成形速度及溫度對(duì)無(wú)鉚沖壓連接工藝的影響

韓善靈，姜浩然，劉娟，徐海港

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590 )

0 引言

各大汽車廠商與研究人員均致力于研究運(yùn)用鋁合金等輕質(zhì)合金來(lái)制造車身及零件，以實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。因這一類合金的表面易形成致密的氧化膜，故對(duì)汽車板件的連接技術(shù)及工藝要求越來(lái)越高，各種新型連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)鉚沖壓連接工藝因與傳統(tǒng)的連接工藝相比，無(wú)需對(duì)板材進(jìn)行沖孔等預(yù)加工，不受材料的表面氧化層與鍍層的影響，工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前已廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

無(wú)鉚沖壓連接是依靠沖頭的壓力、凹模及壓邊圈的共同作用使得材料發(fā)生合理的塑性變形，在預(yù)連接部位形成自鎖連接點(diǎn)的新型連接技術(shù)。Chan-Joo Lee等[1]研究了無(wú)鉚沖壓連接的失效形式，在軸向載荷作用下頸部厚度與接頭強(qiáng)度的關(guān)系，并通過(guò)有限元軟件分析優(yōu)化了模具參數(shù)。劉棵等[2]建立板材及壓力連接模具的三維有限元模型，對(duì)板材壓力連接及卸載過(guò)程、剪切及剝離試驗(yàn)進(jìn)行了仿真及實(shí)驗(yàn)研究。邱澤鑫等[3]對(duì)鋁合金 A5052 和雙相鋼 DP300/500 板材的壓力連接進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和仿真分析，證實(shí)了鋼鋁板材間采用壓力連接的可行性。Y.Abe 等[4]人通過(guò)優(yōu)化凹模形狀從而引導(dǎo)材料的流動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度鋼板和鋁板的連接。Thoraif Gerstmann等[5]提出使用平砧代替凹模進(jìn)行無(wú)鉚沖壓連接的方法以解決無(wú)鉚沖壓連接導(dǎo)致板料表面不平整的問(wèn)題，通過(guò)有限元軟件分析優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)，并實(shí)際測(cè)定了接頭的抗拉與抗剪切能力，證實(shí)了平模無(wú)鉚連接的可行性。

以上的研究大多集中在優(yōu)化模具的參數(shù)或形狀上，忽略了成形速度對(duì)接頭質(zhì)量的影響。整個(gè)無(wú)鉚沖壓連接工藝過(guò)程僅有數(shù)秒，實(shí)際沖壓板料的時(shí)間則更短，成形速度快。本文依據(jù)拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，擬合了Johnson-Cook本構(gòu)方程，得到正的應(yīng)變率敏感系數(shù)，證實(shí)5052鋁合金具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性，高應(yīng)變率會(huì)增強(qiáng)材料的塑性硬化作用。隨后依據(jù)擬合得到的本構(gòu)方程修正軟件材料庫(kù)中的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，通過(guò)選取板料溫度為20 ℃與300 ℃分別進(jìn)行模擬，指出20 ℃時(shí)成形速度過(guò)高會(huì)降低接頭的抗剝離強(qiáng)度，并使頸部材料產(chǎn)生間隙，嚴(yán)重削弱接頭的整體強(qiáng)度，而300 ℃時(shí)接頭的抗剝離強(qiáng)度隨沖頭速度的提高而增大，同時(shí)可避免接頭頸部處的缺陷，為進(jìn)一步改進(jìn)無(wú)鉚沖壓連接技術(shù)提供了依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 無(wú)鉚沖壓鏈接基本過(guò)程

無(wú)鉚沖壓連接可分為4個(gè)階段：

1)預(yù)緊階段。將上下板料堆疊放置在凹模上，沖頭復(fù)位到初始位置，壓邊圈下壓，固定板料，防止在沖壓過(guò)程中翹起。

2)彎曲階段。沖頭下壓，上板料在沖頭的作用力下發(fā)生塑性變形，并向凹模內(nèi)彎曲，當(dāng)沖頭運(yùn)動(dòng)一定距離后上板料開始在沖頭邊緣圓角區(qū)域的作用下被拉伸，下板料在上板料與凹模圓角區(qū)域的共同作用下向凹模彎曲，直到?jīng)_頭與凹模的間隙被完全填充。

