壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接工藝仿真分析及優(yōu)化

韓善靈，王化楠，王志勇，王建松，李 勇

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著全球能源危機(jī)的加劇，汽車節(jié)能減排對汽車輕量化提出了更高要求。大量使用輕量化材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一個(gè)主要途徑[1]。采用鋁合金、鎂合金與高強(qiáng)鋼等材料代替低碳鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)材料制造汽車零部件可明顯減輕汽車自重，但鋁合金板材在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性較差，傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝難以保證其連接質(zhì)量，急需新的板材連接技術(shù)替代電阻點(diǎn)焊。

無鉚沖壓連接是一種用于汽車輕質(zhì)板料的機(jī)械連接工藝，該技術(shù)采用專用的模具對被連接的板材進(jìn)行沖壓變形，利用板材的塑性使板材之間內(nèi)嵌形成互鎖，具有可以連接異種板料、連接兩層及以上的板料、無熱輸入、對材料表面無工藝要求、不破壞連接表面等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，現(xiàn)已被廣泛用于汽車制造行業(yè)中[4]。與半空心自沖鉚接相比，無鉚沖壓連接不需要額外的鉚釘，減少材料的使用，具有輕量化的優(yōu)勢，對整個(gè)制造行業(yè)都具有重要意義[5]。

傳統(tǒng)無鉚沖壓連接工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是接頭底部有較高突起，影響了連接件的應(yīng)用范圍和美觀性。陳超等[6]提出一種適用于汽車鋁合金板材的平壓整形無鉚連接技術(shù)，通過分瓣式模具產(chǎn)生的接頭經(jīng)過平底模具整形可顯著降低突起高度并提高頸厚值和嵌入量。Wen等[7]通過更改反壓模具的形狀，在減小接頭凸起高度的同時(shí)提高了接頭強(qiáng)度。平模無鉚沖壓連接是無鉚連接技術(shù)的一種，Sabra Atia等[8]采用平模無鉚沖壓連接實(shí)現(xiàn)了AA7075鋁板的連接，將有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比，探究了有限元模型參數(shù)的設(shè)置對誤差的影響，證明了對平模無鉚沖壓連接進(jìn)行有限元分析的可行性。韓曉蘭等[9]采用正交試驗(yàn)對輕質(zhì)板材平模無鉚沖壓連接的模具進(jìn)行了優(yōu)化，得到模具參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。Sabra Atia等[10]對使用兩層不同回火狀態(tài)的AA7075鋁板進(jìn)行平模無鉚沖壓連接研究，分析了壓邊圈形狀和成形力等工藝參數(shù)對材料流動(dòng)行為與接頭強(qiáng)度的影響，為平模無鉚沖壓連接的模具設(shè)計(jì)和材料選擇提供了參考。

以上研究主要針對傳統(tǒng)無鉚連接的反壓整形和平模無鉚沖壓連接，至今未發(fā)現(xiàn)通過壓邊圈的移動(dòng)與限位控制材料流動(dòng)的無鉚沖壓連接的報(bào)道。本研究提出一種Al5052板材的壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接工藝，通過壓邊圈的運(yùn)動(dòng)與限位控制材料的流動(dòng)，采用田口試驗(yàn)方法優(yōu)化壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的工藝參數(shù)，利用極差分析法得到最佳接頭成型質(zhì)量的工藝參數(shù)組合。

1 壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的原理與建模

1.1 壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的原理

壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接是在給定壓邊圈壓邊力的作用下，通過壓邊圈的上移和限位來控制鉚接過程中板材的流動(dòng)，得到互鎖接頭的過程，壓邊圈的壓力和限位位置影響接頭質(zhì)量。根據(jù)成型過程中沖頭和壓邊圈的運(yùn)動(dòng)位置不同，可將該過程分為四個(gè)階段，如圖1所示。圖1(a)板料定位階段：上下板料疊放在平底模具上并由壓邊圈壓緊固定，沖頭向下運(yùn)動(dòng)預(yù)壓緊板料；圖1(b)板料初始變形階段：沖頭壓入板料，當(dāng)材料對壓邊圈向上的推力大于壓邊圈向下的壓力時(shí)，壓邊圈開始隨材料向沖頭運(yùn)動(dòng)的相反方向移動(dòng)；圖1(c)接頭成型階段：壓邊圈隨材料向上運(yùn)動(dòng)一段距離后遇限位塊停止移動(dòng)，沖頭繼續(xù)下壓，材料在壓邊圈的阻礙下徑向流動(dòng)，接頭互鎖形成；圖1(d)退模階段：接頭成形后模具退出。

