多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元分析

張 鵬，趙升噸，張傳偉，費(fèi)亮瑜，張佳瑩

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 前言

多材料混合車身設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最具潛力的手段[1]，但是異種材料之間巨大的理化性能差異[2]，使它們之間的連接存在諸多問題。異種材料的連接是多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵及結(jié)構(gòu)性能的保證，在實(shí)際工程應(yīng)用中，面臨著異種材料高效高強(qiáng)連接的技術(shù)瓶頸。常規(guī)的連接方法主要有螺栓連接、鉚接、熔化焊、釬焊及固相焊等[3-5]，但所得接頭存在內(nèi)應(yīng)力、裂紋、夾渣和氣孔等缺陷，導(dǎo)致接頭成形質(zhì)量、氣密性和力學(xué)性能較差[6-8]。攪拌摩擦點(diǎn)焊屬于固相焊接的一種，由于基體在連接過程中保持固態(tài)，因此接頭的性能一般不受限于金屬間化合物，比較適于鋁鋼之間的連接[9]，但是其不可避免的退出匙孔卻影響了接頭外觀和接頭連接質(zhì)量[10]。因此，現(xiàn)有的連接方法很難完全滿足輕量化車身中多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)制造的要求，亟需開發(fā)優(yōu)質(zhì)高效的異種材料連接的新技術(shù)。

為了提高異種材料接頭連接質(zhì)量，避免連接過程中產(chǎn)生裂紋等缺陷，Watanabe等[11]開展了鋁合金5083與低碳鋼的攪拌摩擦焊對(duì)接試驗(yàn)，研究了母材放置位置對(duì)焊接接頭強(qiáng)度的影響機(jī)制。劉小超等[12]開展了鋁合金超聲振動(dòng)強(qiáng)化FSW與常規(guī)FSW對(duì)比試驗(yàn)，超聲振動(dòng)能夠減小焊縫內(nèi)部隧道型缺陷，增大材料對(duì)接混合區(qū)寬度和焊核區(qū)體積，接頭抗拉強(qiáng)度提高了5%。Chen等人[13]采用鉚壓連接方法，將圓柱鉚釘壓入無鉚連接的匙孔中，不僅降低了接頭底部的凸出高度，還增大了接頭的互鎖值，接頭拉剪強(qiáng)度達(dá)到傳統(tǒng)無鉚連接頭的2.3倍。Ma等人[14]提出了自沖摩擦鉚焊工藝，通過鉚釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱軟化金屬，能實(shí)現(xiàn)低塑性材料的機(jī)械連接，并獲得性能良好的固相連接接頭，但在旋轉(zhuǎn)進(jìn)給過程中必須保證鉚釘?shù)男D(zhuǎn)軸線、幾何對(duì)稱軸和凹模的幾何軸線保持較高的同軸度，對(duì)設(shè)備性能要求高[15]。因此，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，超聲輔助固相焊接技術(shù)和鉚釘強(qiáng)化固相焊接是目前獲得高性能連接接頭的熱點(diǎn)研究技術(shù)。但是國內(nèi)外眾多學(xué)者主要注重理論和試驗(yàn)研究，對(duì)于相關(guān)設(shè)備的開發(fā)和研究卻較少，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)焊接設(shè)備的相關(guān)報(bào)道也非常少。所以，亟需開發(fā)一種用于異種材料高性能點(diǎn)連接技術(shù)及配套設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)鋁合金與鋼異種材料的高性能點(diǎn)連接，本文提出了一種攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊新技術(shù)，將鋁合金與鋼異種材料的連接轉(zhuǎn)化為鋼質(zhì)鉚釘與鋼板的連接，避免了產(chǎn)生金屬間化合物等缺陷影響接頭力學(xué)性能。針對(duì)該新技術(shù)設(shè)計(jì)了四個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的新型攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備。為了驗(yàn)證設(shè)備方案的合理性，校核設(shè)備結(jié)構(gòu)的可靠性，開展了設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元分析。利用Ansys Workbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備的機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核了機(jī)身和關(guān)鍵零部件的剛度與強(qiáng)度，并通過模態(tài)分析研究了設(shè)備振動(dòng)響應(yīng)特性。