3)填充階段。此時(shí)板料已填充沖頭與凹模的間隙，進(jìn)入板料填充階段，在此階段，沖頭繼續(xù)下行，板料在沖壓力下變薄，在凹模環(huán)形凹槽的圓角作用下，板料向環(huán)形凹槽內(nèi)流動(dòng)。

4)連接階段。隨著材料向凹模環(huán)形凹槽內(nèi)流動(dòng)，由于下板料已遠(yuǎn)離沖頭的擠壓部位，材料流動(dòng)速度比上板料要慢，正是由于上下板料流動(dòng)速度不等，上板料嵌入下板料，形成S形鉸鏈，上下板連接完成。

成形過(guò)程如圖1所示。

圖1 沖壓連接連續(xù)過(guò)程

1.2 模型的建立

依據(jù)無(wú)鉚沖壓連接的實(shí)際情況，有限元模型由沖頭、凹模、壓邊圈及上下板組成?？紤]到無(wú)鉚沖壓連接的對(duì)稱性，為了降低計(jì)算時(shí)間，節(jié)約存儲(chǔ)空間，把沖壓連接簡(jiǎn)化為1/2模型，建立的模型如圖2所示。上下板料的材料為5052鋁合金，厚度均為2mm，鉚接過(guò)程中只有上下板發(fā)生較大的變形，所以將上下板料設(shè)置為塑性體，將沖頭、凹模及壓邊圈設(shè)置為剛形體。由于采用的是1/2模型，上下板左側(cè)節(jié)點(diǎn)需添加固定節(jié)點(diǎn)邊界條件，防止板料變形過(guò)程中對(duì)稱面發(fā)生橫向位移。以剛性體或變形較小的物體作為主對(duì)象，上下板料之間，沖頭與上板，壓邊圈與上板，凹模與下板之間分別設(shè)置主從關(guān)系。

圖2 無(wú)鉚沖壓連接有限元模型

1.3 材料塑性變形特性

5052鋁合金的主要合金元素是Mg，因此又被稱為鋁鎂合金， 5052鋁合金的主要物理參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

表1 5052鋁合金物理參數(shù)(20 ℃)

5052鋁合金的拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 5052鋁合金應(yīng)力應(yīng)變曲線

5052鋁合金材料塑性變形本構(gòu)方程可用Johnson-Cook模型來(lái)描述[7]。即：

(1)

式中：應(yīng)力可表示為應(yīng)變量、應(yīng)變率與溫度的函數(shù)，參考應(yīng)變率通常取0.1～0.000 1 s-1，本文取靜態(tài)拉伸應(yīng)變率為0.001s-1，A、B、n、C、m為材料常數(shù)，C參數(shù)為材料的應(yīng)變率敏感系數(shù)，若C值為負(fù)值，說(shuō)明材料具有應(yīng)變率軟化特性；若為正值，則說(shuō)明材料具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性，即應(yīng)變率高會(huì)增大材料的塑性硬化作用。對(duì)于參數(shù)A、B、n可以選取常溫下靜態(tài)拉伸應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[8-9]，即取溫度為20℃，式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

(3)

由拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知5052鋁合金的屈服強(qiáng)度為95MPa，因此A值取95,對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)變形為：

(4)

將常溫下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值進(jìn)行擬合，如圖4所示，lnB為圖中直線的截距，值為5.82，從而得出B值為330，n為圖中直線的斜率，值為0.47，將A、B、n值帶入式(2)得：

(5)

圖4 Johnson-Cook本構(gòu)方程B、n參數(shù)的擬合

式(5)中僅含有未知數(shù)C,將圖3中兩條應(yīng)變率不同的曲線在相同應(yīng)變量下的應(yīng)力值相除即可得出僅含有應(yīng)變率敏感系數(shù)C的方程組，解出后取平均值得到C=0.12,說(shuō)明5052鋁合金具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性。同理可由圖3中不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合得到溫度軟化系數(shù)m=1.45。將A、B、n、C、m的值帶入式(1)：

(6)

式(6)即為擬合得到的5052鋁合金Johnson-Cook本構(gòu)方程，可知5052鋁合金具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性，成形速度影響材料的塑性硬化作用，進(jìn)而影響無(wú)鉚沖壓連接接頭的質(zhì)量，同時(shí)溫度軟化效應(yīng)可使材料的塑性變形能力大幅增強(qiáng)。

1.4 模擬計(jì)算

為保證模擬結(jié)果的正確性，根據(jù)前述擬合得到的Johnson-Cook本構(gòu)方程可以得出任意應(yīng)變率及應(yīng)變量下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，以此修正Deform材料庫(kù)中的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，如圖5所示。

