分體式下模壓印接頭成形的有限元模擬及接頭微觀(guān)組織

鄭俊超，何曉聰，邢保英，丁燕芳，曾 凱

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，昆明650500）

0 引 言

出于降低成本和保護(hù)環(huán)境等方面的考慮，汽車(chē)的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到了越來(lái)越多的重視，鋁合金以及高強(qiáng)度鋼等輕量化材料在汽車(chē)車(chē)身上的應(yīng)用越來(lái)越多，進(jìn)而對(duì)這些材料或異種材料間的連接提出了挑戰(zhàn)。壓印連接技術(shù)因?yàn)榫哂泄ば蚝?jiǎn)單、高效、環(huán)保，且能連接那些難以用焊接等傳統(tǒng)方式連接的新材料，易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等諸多優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)先進(jìn)汽車(chē)制造業(yè)中一項(xiàng)重要的連接技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)壓印連接模具對(duì)金屬板件實(shí)施冷擠壓變形，將兩層或多層金屬或非金屬板件連接起來(lái)，形成一個(gè)具有較高強(qiáng)度的壓印接頭。

從這項(xiàng)技術(shù)誕生至今，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了多方面的研究，并產(chǎn)生了一系列研究成果。何曉聰［1-2］從工藝參數(shù)、動(dòng)態(tài)工藝模擬、接頭強(qiáng)度和振動(dòng)特性等方面綜述了壓印連接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并研究了變差系數(shù)法在預(yù)測(cè)壓印接頭強(qiáng)度方面的應(yīng)用，認(rèn)為變差系數(shù)法在產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估等方面具有重要意義；Hamel等［3］在整體式下模壓印連接過(guò)程模擬中發(fā)展了有限元程序中的自動(dòng)重劃分網(wǎng)格技術(shù)；De等［4］通過(guò)有限元模擬研究了模具幾何尺寸參數(shù)對(duì)頸厚和互鎖嵌入量的影響；Mucha［5］研究了模具幾何尺寸以及壓印連接過(guò)程中沖壓力等參數(shù)對(duì)連接接頭強(qiáng)度的影響，同時(shí)通過(guò)金相試驗(yàn)從微觀(guān)角度確定了接頭處塑性應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)力分布；Varis等［6-8］研究了在板料尺寸不同的情況下，應(yīng)如何選擇模具類(lèi)型（圓模或方模），并利用有限元分析方法提出并驗(yàn)證得到了一種選擇合適模具的程序；Oudjene等［9］為提高壓印連接接頭的強(qiáng)度，用田口方法研究了沖頭和底模各幾何尺寸對(duì)壓印接頭的影響，并用響應(yīng)面和最小二乘擬合方法對(duì)直接影響接頭強(qiáng)度的模具尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；Lee［10-11］建立了模具各尺寸參數(shù)和強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，使得根據(jù)所需強(qiáng)度來(lái)得到模具尺寸成為可能，這對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有重大意義；馮模盛等［12］用有限元軟件對(duì)整體式下模壓印連接的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了連接成形過(guò)程、應(yīng)力應(yīng)變和時(shí)間的變化趨勢(shì)。在前人的研究中，幾乎所有的學(xué)者都采用整體式下模進(jìn)行有限元模擬，而分體式下模壓印連接的模擬還未見(jiàn)報(bào)道；同時(shí)，在壓印接頭的顯微組織分析方面還遠(yuǎn)不夠成熟，特別是對(duì)沖壓過(guò)程中金屬的流向并未進(jìn)行相關(guān)研究。所以，從這兩方面著手進(jìn)行研究頗有意義。

因此，作者采用有限元方法模擬了分體式下模壓印連接的成形過(guò)程，并從微觀(guān)角度觀(guān)察、分析了壓印過(guò)程中金屬的流向和形態(tài)等特征。

1 分體式下模壓印連接的成形原理

壓印連接的下模分為分體式和整體式兩種，如圖1所示，分體式下模由固定的下模座和活動(dòng)的下模環(huán)組成，活動(dòng)部分靠彈簧支撐，并安裝在保護(hù)套內(nèi)以防止脫落。在實(shí)際應(yīng)用中，下?；顒?dòng)部分可以選擇2瓣、3瓣或4瓣；而整體式下模為一個(gè)整體，沒(méi)有活動(dòng)部分。與整體式下模相比，分體式下模的尺寸更小，一個(gè)直徑為6mm 的分體式下模與直徑約為8mm 的整體式下模形成的連接點(diǎn)直徑相當(dāng)，所以在實(shí)際工作中大多數(shù)設(shè)備都采用分體式下模進(jìn)行壓印連接。

