鉚點(diǎn)工藝過程保持力仿真與驗(yàn)證分析

摘要：為保證產(chǎn)品零件之間形成有效的保持力，需采用特殊的工藝方式。為使得產(chǎn)品形成良好的可靠性，一方面通過基材之間過盈擠壓形成摩擦力，另一方面通過在基材外殼上打出凸點(diǎn)與中心基座之間咬合增加保持力。通過建立三維模型，分別對(duì)過盈擠壓形成摩擦力與凸點(diǎn)形成保持力的狀態(tài)建立仿真模型，計(jì)算得到零件之間的保持力范圍，并驗(yàn)證凸點(diǎn)高度與保持力的關(guān)系。將仿真計(jì)算結(jié)果作為工裝設(shè)計(jì)的參考因素，并以實(shí)際工藝過程進(jìn)行驗(yàn)證，固化鉚點(diǎn)工藝過程產(chǎn)生的保持力，保證工藝過程中產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：保持力;仿真;凸點(diǎn)高度;工裝設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）11-0072-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.019

0? ? 引言

工藝是利用各種生產(chǎn)工具對(duì)原材料或半成品按照設(shè)計(jì)預(yù)期的產(chǎn)品進(jìn)行加工及處理的方法和過程。工藝直接關(guān)系到產(chǎn)品的制造方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)路線確立、原材料的選擇、生產(chǎn)裝備的配置、產(chǎn)品的檢測(cè)、包裝、運(yùn)輸?shù)榷囗?xiàng)環(huán)節(jié)，是建立生產(chǎn)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

組成機(jī)器的零件要能最經(jīng)濟(jì)地制造和裝配，應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。機(jī)器的成本主要取決于材料和制造費(fèi)用，因此工藝性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。通常應(yīng)考慮采用方便制造、便于裝配和拆卸的結(jié)構(gòu)，零件形狀簡(jiǎn)單合理，易于維護(hù)和修理，并合理選用毛坯類型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求使設(shè)計(jì)的零部件制造加工方便，材料損耗少，效率高，生產(chǎn)成本低，符合質(zhì)量要求。在零件的形狀變化不影響其使用性能的條件下，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用最容易加工的形狀[1]。

有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，是將連續(xù)體簡(jiǎn)化為有限個(gè)單元組成的離散化模型，再對(duì)這一模型進(jìn)行數(shù)值求解的一種實(shí)用有效方法。其假想地把任意形狀的連續(xù)體或結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)方位不同但形狀相似的小塊（即單元），各單元之間僅在有限個(gè)指定點(diǎn)（即節(jié)點(diǎn)）處相互連接，并將承受的各種外載荷按某種規(guī)則移植成作用于節(jié)點(diǎn)處的等效力，邊界約束也簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)約束，從而轉(zhuǎn)換為一個(gè)由有限個(gè)具有一定形狀規(guī)則的、僅在節(jié)點(diǎn)處相連接、承受外載和約束的單元組合體;然后按分塊近似的思想，用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)近似表示每個(gè)單元位移分量的分布規(guī)律，并按彈塑性理論建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系;再將所有單元的這種特性關(guān)系集合起來，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組;最后求出原有物體有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處位移的近似值及其他物體參數(shù)狀[2]。

鉚點(diǎn)工藝在基礎(chǔ)生產(chǎn)制造中使用廣泛，主要是通過硬度高的基材與硬度低的基材擠壓，將硬度低的基材擠壓形成規(guī)則的形狀，不受溫度、濕度等操作條件限制。

為使得該工藝方式能大范圍推廣及可靠使用，通過選取某款產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立仿真模型，計(jì)算倒刺擠壓、頂針產(chǎn)生的凸點(diǎn)與外殼的保持力。進(jìn)一步通過向基座施加垂直壓力，將基座出現(xiàn)松脫情況下的最大保持力通過仿真模型計(jì)算出來。通過該方式的驗(yàn)證與總結(jié)，固化鉚點(diǎn)工藝過程產(chǎn)生的力的效果，保證產(chǎn)品的工藝過程，完善工藝參數(shù)及工藝工程數(shù)字化的過程。

1? ? 仿真與數(shù)據(jù)分析

為使得驗(yàn)證充分及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有據(jù)可尋，需通過建立數(shù)字模型模擬零件結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際零件結(jié)構(gòu)組裝效果反推零件尺寸的合理性;通過驗(yàn)證裝配過程的力學(xué)狀態(tài)，分析與討論工藝參數(shù)的合理性。

仿真模型的建立，需從零件材料的屬性、零件的結(jié)構(gòu)及其尺寸、零件裝配工藝工程及其動(dòng)作多個(gè)過程進(jìn)行分析。首先需篩選出與產(chǎn)品使用環(huán)境匹配的零件基材，再使用三維制圖軟件建立零件的三維模型，后將三維模型導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過動(dòng)態(tài)分析與力學(xué)的參數(shù)驗(yàn)算，來確定最終工藝參數(shù)的可靠性。