1 攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊新工藝原理

鋁合金板材與鋼板的攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊新工藝原理如圖1所示，主要包括定位、預(yù)緊、鉚焊、成型和回抽五個(gè)步驟。首先，將需要連接的板材剛性固定在工作臺(tái)上，振動(dòng)頭與板材下表面接觸并施加一定的壓力，攪拌頭向下運(yùn)動(dòng)，將放置在待連接點(diǎn)上的鉚釘進(jìn)行定位，攪拌頭與鉚釘之間通過凹槽配合，并通過攪拌頭對(duì)鉚釘與板材之間施加一定的預(yù)緊力；然后，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭驅(qū)動(dòng)鉚釘勻速扎入板材中，同時(shí)超聲激振器對(duì)鉚焊點(diǎn)施加微鍛作用。依靠鉚釘和攪拌頭軸肩與板材之間的摩擦生熱，鉚釘周圍金屬被加熱到塑化狀態(tài)，塑化的金屬在鉚釘與攪拌頭的攪拌及擠壓作用下，不斷填充攪拌頭的凹腔；當(dāng)攪拌頭軸肩達(dá)到預(yù)先設(shè)定的下壓量后，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭對(duì)連接點(diǎn)處進(jìn)行一定時(shí)間的持續(xù)摩擦加熱，使鉚焊點(diǎn)處的材料充分流動(dòng)并形成可靠的連接；最后，超聲激振器關(guān)閉，攪拌頭停止旋轉(zhuǎn)并退回坐標(biāo)原點(diǎn)，塑化的金屬材料將螺紋鉚釘包裹鑲嵌，自然冷卻后形成鉚焊接頭。

圖1 攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊新工藝原理

2 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以“分散多動(dòng)力、伺服電直驅(qū)”的思想為主導(dǎo)，根據(jù)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊工藝過程，設(shè)計(jì)了四個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的新型攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備，方案如圖2所示，主要性能指標(biāo)見表1。其中由三個(gè)交流伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)Z軸和一個(gè)X軸，可以實(shí)現(xiàn)攪拌頭和激振器沿Z軸方向上下移動(dòng)，工作臺(tái)沿X軸水平移動(dòng)，以滿足攪拌頭和激振器對(duì)待焊工件施加頂鍛力和控制軸肩下壓量，以及實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊。一個(gè)交流伺服電機(jī)作為鉚焊主軸電機(jī)。鉚焊主軸電機(jī)與超聲激振器對(duì)稱式布置，可以改善待焊工件裝夾和受力問題，且實(shí)現(xiàn)連續(xù)多點(diǎn)鉚焊。

表1 攪拌摩擦平底振動(dòng)鉚焊設(shè)備性能指標(biāo)

3 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備有限元分析

3.1 有限元模型建立

為簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分等運(yùn)算過程，減小運(yùn)算負(fù)擔(dān)，在模型導(dǎo)入Ansys之前對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉對(duì)整機(jī)動(dòng)、靜態(tài)影響較小的零部件，例如螺栓、螺母、墊片、固定角件等，利用SolidWorks軟件建立多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維模型，得到機(jī)身簡(jiǎn)化模型如圖3a所示。在網(wǎng)格劃分時(shí)，經(jīng)過設(shè)置平衡參數(shù)、調(diào)整網(wǎng)格大小、細(xì)化關(guān)鍵部位的網(wǎng)格大小等操作，得到網(wǎng)絡(luò)密集、質(zhì)量較為合理的網(wǎng)格，共有67 966個(gè)網(wǎng)格，298 889個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3b所示。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元模型

考慮到設(shè)備有足夠大的體積與質(zhì)量，為設(shè)備添加自重，加速度設(shè)為Z軸負(fù)向9.8 m·s-2；在設(shè)備上為主軸安裝架施加10 kN的Z軸正向力，受力面為動(dòng)力頭安裝架與動(dòng)力頭的接觸面；為工作臺(tái)支撐面施加10 kN的Z軸負(fù)向力，受力面為工作臺(tái)的四個(gè)支撐面；設(shè)備工作時(shí)主軸扭矩設(shè)為20 Nm；主軸安裝架平行于Z軸上下運(yùn)動(dòng)。