圖1 壓印連接的不同下模形式Fig.1 Segmented（a）and integrate（b）dies of clinching

分體式下模壓印連接原理如圖2所示，首先隨著上模下行，板料接觸下模后，在上模的作用下材料在下模內(nèi)開(kāi)始變形，同時(shí)下模的活動(dòng)部分向外張開(kāi)，以使材料充分在下模的型腔內(nèi)變形，形成一個(gè)緊密的連接點(diǎn)；然后使上模返程，下模的活動(dòng)部分隨彈簧一起回到原始位置。這個(gè)過(guò)程可以使材料局部變形形成一個(gè)緊密的摩擦連接點(diǎn)。

圖2 分體式下模壓印連接原理示意Fig.2 Abridged general view of segmented die clinching

2 有限元模型的建立與模擬

2.1 有限元模型的建立

用ANSYS／LS-DYNA 軟件建立分體式下模壓印連接模型，由于其具有幾何對(duì)稱(chēng)性，將其簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖3所示，模型尺寸與實(shí)際試樣及設(shè)備的尺寸完全相同。試樣為2 mm 厚的5052鋁合金板，其材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 分體式下模壓印連接的幾何模型示意Fig.3 Abridged genral view of geometry model of segmented die clinching

選用分段線(xiàn)性塑性模型作為5052鋁合金的材料模型，該模型可用于模擬各種塑性硬化金屬材料，采用Cowper-Symbols模型［13］考慮應(yīng)變速率對(duì)屈服應(yīng)力σy的影響：

表1 分體式下模壓印連接模擬的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of segmented die clinching simulation

式中：σ0為常應(yīng)變速率下的屈服應(yīng)力；˙εt為有效應(yīng)變速率；C，P 為應(yīng)變率參數(shù)，是基于有效塑性應(yīng)變的硬化系數(shù)，根據(jù)材料設(shè)定應(yīng)變率參數(shù)C 為5 500，P為4.8，失效時(shí)等效塑性應(yīng)變?yōu)槟J(rèn)值；εPeff為基于有效塑性應(yīng)變的硬化系數(shù)。

根據(jù)彈簧參數(shù)，采用性質(zhì)與彈簧極為相近的Mooney-Rivlin橡膠彈性模型作為彈簧的材料模型，定義為彈性材料；沖頭、壓邊圈及下模在成形過(guò)程中保持剛性特性，均定義為剛性材料，其材料參數(shù)如表1所示。

選擇LS-DYNA 中的平面單元2Dsolid162，采用ALE體積算法，對(duì)上、下板采用映射網(wǎng)格劃分，其它部件采用自由劃分得到有限元模型，如圖4所示，總單元數(shù)為5 427個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 905個(gè)。

圖4 分體式下模壓印連接的有限元模型Fig.4 Finite element model of segmented diel clinching

壓印連接過(guò)程屬于大變形過(guò)程，故選用LSDYNA 中特定的ASS2D 二維單面接觸選項(xiàng)，接觸中程序?qū)⒆詣?dòng)判定模型中哪些表面發(fā)生接觸，靜、動(dòng)摩擦因數(shù)均取0.1；在板料沖壓過(guò)程中，會(huì)存在網(wǎng)格嚴(yán)重畸變或丟失的情況，為此采用ALE 網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)；載荷分別定義為施加于沖頭上的時(shí)間-位移曲線(xiàn)，以及施加于壓邊圈上的時(shí)間-載荷曲線(xiàn)；根據(jù)壓印連接設(shè)備參數(shù)，模擬時(shí)間t取1.2s。

2.2 模擬結(jié)果

將整個(gè)壓印過(guò)程（1.2s）均分為三個(gè)階段顯示，如圖5所示，鋁合金板料隨上模下行，同時(shí)下?；顒?dòng)部分張開(kāi)，板料在下模型腔內(nèi)充分變形，最后形成一個(gè)互鎖的連接圓點(diǎn)。

圖5 分體式下模壓印連接過(guò)程中不同時(shí)刻的有限元模擬結(jié)果Fig.5 Finite element simulation results of segmented die clineching at different times

圖6 分體式下模壓印連接過(guò)程中不同時(shí)刻金屬流向的有限元模擬Fig.6 Finite element simulation of metal flow at different times of segmented die clinching process