1.1? ? 材料屬性

零件選取以下兩款材料作為本次驗(yàn)證的主要材料：

1）外殼：鋁及鋁合金軋制板材。材料牌號(hào)6061，GB/T 3190—2008，狀態(tài)T6，密度2 700 kg/m3，楊氏模量69 GPa，屈服強(qiáng)度275 MPa，抗拉強(qiáng)度320 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率12%，線膨脹系數(shù)23.2×10-6/℃[3];

2）基座：PEEK。材料牌號(hào)450GL03，LGJX—2008-

17，密度1 510 kg/m3，楊氏模量12 GPa，屈服強(qiáng)度165 MPa，抗拉強(qiáng)度190 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率2.5%，線膨脹系數(shù)18×10-6/℃[4]。

1.2? ? 建立三維模型

外殼尺寸：壁厚0.7 mm，內(nèi)槽長(zhǎng)9.2 mm，寬7.2 mm，零件總厚度5 mm，孔直徑?0.8 mm，孔深0.5 mm，孔底厚度0.2 mm。

基座尺寸：外邊長(zhǎng)9.2 mm，寬7.2 mm，倒刺長(zhǎng)3.2 mm，寬1.5 mm，厚度0.08 mm;零件總厚度2.5 mm，基座側(cè)壁孔直徑?0.5 mm，孔深0.12 mm，如圖1所示。

1.3? ? 模型仿真與分析

將上述零件轉(zhuǎn)換為三維模型導(dǎo)入仿真軟件，零件的過盈保持力主要來源于兩個(gè)方面：一是基座倒刺與外殼之間形成擠壓致使兩種基材之間產(chǎn)生摩擦力;二是通過工裝在外殼孔內(nèi)擠壓變形形成凸點(diǎn)，凸點(diǎn)進(jìn)入到基座孔內(nèi)，外殼凸點(diǎn)與基座孔形成咬合接觸。向基座施加垂直壓力，此時(shí)基座如需產(chǎn)生位移，不僅需克服摩擦力，還需克服外殼凸點(diǎn)從基座孔內(nèi)脫出的基座變形力。能使基座產(chǎn)生位移的力即為兩種結(jié)構(gòu)保持產(chǎn)品穩(wěn)定的保持力[2]。

由于兩種結(jié)構(gòu)存在差異，并考慮工藝裝配的流程順序，將仿真過程拆分為零件擠壓過盈力學(xué)仿真、外殼凸點(diǎn)產(chǎn)生保持力的力學(xué)仿真兩方面進(jìn)行論證。

當(dāng)前材料屬性設(shè)置為外殼壁厚0.7 mm，基座孔底厚度0.2 mm，材料按鋁及鋁合金軋制板材選取;材料牌號(hào)6061，狀態(tài)T6?；牧希篜EEK，牌號(hào)450GL03，材料標(biāo)準(zhǔn)使用LGJX—2008-17。

1.3.1? ? 倒刺模型仿真與分析

為提高仿真精度和計(jì)算速度，選取模型1/4進(jìn)行仿真，并對(duì)選取模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)力學(xué)無影響的通孔和倒角，大幅減少網(wǎng)格數(shù)量，提高網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)而提升仿真精度和計(jì)算速度。為保證仿真精度，外殼應(yīng)有兩層及以上網(wǎng)格，并對(duì)變形較大的倒刺區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，進(jìn)一步提升仿真的精度，同時(shí)提高計(jì)算收斂性。仿真模型設(shè)置如圖2所示，固定外殼底面，加載兩個(gè)載荷步。

第1步：對(duì)基座施加位移載荷，基座克服外殼之間過盈，基座完整組裝到外殼框內(nèi);

第2步：在基座上施加位移載荷，基座克服與外殼之間摩擦力，使基座產(chǎn)生位移。

通過圖3可知，基座克服基材尺寸過盈產(chǎn)生的裝配力約為11.4 N，拔出力最大值約為9.6 N。由于仿真選取的是1/4模型，因此倒刺總保持力估算約為F1=9.6×4=38.4 N。

1.3.2? ? 凸點(diǎn)模型仿真與分析

為提高仿真精度和計(jì)算速度，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)力學(xué)無影響的通孔、倒角及工裝，將基座與外殼之間形成的過盈尺寸更改為間隙，單獨(dú)計(jì)算凸點(diǎn)形成的基座保持力。

凸點(diǎn)使用錐形結(jié)構(gòu)，端點(diǎn)結(jié)構(gòu)使用0.5 mm直徑圓臺(tái)與外殼孔底接觸，如圖4所示。錐度打點(diǎn)頂針材料為硬度更高的鎢鋼（硬度：HRA82.0～93.6），相比于鋁合金材質(zhì)（硬度：HB90～95）的硬度，可認(rèn)為頂針在此打點(diǎn)過程中產(chǎn)生的變形因素可以排除。