3.2 材料屬性設(shè)置

因?yàn)?5#鋼成本低且經(jīng)過熱處理后具備較高的強(qiáng)度、韌性等綜合性能，所以應(yīng)用于主軸、電機(jī)固定架、工作臺(tái)和夾具等主要零部件；35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，選作絲杠副和導(dǎo)軌的材料；H13熱作模具鋼在攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊工作溫度范圍內(nèi)綜合性能好、熱處理變形率低，用于制作攪拌摩擦鉚焊工具；為了保證機(jī)身的剛度并實(shí)現(xiàn)機(jī)身輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)備機(jī)身采用高強(qiáng)度鋁合金型材搭建而成。對(duì)材料的密度、楊氏模量、泊松比等性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。

表2 材料仿真參數(shù)設(shè)置

3.3 機(jī)身的靜力學(xué)分析

經(jīng)數(shù)值模擬分析，得到機(jī)身的形變、應(yīng)變分布和應(yīng)力分布情況分別如圖4、圖5和圖6所示。表3為機(jī)身的靜力學(xué)分析結(jié)果?？梢钥闯觯O(shè)備整體的靜剛度性能良好。雖然鋁合金型材接觸面應(yīng)力應(yīng)變較為集中，但在實(shí)際搭建過程中鋁合金型材之間是由角件螺栓等緊固的，所以在實(shí)際搭建時(shí)可依現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)加強(qiáng)部位周邊的連接。而應(yīng)力、應(yīng)變和形變?cè)趧?dòng)力頭安裝架上都比較集中。動(dòng)力頭安裝架負(fù)責(zé)動(dòng)力頭的固定和攪拌頭的定位，有很高的強(qiáng)度及剛度要求，是整個(gè)設(shè)備的重要部件，為優(yōu)化設(shè)備性能及其精確程度，有必要對(duì)其進(jìn)行精確的模擬分析。

圖4 機(jī)身的形變情況

圖5 機(jī)身的應(yīng)變分布情況

圖6 機(jī)身的應(yīng)力分布情況

表3 機(jī)身的靜力學(xué)分析結(jié)果

3.4 機(jī)身的模態(tài)分析

振動(dòng)在試驗(yàn)過程中難以避免，而且需要安裝激振器以提升攪拌摩擦鉚焊效果，避免共振是確保設(shè)備安全穩(wěn)定工作的基本要求。通過模態(tài)分析可以得到設(shè)備的固有頻率以及振型，能直觀地反映設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能。因此，基于Ansys Workbench有限元軟件，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)身及關(guān)鍵零部件進(jìn)行模態(tài)分析。取模態(tài)擴(kuò)展的階數(shù)為六階，得到機(jī)身前六階模態(tài)振型如圖7所示。機(jī)身的前六階模態(tài)分析結(jié)果見表4。

圖7 機(jī)身的模態(tài)分析結(jié)果

表4 機(jī)身的前六階模態(tài)頻率及形變量

設(shè)備的振動(dòng)主要發(fā)生在機(jī)身上半部分，位移量為13 ～ 25 mm。攪拌摩擦鉚焊設(shè)備的振動(dòng)主要是外部激勵(lì)造成的。推測(cè)振動(dòng)源為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，振動(dòng)頻率為50 Hz。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于3 000 r/min時(shí)，電機(jī)振動(dòng)頻率小于50 Hz。由表4可知機(jī)身的最小共振頻率為155.27 Hz，故電機(jī)與機(jī)身不會(huì)出現(xiàn)共振情況。

3.5 關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析

動(dòng)力頭安裝架的作用為固定動(dòng)力頭及其驅(qū)動(dòng)裝置，并將Z軸的軸向進(jìn)給力傳遞給攪拌頭，是整個(gè)設(shè)備中受力較為集中的部件，有較高的剛度與強(qiáng)度要求以確保設(shè)備的精度。對(duì)主要部件進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)劃分更細(xì)致的網(wǎng)格以獲得更精確的仿真結(jié)果。依照動(dòng)力頭安裝架的受力關(guān)系，在動(dòng)力頭安裝架與動(dòng)力頭的結(jié)合面添加固定約束，在接觸面施加15 kN的Z軸正向力。動(dòng)力頭安裝架形變及應(yīng)力分布情況如圖8所示。