圖6為分體式下模壓印連接過(guò)程中在0.8s和1.2s時(shí)鋁合金板料流向的局部放大圖，將板料看成是一層層彼此相鄰且平行的薄層流體，可以沿外力作用方向進(jìn)行相對(duì)滑移。在下板料接觸到下模底部時(shí)，下?；顒?dòng)部分在下板的擠壓作用下向側(cè)面滑開(kāi)，隨著金屬板料被壓薄，板料會(huì)流向摩擦阻力最小的方向，所以它向下?；顒?dòng)部分的空隙以及沖頭兩側(cè)流動(dòng)，在遇到阻力時(shí)會(huì)折回形成渦流區(qū)。從圖中的箭頭可以發(fā)現(xiàn)變形區(qū)域的金屬流動(dòng)很明顯，也很充分。

對(duì)最大應(yīng)力單元進(jìn)行軌跡跟蹤，可以了解其在連接過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由圖7可見(jiàn)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1508單元，位于沖頭與上板接觸的倒角區(qū)域，其網(wǎng)格趨于運(yùn)動(dòng)方向明顯被拉長(zhǎng)變細(xì)。由圖8 可見(jiàn)，1508單元在0.2s后開(kāi)始受到?jīng)_頭軸向壓力的作用，應(yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加，在1.02s左右時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)1508單元?jiǎng)偤梦挥跊_頭與上板接觸的倒圓角處；沖頭繼續(xù)下移，板料不斷發(fā)生塑性流動(dòng)，1508單元從倒圓角處滑向孔壁，上模作用在1508單元上的力由原來(lái)的軸向力轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄?，所以可以從曲線(xiàn)上看到在1.04s后應(yīng)力突然減小，隨后1508單元的應(yīng)力在沖頭壁和下?；顒?dòng)部分的共同作用下再次增大，直至整個(gè)壓印連接過(guò)程停止。

圖7 分體式下莫壓抑連接的等效應(yīng)力云圖Fig.7 Von MIses stress of segmented die clinching

圖8 1508號(hào)單元的Von Mises應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.8 Von MIses stress-time curve of unit 1508

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用RIVCLINCH 1106P50型壓印連接設(shè)備進(jìn)行壓印連接試驗(yàn)，上模型號(hào)為SR5007，下模型號(hào)為SR60314。上、下板料均為2mm 厚的5052鋁合金，壓印力50kN。壓印完成后，沿壓印接頭對(duì)稱(chēng)中心切割得到壓印接頭截面試樣，接頭尺寸如圖9所示，圖中的t1，t2分別為上、下板料的厚度，x 為底部厚度，n為頸部厚度，t為鑲嵌量。在顯微鏡下測(cè)得實(shí)際截面的尺寸參數(shù)，并在軟件的模擬結(jié)果中標(biāo)定點(diǎn)之間的距離，測(cè)出分體式下模壓印過(guò)程和整體式下模壓印過(guò)程模擬結(jié)果中的各尺寸參數(shù)，見(jiàn)表2。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與兩種不同下模壓印連接的模擬結(jié)果的各尺寸參數(shù)不難看出，采用分體式下模進(jìn)行壓印連接，其模擬頸厚和鑲嵌量更接近試驗(yàn)值，可以獲得比整體式下模壓印連接更好的接頭質(zhì)量，這同時(shí)也驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

圖9 壓印接頭的主要尺寸參數(shù)Fig.9 Main size parameters of Clinched joint

圖10 分體式下模與整體式下模壓印連接的模擬結(jié)果Fig.10 Simulated results of segmented（a）and integrate（b）dies clinching

表2 壓印接頭主要尺寸參數(shù)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Simulated and experimental results of main size parameters of clinched joint mm

4 接頭的顯微組織

由于5052鋁合金用化學(xué)腐蝕的方法很難顯示晶粒組織，所以采用陽(yáng)極化覆膜處理試樣，用微分干涉相襯法（DIC）進(jìn)行觀(guān)察。通過(guò)微分干涉進(jìn)行反差增強(qiáng)，可以看到明場(chǎng)下所看不到的許多細(xì)節(jié)［14］。對(duì)壓印接頭端面試樣進(jìn)行機(jī)械拋光、電解拋光以及陽(yáng)極化覆膜后，采用Axio Imager A2m 型智能顯微鏡于偏光下進(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān)察。電解液為10mL70%（體積分?jǐn)?shù)）的高氯酸與90 mL 無(wú)水乙醇的混合溶液，覆膜液為5g氟硼酸與200mL 水的混合溶液；試樣作為陽(yáng)極，陰極為鉛塊。