圖1 壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接過程示意圖

1.2 有限元模型的建立

為了對壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接進(jìn)行研究，使用DEFORM-2D進(jìn)行數(shù)值模擬，建立壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的有限元模型，由于該模型的形狀、載荷、接觸條件等都關(guān)于中心軸對稱，為了簡化計(jì)算、節(jié)省時(shí)間，本模擬采用1/2模型建模，如圖2所示。其中，v為沖頭下壓速度，rp為沖頭圓角半徑，dp為沖頭直徑，t1和t2分別為上下板材的厚度，α為沖頭拔模斜度。模型的幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的有限元模型

表1 模型的幾何參數(shù)

有限元模型包含沖頭、壓邊圈、上下板料和平面模具，上、下板材料選為Al5052并設(shè)為塑性體，其余模具設(shè)置為剛體。Al5052因具有較高的強(qiáng)度與良好的成型加工性能，是輕量化車身的主要材料之一，其主要物理參數(shù)見表2[11]。連接過程中，上下板材塑性變形較大，因此采用DEFORM-2D軟件中的自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，網(wǎng)格重劃分的干涉深度取最小網(wǎng)格邊長的1/2，設(shè)為0.03 mm。按變形量定義各個(gè)模具之間的從屬關(guān)系，模具與板材之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.15；板材之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.35。設(shè)沖頭向下的運(yùn)動(dòng)速度v為0.5 mm·s-1，板料的溫度取室溫20 ℃。成型后，接頭質(zhì)量的評(píng)價(jià)參數(shù)主要包括頸厚值Tn、嵌入量Tu以及底部突起高度H，如圖3所示。

圖3 接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表2 Al5052材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同壓邊力下成型接頭的參數(shù)分析

壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接的下模為平面模具，壓邊圈的壓邊力及其限位位置決定了材料的流動(dòng)方向。為了對比分析不同壓邊力對接頭質(zhì)量的影響，將壓邊力Fn分別設(shè)為1、2、3、4、5、6、7、8、9 kN，進(jìn)行壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接模擬，觀察成型接頭的頸厚值和嵌入量，分析不同壓邊力時(shí)材料的流動(dòng)情況，得到接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

為直觀地分析不同壓邊力下成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，將不同壓邊力下成型接頭的頸厚值Tn與嵌入量Tu繪制于同一圖中，如圖4所示，隨著壓邊力Fn的增加，接頭的頸厚值Tn呈上升趨勢，嵌入量Tu則呈先上升后下降的趨勢。不同壓邊力下成型接頭的底部突起高度H如圖5所示，隨著壓邊力的增大，底部突起高度H逐漸減小。

表3 不同壓邊力下成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 接頭的頸厚值Tn與嵌入量Tu

圖5 接頭的底部突起高度H

圖6為接頭在不同壓邊力下成型時(shí)的材料流動(dòng)情況。如圖6(a)所示，當(dāng)壓邊力Fn為1 kN時(shí)，隨著沖頭下壓，在壓邊力和材料向上推力的共同作用下，壓邊圈向上移動(dòng)，壓邊圈和下模之間的距離隨之增大，使得沖壓過程中材料沿軸向向上的流速較大，減小頸厚值Tn的同時(shí)明顯增加了底部突起高度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致上下板材之間在互鎖區(qū)域的上部產(chǎn)生接觸縫隙，而沖頭圓角處只有小部分材料沿徑向流動(dòng)，不利于接頭互鎖的形成；如圖6(b)所示，當(dāng)壓邊力Fn為5 kN時(shí)，壓邊圈與底模之間的空間使得在沖壓成形時(shí)上板料主要向上流動(dòng)，沖頭圓角處的上下板料沿徑向流動(dòng)速度加快，有利于在保持頸厚值Tn的同時(shí)增加嵌入量Fn；如圖6(c)所示，當(dāng)壓邊力Fn等于9 kN時(shí)，過大的壓邊力導(dǎo)致壓邊圈向上的移動(dòng)量減小，壓邊圈和底模之間的距離減小，限制了材料向上流動(dòng)的空間，使得沖壓時(shí)材料向上流動(dòng)變緩，材料徑向流動(dòng)速度增大，有利于頸厚值Tn的增加和底部突起高度H的降低，其上板材徑向流速的增大不利于嵌入量Tu的增加。