仿真條件設(shè)置如圖5所示，固定外殼底面，加載四個(gè)載荷步。

第1步：對(duì)頂針施加位移載荷，使頂針與圓孔接觸;

第2步：對(duì)頂針設(shè)定行程進(jìn)行擠壓，使外殼內(nèi)部產(chǎn)生凸點(diǎn);

第3步：撤回頂針工具;

第4步：對(duì)基座施加垂直方向位移，計(jì)算基座在克服凸點(diǎn)產(chǎn)生位移的最大保持力。

從鉚點(diǎn)頂針與外殼接觸開始算起，設(shè)置0～0.16 mm擠壓行程，即頂針在外殼上擠壓使外殼鉚點(diǎn)形成凸點(diǎn)。分別記錄不同行程下凸點(diǎn)高度及可產(chǎn)生的保持力大小，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系建立凸點(diǎn)高度與其提供的保持力范圍分布曲線。

由圖6可知，凸點(diǎn)高度與擠壓行程在0～0.16 mm區(qū)間呈線性分布，保持力在0.12 mm后出現(xiàn)突增，在擠壓行程0.14 mm后上升出現(xiàn)遲緩。根據(jù)上述結(jié)果分析，由擠壓行程達(dá)到0.14 mm后保持力出現(xiàn)極限且增長(zhǎng)的狀態(tài)判斷，在0.14 mm后外殼凸點(diǎn)頂端壁出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致凸點(diǎn)繼續(xù)增高但保持力無法繼續(xù)增加。

當(dāng)前結(jié)果顯示擠壓行程設(shè)置在0.10～0.14 mm區(qū)間最為合適。

2? ? 工裝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1? ? 工裝設(shè)計(jì)

工裝設(shè)計(jì)主要通過SMC型手指氣缸來實(shí)現(xiàn)，將產(chǎn)品通過外框定位，蓋板上使用快速軸夾實(shí)現(xiàn)快速加持與固定;將4個(gè)銷釘通過滑塊固定，手指氣缸帶動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)往復(fù);當(dāng)氣缸收縮，帶動(dòng)銷釘對(duì)零件外殼4點(diǎn)同時(shí)鉚壓打點(diǎn)。通過限定SMC型手指氣缸的行程控制凸點(diǎn)的大小與高度。工裝設(shè)計(jì)模型如圖7所示。

2.2? ? 零件鉚點(diǎn)與保持力的測(cè)量分析

2.2.1? ? 零件鉚點(diǎn)與保持力的測(cè)量

GJB 9001中明確提出了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)策劃必須考慮和滿足的要求，該單獨(dú)連接器需考慮環(huán)境適應(yīng)性、可靠性，即該產(chǎn)品在25～260 ℃回流焊接高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。

加工與組裝調(diào)試上述工裝，通過設(shè)置不同區(qū)間擠壓行程（0.02～0.16 mm）的距離，測(cè)量凸點(diǎn)產(chǎn)生的高度，并通過零件組裝產(chǎn)品進(jìn)行打點(diǎn)，如圖8所示。將鉚完凸點(diǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過回流焊模擬產(chǎn)品裝配及使用環(huán)境，待冷卻后測(cè)試不同行程擠壓下所呈現(xiàn)的保持力的范圍，進(jìn)行匯總分析。

2.2.2? ? 仿真與實(shí)際驗(yàn)證對(duì)比分析

將上述倒刺與基座的保持力匯總，計(jì)算出整體基座與外殼之間的保持力，同時(shí)對(duì)測(cè)試值進(jìn)行匯總分析。

由圖9可知，為使鉚點(diǎn)以及倒刺可提供的最小保持力達(dá)到120 N以上，且在保證不損傷零件的狀態(tài)下，鉚點(diǎn)高度尺寸應(yīng)控制在0.11～0.14 mm。所以，鉚點(diǎn)頂針行程范圍設(shè)置為0.11～0.14 mm。

3? ? 結(jié)束語

當(dāng)產(chǎn)品需要回流焊或遇到極限環(huán)境時(shí)，溫度變化區(qū)間過大或瞬間的溫度沖擊會(huì)導(dǎo)致基座塑性變形，最終導(dǎo)致過盈點(diǎn)失效。為進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)，通過鉚點(diǎn)方式增加凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加二次保障，可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)常隨安裝條件及使用環(huán)境發(fā)生變化，且會(huì)因使用材料屬性的不同而有各種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。鉚點(diǎn)工藝過程保持力仿真與驗(yàn)證分析，提供了可以加強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上更加可靠。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 王賢民，霍仕武.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[3] 鋁及鋁合金擠壓棒材：GB/T 3191—2019[S].

[4] PEEK系列工程塑料擠出型材：Q/320412 JH004—2019[S].

收稿日期：2024-03-05

作者簡(jiǎn)介：王卯卯（1996—），男，寧夏石嘴山人，助理工程師，研究方向：微波組件及其裝配工藝。