圖11（a）～（d）分別對(duì)應(yīng)圖9 所示壓印接頭上a，b，c，d四個(gè)位置處的顯微組織。由圖11（a）可見(jiàn)，變形前5052 鋁合金呈均勻的等軸晶粒組織；由圖11（b）可見(jiàn)，距板料與沖頭接觸區(qū)域稍遠(yuǎn)處的晶粒還保持著未變形時(shí)的形狀，越靠近接觸區(qū)域，晶粒尺寸的縱橫比越大，各晶粒沿板料變形的方向定向延伸和扭曲，當(dāng)變形量很大時(shí)，晶界變得模糊不清，由原來(lái)的塊狀晶粒逐漸變成扁平晶粒，最終被拉成條形纖維組織；從11（c）可以看出，板料在沖頭的壓力作用下隨著凹模型腔的形狀而發(fā)生塑性流動(dòng)，和分體式下模壓印過(guò)程中不同時(shí)刻金屬流向的有限元模擬結(jié)果（圖6）相近；由圖11（d）可見(jiàn)，圓角處內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)被細(xì)化，且有序排列，其原因就是對(duì)于鋁合金這樣的高層錯(cuò)能材料而言，塑性變形主要是由位錯(cuò)沿著滑移系滑移產(chǎn)生的，處于平衡狀態(tài)的原子在沖壓力作用下，會(huì)發(fā)生晶格畸變并錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的永久變形。從整個(gè)冷擠壓過(guò)程來(lái)看，5052鋁合金在塑性變形時(shí)，其內(nèi)部晶粒本身及晶粒之間平滑過(guò)渡，從而使得連接處不存在明顯的應(yīng)力集中；同時(shí)，晶粒被拉長(zhǎng)并細(xì)化，出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，其結(jié)果使得這些部位的強(qiáng)度和硬度有所增加，進(jìn)而保證了接頭具有足夠的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

圖11 5052鋁合金未變形時(shí)以及壓印接頭不同位置處的顯微組織Fig.11 Microstructure of undeformed 5052 aluminum alloy （a）and clinched joint at different positions：（b）at the edge of joint；（c）at the shoulder of lower sheet and（d）at the rounded coner

5 結(jié) 論

（1）采用有限元方法模擬了分體式下模壓印連接過(guò)程，所獲得的頸厚和鑲嵌量比整體式下模壓印連接的更接近試驗(yàn)結(jié)果。

（2）分體式下模壓印連接能使板料在下模型腔內(nèi)流動(dòng)得更充分，形成更好的鑲嵌；壓印接頭區(qū)域的組織由原來(lái)的塊狀晶粒變成了纖維狀，晶粒被拉長(zhǎng)細(xì)化。

（3）分體式下模壓印連接過(guò)程中板料流動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。

［1］HE X.Recent development in finite element analysis of clinched joints［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010，48：607-612.

［2］HE X.Coefficient of variation and its application to strength prediction of clinched joints［J］.Advanced Science Letters，2011，4（4／5）：1757-1760.

［3］HAMEL V，ROELANDT J M，GACEL J N，et al.Finite element modeling of clinch forming with automatic remeshing［J］.Computers and Structures，2000，77：185-200.

［4］PAULA A A D，AGUILAR M T P，PERTENCE A E M，et al.Finite element simulations of the clinch joining of metallic sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，182：352-357.

［5］MUCHA J.The analysis of lock forming mechanism in the clinching joint［J］.Materials and Design，2011，32：4943-4954.

［6］VARIS J P.The suitability for round clinching tools for highstrength structural steel［J］.Thin-Walled Structures，2002，40（3）：225-238.

［7］VARIS J P.The suitability of clinching as a joining method for high-strength structural steel［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，132（1／3）：242-249.

［8］VARIS J P，LEPISTO J.A simple testing-based procedure and simulation of the clinching process using finite elements analysis for establishing clinching parameters［J］.Thin-Walled Structures，2003，41：691-709.

［9］OUDJENE M，BEN-AYED L，DELAMEZIERE A，et al.Shape optimization of clinching tools using the response surface methodology with Moving Least-Square approximation［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209：289-296.

［10］LEE C J，KIM J Y，LEE S K，et al.Design of mechanical clinching tools for joining of aluminium alloy sheets［J］.Mate-rials and Design，2010，31：1854-1861.

［11］LEE C J，KIM J Y，LEE S K，et al.Parametric study on mechanical clinching process for joining aluminum alloy and high-strength steel sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2010，24：123-126.

［12］馮模盛，何曉聰，嚴(yán)柯科，等.壓印連接工藝過(guò)程的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（23）：5538-5541.

［13］丁剛毅.ANSYS／LS-DYNA 算法基礎(chǔ)與使用方法［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1999.

［14］陳祥，宋晉生，李言祥.微分干涉相襯法在材料顯微分析中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003，20（3）：19-23.