圖8 動(dòng)力頭安裝架靜力學(xué)分析結(jié)果

動(dòng)力頭安裝架的變形主要發(fā)生在上下兩個(gè)端面附近，最大變形量為0.042 mm，與設(shè)備整體分析的0.056 mm差別不大；背部焊接部位應(yīng)力較為集中，最大應(yīng)力為20.5 MPa，且其余區(qū)域大部分在5 MPa以下，均遠(yuǎn)小于45#鋼的極限應(yīng)力?？傮w而言，該部件的形變應(yīng)力都較小，安全余量較大，但在焊接加工時(shí)應(yīng)確保焊接質(zhì)量防止應(yīng)力集中。主軸是攪拌摩擦鉚焊設(shè)備的關(guān)鍵部件，直接驅(qū)動(dòng)攪拌頭進(jìn)行鉚焊，對(duì)攪拌摩擦鉚焊工藝的質(zhì)量和效率有直接的影響。針對(duì)主軸工作的極限工況，進(jìn)行主軸在靜載荷下的靜力分析。在主軸與攪拌頭連接處施加10 kN的頂鍛力，主軸鍵連接處施加30 N·m的轉(zhuǎn)矩。主軸形變及應(yīng)力分布情況如圖9所示。

圖9 主軸的靜力學(xué)分析結(jié)果

主軸的形變與應(yīng)力集中主要發(fā)生在兩端動(dòng)力輸入及與攪拌頭連接處。最大應(yīng)力為12 MPa，遠(yuǎn)小于極限應(yīng)力；最大形變量為0.003 16 mm，剛性很好。綜合分析，主軸的剛度完全可以抵抗外部的靜載荷，設(shè)計(jì)合理。

3.6 主軸的模態(tài)分析

在主軸靜力分析滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析并提取主軸的前六階模態(tài)分析結(jié)果，如圖10所示。

圖10 主軸的模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)合如表5所示的主軸模態(tài)分析結(jié)果,可以計(jì)算出主軸共振的臨界轉(zhuǎn)速為100 698 r/min，而伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，主軸自身的額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，均遠(yuǎn)小于發(fā)生共振的最低臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振，主軸的動(dòng)態(tài)特性較為合理。

表5 主軸的前六階模態(tài)頻率及形變量

綜上所述，該新型攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備機(jī)身和關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均符合設(shè)計(jì)要求，可以滿足異種材料的攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊連接需求。

4 結(jié)論

本文提出了一種攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊新技術(shù)，設(shè)計(jì)了四個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制的新型攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備，利用Ansys Workbench有限元軟件對(duì)設(shè)備機(jī)身和關(guān)鍵零部件進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)分析，得到以下結(jié)論：

(1)新型多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備主要包括機(jī)身、電主軸、激振器和傳動(dòng)系統(tǒng)四大部分，具備多點(diǎn)連續(xù)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊功能，且每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)均由單獨(dú)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊，主軸可提供10 kN下壓力，滿足異種材料的攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊連接工藝需求。

(2)新型多電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊設(shè)備的整體靜剛度性能良好，機(jī)身的最大變形量為0.056 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.6×10-5，最大應(yīng)力為19.2 MPa，機(jī)身的強(qiáng)度與剛度滿足攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊工藝需求，且機(jī)身的前六階模態(tài)均避開了設(shè)備、電機(jī)和減速器的工作頻率，設(shè)備工作過程中振動(dòng)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

(3)動(dòng)力頭安裝架及主軸等關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度和剛度均滿足攪拌摩擦振動(dòng)鉚焊工藝需求，動(dòng)力頭安裝架的最大變形量為0.042 mm，焊接加工時(shí)應(yīng)確保焊接質(zhì)量防止應(yīng)力集中，主軸的最大形變量為0.003 16 mm，其額定轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)小于共振臨界轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)特性良好。