圖5 修正應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)

考慮到5052鋁合金同時(shí)具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性與溫度軟化特性，為了對(duì)比分析沖頭移動(dòng)速度在常溫與高溫條件下對(duì)無(wú)鉚沖壓連接的影響，選取沖頭總行程為5 mm，總步數(shù)為500，壓邊圈的壓邊力設(shè)為5 000 N，保持這些參數(shù)不變，沖頭的移動(dòng)速度取0.5 mm/s、1.0 mm/s、1.5 mm/s、2.0 mm/s、2.5 mm/s、3.0 mm/s，板料溫度取20 ℃與300 ℃分別模擬。

板料的溫度取20 ℃時(shí)，由于不用考慮熱交換的問(wèn)題，沖頭、凹模與壓邊圈可以僅用剛體模型代替，不需要賦予材料，對(duì)象間關(guān)系中也僅需要設(shè)定摩擦系數(shù)，本文選取Coulomb形式，值為0.1。

板料的溫度取300 ℃時(shí)，為了使模擬過(guò)程更接近與實(shí)際，需考慮板料與模具間熱交換，同時(shí)打開熱傳導(dǎo)與變形開關(guān)，進(jìn)行熱-塑性耦合模擬。將沖頭、凹模與壓邊圈的材料設(shè)定為AISI-D3模具鋼，將并分別劃分網(wǎng)格。熱傳導(dǎo)系數(shù)選為Forming形式，值為11，模擬計(jì)算鉚接過(guò)程中的熱傳遞。將上述模擬過(guò)程中的Coulomb摩擦形式更改為Worm Forming形式，值為0.25。在Properties中的Deformation選項(xiàng)卡中，勾選Enable target volume in FEM，激活體積補(bǔ)償，讓系統(tǒng)在模擬過(guò)程中計(jì)算補(bǔ)償由于熱傳遞引起的體積變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 模具載荷分析

模具的載荷是一項(xiàng)重要的參數(shù)，它主要影響模具的壽命，因此研究沖壓連接的行程-載荷曲線對(duì)沖壓連接工藝具有重要意義，圖6所示的是沖頭移動(dòng)速度為1mm/s時(shí)沖頭的行程-載荷曲線。

圖6 沖頭的行程-載荷曲線

由圖6可以看出，沖頭的行程達(dá)到4.6mm前，載荷是緩慢增加的，之后沖頭的載荷隨行程的增加迅速升高。由無(wú)鉚沖壓的過(guò)程可知，沖頭的載荷激增的階段正處于填充階段的后期，S形鉸鏈形成的階段，相對(duì)于板料彎曲變形階段，此時(shí)下板料已填充凹模圓角部位，材料沿著模具間隙向凹模外側(cè)移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向上的力來(lái)自沖頭壓力的分力，材料運(yùn)動(dòng)困難，所以沖頭的載荷迅速增加。凹模的載荷情況與沖頭類似，只是數(shù)值稍低。因此，沖頭與凹模的最大載荷一定程度上也反映了無(wú)鉚沖壓連接接頭成形的難易程度。

圖7、圖8分別為20℃時(shí)與300℃時(shí)沖頭速度對(duì)模具最大載荷的影響。由圖7、圖8可以看出模具的最大載荷隨沖頭的移動(dòng)速度增大而增大，但在300℃條件下進(jìn)行無(wú)鉚沖壓連接，沖頭與凹模的最大載荷均大幅降低。這一趨勢(shì)是與5052鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線相對(duì)應(yīng)的，證實(shí)了模擬計(jì)算的合理性，說(shuō)明使用較高的成形速度會(huì)使材料的塑性變形能力降低，材料變形困難，提高溫度可以降低塑性硬化的作用，降低模具載荷。

圖7 20 ℃沖頭速度對(duì)模具載荷的影響

圖8 300 ℃沖頭速度對(duì)模具載荷的影響

2.2 接頭強(qiáng)度分析

接頭主要受縱向的拉伸與橫向的剪切作用，其主要的失效形式是頸部斷裂失效與上下板剝離失效，頸部厚度與嵌入量分別決定了無(wú)鉚沖壓連接接頭的抗剪切能力與抗剝離能力，接頭頸部厚度與嵌入量是評(píng)價(jià)接頭強(qiáng)度的主要參數(shù)，因此需要在保證接頭嵌入量同時(shí)又要有一定的頸部厚度。