圖6 不同壓邊力時(shí)材料的流動(dòng)情況

圖7 壓邊圈限位位置示意圖

2.2 壓邊圈不同限位位置成型的接頭參數(shù)分析

在沖頭下壓的過程中，壓邊圈在壓邊力和材料推力的共同作用下產(chǎn)生一定的向上隨動(dòng)位移，設(shè)沖頭當(dāng)前的下壓量為s，下壓量s與原始板厚(t1+t2)之比為壓下率ε，即壓下率ε=s/(t1+t2)，以xε表示壓下率為ε時(shí)壓邊圈的限位位置，即沖頭下壓量為s時(shí)壓邊圈到達(dá)限位位置并停止移動(dòng)，如圖7所示。取Fn為4 000 N，ε分別為57.5%、62.5%、67.5%、72.5%、77.5%、82.5%、87.5%、90.0%，其接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 壓邊圈不同的限位位置成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

隨著壓邊圈限位位置xε的上移，材料軸向所受較大流動(dòng)阻力的時(shí)間就越少，材料的軸向流動(dòng)越多，因此，頸厚值Tn逐漸降低，底部突起高度H逐漸增加，但頸厚值Tn值均保持在0.42 mm以上。隨著壓邊圈限位位置xε的上移，嵌入量Tu先增大后減??；如圖8(a)所示，當(dāng)壓邊圈限位位置xε低于x62.5%時(shí)，此時(shí)互鎖還未形成，沖頭側(cè)的材料徑向流動(dòng)速度增大，導(dǎo)致頸厚值Tn增大，由于下板料的阻礙，沖頭圓角處材料流動(dòng)速度增長幅度較小，不能形成互鎖；如圖8(b)所示，當(dāng)壓邊圈限位位置xε在x77.5%左右時(shí)，限位之前接頭互鎖已經(jīng)形成，壓邊圈的限位能使沖頭圓角處材料的徑向流動(dòng)速度增加，有利于嵌入量Tu的增大；如圖8(c)所示，當(dāng)壓邊圈限位位置xε高于x82.5%時(shí)，雖然互鎖已經(jīng)形成，但材料大部分時(shí)間主要沿軸向流動(dòng)，導(dǎo)致徑向流動(dòng)的材料過少，不利于嵌入量Tu的增大。

圖8 壓邊圈在不同限位位置下材料的流動(dòng)趨勢

圖9為壓邊圈在不同限位位置下模擬的接頭形狀圖，圖中的數(shù)字代表組號(hào)。組1和組2中，壓邊圈限位位置過低，基本沒有形成互鎖；組4、組5和組6中的壓邊圈在互鎖形成后遇到限位裝置停止移動(dòng)，材料的徑向流速增加，嵌入量Tn增加；組7和組8中壓邊圈限位位置過高，導(dǎo)致材料軸向流動(dòng)較多，減少頸厚值Tn的同時(shí)也不利于嵌入量Tn的增加。

3 田口試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)影響因素和水平

在壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接工藝中，壓邊力、壓邊圈限位位置以及沖頭的幾何參數(shù)是影響接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，由于接頭成型過程中受到多個(gè)因素和多個(gè)水平的影響，逐一分析繁瑣復(fù)雜。因此，本研究采用田口試驗(yàn)來對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接接頭的主要失效形式一般是因互鎖不夠而導(dǎo)致的拉脫失效，所以采用極差法以接頭的嵌入量Tu為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取沖頭直徑dp、壓邊力Fn、壓邊圈限位位置xε、沖頭速度v和沖頭圓角半徑rp為試驗(yàn)的5個(gè)因素，每個(gè)因素具有4個(gè)水平，做L16(45)正交表，其因素水平如表5所示[12]。

