圖10所示模型:a部分凹槽寬度和深度減小，總體積減小;b部分凹槽寬度不變，深度增加;c部分凹模底部過渡圓角增大.

圖10 不同參數(shù)的凹模模型

圖11是底厚X=0.6 mm時連接點的靜水應力分布.當凹槽過大時，材料難以充滿凹槽，內(nèi)材料靜水壓力為正(拉應力)，容易破裂.隨著凹槽減小，材料開始受壓，破裂機率降低，但材料“返流”現(xiàn)象開始明顯，連接點下板料和凹模間出現(xiàn)分離.另外，凹模深度Hd增大時，Tn減小，Tu有所增加.圖12為其他參數(shù)不變，凹模過渡圓角半徑Rd分別為0、0.5、1.0 mm時的材料填充情況.Rd過小，材料向凹槽內(nèi)流動困難，凹槽不易充滿.Rd增大后，材料向凹槽內(nèi)的流動阻力明顯減小，成形力略有降低.整體上Rd對Tn和Tu影響不大(圖13).

圖11 不同凹模底部時連接點的靜水應力分布

圖12 不同凹模圓角下材料的流動趨勢

3 沖壓連接的剝離強度分析

抗拉和抗剪強度是評價沖壓連接靜態(tài)強度的兩個主要指標.通常，連接點的抗剪強度遠高于抗拉強度，實踐中多數(shù)失效是以沿板面法向的分離為主，故下面主要分析抗拉強度.

3.1 剝離過程的數(shù)值模擬

為計入連接點成形階段塑性變形的影響，本文在連接過程模擬結果的模型基礎上，保持連接點變形狀態(tài)及應變等信息，直接進行拉伸剝離模擬.

邊界條件、特別是載荷施加方式對剝離影響很大.本文將剝離時板料兩側按兩種邊界約束方式處理(圖14).

圖14 邊界條件設置

1)C-D區(qū)下表面單元節(jié)點全部固定，A-B區(qū)上表面單元節(jié)點全部以相同速度向上運動，即視作理想狀態(tài)的分離過程.

2)根據(jù)實際拉伸剝離過程中試驗機對試樣的夾持加載方式，將C端固定，B端向上移動.

圖15為剝離過程的模擬結果.方式1)下板料無明顯彎曲，塑性變形主要集中在互鎖區(qū)，分離阻力主要來自該區(qū)域的塑性變形抗力和摩擦力.方式2)中，上板料上移時，下板料除固定端外的材料也隨之上移，導致下板料彎曲且連接點互鎖值不斷減小，直至上、下板料分離.

3.2 剝離抗拉、抗剪強度實驗

沖壓連接的剝離實驗尚無統(tǒng)一標準.通常拉伸實驗試樣有L型和H型兩類，如圖16所示.其中，W為試樣寬度，A為連接點中心至夾持邊的距離，R為折彎半徑.

圖15 拉伸剝離模擬結果

圖16 剪切和拉伸剝離實驗的試樣形式

表4為利用表2參數(shù)A對0.8 mm厚的6016板試樣壓接12個連接點，分別彎制成H型和L型拉伸試樣進行剝離實驗的結果.H型試樣夾持邊到連接點中心的距離(B/2)為10 mm，左右對稱;L型試樣取夾持邊到連接點中心的距離A分別為10、20、30 mm，每組重復3次做拉伸實驗，測量不同力臂下拉伸力的大小并取平均值.由表4可以看出，由于杠桿效應，不同力臂下L型試樣拉伸時測得抗拉強度存在差別:力臂越長、測試值越小.

表4 H型和L型拉伸

表5為表2中A、B兩組參數(shù)連接后，采用H型試樣的抗拉強度實驗與模擬值對比，可見二者十分接近.實驗在萬能材料試驗機上進行(圖17)，拉伸速率3 mm/min.當載荷增長率小于零時卸載，取最大載荷值作為連接點結合強度，每組重復3次并取平均值.

表5 試樣的抗拉、抗剪強度(H型試樣)

圖17 剪切和拉伸實驗

4 結論

1)沖壓連接強度取決于連接點直徑D、頸部厚度Tn、互鎖值Tu等幾何參數(shù)，這些參數(shù)受凸模、凹模以及底部厚度X等模具與工藝參數(shù)的影響.利用數(shù)值模擬可為連接工藝與模具設計、連接強度預測提供有效指導.

2)隨著凸模圓角Rp增大，連接點頸部厚度Tn增加，互鎖值Tu減小.Rp過小可能因頸部材料太薄而出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，過大可能使嵌入量小而影響結合強度.

3)底部厚度X取決于凸模下壓量.X太大，底部材料可能流動不到位，影響互鎖;X太小，則底部太薄.通常推薦X取總板厚的25%.

4)凹模的凹槽形狀、過渡圓角Rd、深度等對連接變形過程以及連接強度有較大影響.當凹模過渡圓角Rd過小，材料向凹槽內(nèi)流動困難，凹槽不易充滿.Rd增大后，材料向凹槽內(nèi)的流動阻力明顯減小，成形力略有降低.但整體上凹模Rd對Tn和Tu影響不大.而凹槽深度Hd增大，Tn減小，Tu有所增加.

5)異種材料間連接時，較厚和較硬的板材應放在凸模側，以避免變形過度而導致頸部斷裂.

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