從模擬的結(jié)果來(lái)看20 ℃時(shí)進(jìn)行無(wú)鉚沖壓連接接頭頸部處上下板會(huì)出現(xiàn)縫隙。如圖9所示，縫隙隨沖頭速度的增大而增大，這是由于在低溫時(shí)，較高的成形速度會(huì)使材料塑性變形抗性急劇升高，材料在模具間流動(dòng)困難，不能充分填充模具，這對(duì)提高接頭的抗剝離能力是不利的。材料流動(dòng)困難也會(huì)使局部應(yīng)力集中，易造成材料斷裂，使接頭失效，而 300 ℃時(shí)接頭的相同位置未出現(xiàn)類似的狀況。

圖9 20 ℃上下板頸部產(chǎn)生縫隙

圖10、圖11所示的是20℃條件下沖頭的移動(dòng)速度對(duì)嵌入量與頸部厚度的影響，由圖10可以看出嵌入量隨沖頭移動(dòng)速度的增大而減小，而由圖11可以看出頸部厚度隨沖頭移動(dòng)速度的增加而增加。在20℃條件下進(jìn)行無(wú)鉚沖壓連接得到的接頭嵌入量與頸部厚度是相對(duì)的，沖頭移動(dòng)速度較低時(shí)，嵌入量較大，頸部厚度較小，沖頭移動(dòng)速度較大時(shí)，正好相反。

可見(jiàn)，在20℃條件下較高成形速度不但會(huì)使模具載荷提高，降低模具的使用壽命，也會(huì)使接頭嵌入量減小，降低接頭的抗剝離強(qiáng)度。降低成形速度雖然可以提高接頭的嵌入量，但是會(huì)造成頸部厚度值減小，也使連接效率得不到保證。

圖10 20 ℃沖頭速度對(duì)嵌入量的影響

圖11 20 ℃沖頭速度對(duì)頸部厚度的影響

圖12、圖13所示的是300℃條件下沖頭移動(dòng)速度對(duì)接頭的嵌入量與頸部厚度，由圖12、圖13可以看出接頭的嵌入量與頸部厚度均隨沖頭移動(dòng)速度的提高而增大?？梢?jiàn)在板料初始溫度為300℃條件下，5052鋁合金中合金元素Mg晶體的滑移面的增加以及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速率的加快成為增強(qiáng)材料塑性變形能力的關(guān)鍵，不僅提高了合金本身的塑性變形能力，也抑制了塑性硬化作用的影響，改善了合金的的流動(dòng)性與填充能力，使得材料能夠在沖頭擠壓作用下，輕快地向凹模內(nèi)填充，提高了接頭的整體強(qiáng)度。

圖12 300 ℃沖頭移動(dòng)速度對(duì)嵌入量的影響

圖13 300 ℃沖頭移動(dòng)速度對(duì)頸部厚度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)5052鋁合金的拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了Johnson-Cook本構(gòu)方程，得出5052鋁合金具有正的應(yīng)變率敏感系數(shù)，證實(shí)材料具有應(yīng)變率強(qiáng)化特性，成形速度會(huì)影響材料的塑性硬化作用，進(jìn)而影響無(wú)鉚沖壓連接接頭的質(zhì)量，并以得出的Johnson-Cook本構(gòu)方程修正有限元軟件材料庫(kù)中材料的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。

利用修正后的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析了成形速度對(duì)無(wú)鉚沖壓連接的影響。結(jié)果表明：20 ℃時(shí)塑性硬化作用較高，特別是成形速度提高時(shí)，增強(qiáng)了5052鋁合金的塑性變形抗性，使材料的流動(dòng)困難，阻礙材料向凹模填充，不但使上下板間容易產(chǎn)生縫隙，應(yīng)力集中等缺陷，也會(huì)降低接頭的嵌入量，削弱接頭的抗剝離強(qiáng)度，模具載荷也隨之提高，難以在保證連接效率的前提下提高接頭的抗剝離強(qiáng)度與模具的壽命。

在300 ℃時(shí)，由于材料的熱軟化效應(yīng)，抑制了塑性硬化對(duì)材料塑性成形能力的影響，使材料在模具間的流動(dòng)能夠順利進(jìn)行，不但可以有效避免接頭由于常溫時(shí)塑性硬化作用較大而產(chǎn)生的缺陷，也使接頭嵌入量隨沖頭的移動(dòng)速度增大而增大，提高接頭的整體強(qiáng)度的同時(shí)也使連接效率得到提升。

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