圖9 壓邊圈在不同限位位置下模擬的接頭形狀圖

表5 田口試驗(yàn)因素-水平表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)共16組，每組試驗(yàn)8次取平均值，得到田口試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，得到的田口試驗(yàn)接頭形狀如圖10所示。隨著沖頭直徑dp增大，沖頭下方材料增多，頸厚值Tn呈增大的趨勢，Tn的大小主要為0.35～0.75 mm，最小值為0.370 mm，將所得16個(gè)組的頸厚值與嵌入量繪于圖11中，從圖中所知，相比于嵌入量Tu，頸厚值Tn已經(jīng)足夠大，制約接頭強(qiáng)度的因素應(yīng)主要考慮嵌入量Tu。圖10中組3、4、6、8、12、16幾乎未形成互鎖，這是因?yàn)閴哼吜n過大，材料流動(dòng)阻力過大導(dǎo)致徑向流動(dòng)困難。隨著沖頭直徑dp增大，沖頭下方材料增多，嵌入量Tu總體呈增大的趨勢；隨壓邊圈限位位置的升高，嵌入量Tu先增大后減??；隨沖頭圓角半徑rp增大，沖頭圓角處的材料被擠壓的程度越小，嵌入量Tu總體呈減小的趨勢。Ki為所對應(yīng)的列因素i水平的指標(biāo)均值，R為對應(yīng)列因素的極差，R越大則表明該影響因素對接頭嵌入量Tu的影響越大。

表6 田口試驗(yàn)結(jié)果

圖10 田口試驗(yàn)接頭形狀

由表6可知，極差RB>RC>RA>RE>RD，說明對接頭嵌入量Tu影響最大的因素為壓邊力Fn，壓邊圈限位位置xε次之，隨后是沖頭直徑dp和沖頭速度v，沖頭圓角半徑rp的影響最小，其各因素水平對嵌入量的影響如圖12所示。由圖12可見，隨著沖頭直徑dp的增加，嵌入量總體呈增大趨勢；隨著壓邊力Fn的增加，嵌入量呈減小的趨勢，但當(dāng)壓邊力Fn取2 kN以下時(shí)，部分成型接頭互鎖處兩板材之間產(chǎn)生較大縫隙；隨著壓邊圈限位位置xε的提高，嵌入量先增大后減小；隨著沖頭圓角半徑rp的增加，嵌入量逐漸減?。浑S著沖頭速度v的增加，嵌入量先減小后增大。根據(jù)以上分析，5項(xiàng)工藝參數(shù)的最佳組合為A3B2C3D1E4，即沖頭直徑dp=5.5 mm、壓邊力Fn=4 kN、壓邊圈限位位置xε=x77.5%、沖頭速度v=12 mm·s-1、沖頭圓角半徑rp=0.05 mm，同時(shí)該方案形成的接頭底部突起較低，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

圖11 接頭的頸厚值與嵌入量

圖12 因素水平對嵌入量的影響

4 結(jié)論

1) 隨著壓邊力的增加，接頭的頸厚值呈上升趨勢，底部突起高度逐漸降低。嵌入量在壓邊力增加到2 kN時(shí)先增大，然后保持穩(wěn)定，當(dāng)壓邊力超過7 kN之后，嵌入量開始減小。壓邊力小于2 kN時(shí)將導(dǎo)致底部突起高度增大，接頭互鎖處板材產(chǎn)生較大縫隙；壓邊力大于8 kN時(shí)，將嚴(yán)重阻礙材料軸向流動(dòng)并會(huì)導(dǎo)致板材之間產(chǎn)生縫隙，壓邊力過大和過小都不利于接頭互鎖的形成。

2) 合理的壓邊圈限位位置能夠增大接頭的嵌入量。當(dāng)壓邊圈限位位置低于x82.5%時(shí)，隨著其限位位置的提高，嵌入量Tu逐漸增大；當(dāng)壓邊圈限位位置高于x82.5%時(shí)，隨著其限位位置的提高，嵌入量Tu逐漸減小。限位位置過低時(shí)不能形成接頭互鎖，限位位置過高時(shí)也不利于嵌入量Tu的提升。

3) 接頭嵌入量的主要影響因素為壓邊力、壓邊圈限位位置與沖頭直徑，而沖頭速度和沖頭圓角半徑的影響相對較小，采用田口試驗(yàn)?zāi)軌颢@得的最佳工藝參數(shù)為A3B2C3D1E4，即沖頭直徑dp=5.5 mm、壓邊力Fn=4 kN、壓邊圈限位位置為x77.5%、沖頭速度v=12 mm·s-1、沖頭圓角半徑rp=0.05 mm。

4) 壓邊圈隨動(dòng)無鉚沖壓連接成型接頭的底部突起高度大部分小于0.9 mm，較低的突起高度使其具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。