（机械制造及其自动化专业论文）半空心铆钉自冲铆接技术的研究.pdf

摘要 半空心铆钉自冲铆接技术成功地解决了汽车轻量化带来的车身连接的问 题，是近几年才发展起来的适用于铝合金等轻金属的连接以及不同金属材料之 间连接的新工艺，对该技术的研究从理论和实验方面都不够系统和深入。本文 以半空心铆钉自冲铆接技术为研究对象，运用实验和数值模拟相结合的方法， 对6 0 6 3 铝合金板材自冲铆接的工艺过程和铆接接头的力学性能做了全面的研 究。本论文的主要工作如下： 1 提出了半空心铆钉自冲铆接工艺参数的设计原则，研究了主要工艺参数的设 计方法。给出了铆钉腿部直径和铆钉长度的选择依据、理论计算公式和尺寸 圆整原则；探讨了模具模腔尺寸的设计，给出了模具深度、模具直径、凸台 高度等计算方法，确定了板材厚度、模具和铆钉的合理匹配关系。 2 应用自行设计的自冲铆接实验系统，对自冲铆接工艺过程进行了研究。采用 分步实验和有限元模拟对铆接过程中的铆扣的形态进行了分析，结合载荷位 移曲线，得到了压紧、对上层板料的穿透、铆钉尾部张开和墩锻四个阶段的 铆钉和板料变形规律和应力分布，验证了有限元分析的准确性。 3 提出了表观质量的评价标准，应用截面测量法的相关参数评价了不同工艺参 数下的铆接质量。运用有限元方法和实验方法，全面分析了模具几何参数、 铆钉几何参数和硬度以及板料厚度对铆接过程中铆接力和铆接接头表观质 量的影响。为优化自冲铆接的工艺参数提供了理论依据。 4 针对搭接和t 形连接的自冲铆接试件，分别进行了拉伸实验和计算机模拟， 探讨了模具凸台高度、铆钉硬度和板料厚度对铆接接头静力学性能的影响。 模具凸台高度对拉伸力学性能的影响与板料厚度有关，存在一个最佳的匹配 关系，使得自冲铆接接头获得最佳的拉伸性能，拉伸载荷随板料厚度的增加 而显著增加。 5 通过对比分析自冲铆接接头的峰值强度极限和板料强度极限，提出了当量宽 度的概念，并给出了其计算方法。当量宽度可以作为构件铆接点间距设计的 参考依据。 6 比较研究了自冲铆接接头与电阻点焊接头的力学性能。通过研究载荷位移关 系和拉伸试件的峰值载荷，自冲铆接头拉伸峰值载荷大于电阻点焊接头，疲 v 劳性能优于点焊，白冲铆接接头破坏的变形能大于电阻电焊接头。由此可以 推断，自冲铆接头的综合机械性能优于电阻点焊接头。 关键词：自冲铆接，工艺参数，半空心铆钉，模具，铝合金板料 v i a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fs e l f - p i e r c i n gr i v e t i n g ( s p r ) w i t hh a l f - h o l l o wr i v e t sh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oj o i n i n gd i f f i c u l t t o - w e l da sw e l la sd i s s i m i l a rm a t e r i a l sf o r l i g h t w e i g h ta u t o m o b i l eb o d yc o n s t r u c t i o n h o w e v e r ，s y s t e m a t i ct h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so fs p r h a v eb e e nl a c k i n g i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n o l o g y o fs p rw i t hh a l f - h o l l o wr i v e t si s i n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l yu s i n ge x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw i t h6 0 6 3a l u m i n u ma l l o ys h e e t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r i v e t e dj o i n t so fa r es t u d i e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w ： 1 as e to fd e s i g np r i n c i p l e sf o rs p rw i t hh a l f - h o l l o wr i v e t sa r ep r o p o s e db a s e d u p o nt h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no ft h es p rp r o c e s s m e t h o d sf o rr i v e ts i z es e l e c t i o n a n dd i eg e o m e t r yp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na r eg i v e n r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nr i v e t s i z e ，d i ec a v i t y , p i ph e i g h ta n ds h e e tt h i c k n e s sa r ea l s oe s t a b l i s h e d 2 t h em e c h a n i c so fs p rp r o c e s si si n v e s t i g a t e du s i n gt h es p rs y s t e md e s i g n e db y t h ec a n d i d a t ea n dh e rf a c u l t yt e a m e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e u s e dt oo b t a i nap u n c hl o a dv s p u n c hd i s p l a c e m e n tc u r v e ，w h i c hr e l a t e st ot h e f o u rp h a s e so fr i v e tp i e r c i n g ，i n s e r t i o na n dd e f o r m a t i o np r o c e s s 3 as e to fc r i t e r i af o rv i s u a li n s p e c t i o no fs p rj o i n tq u a l i t ya r ep r o p o s e d e x p e r i m e n t a lm e t h o di su s e dt os t u d yt h ee f f e c to f d i eg e o m e t r i cv a r i a b l e s ，r i v e t g e o m e t r i cv a r i a b l e s ，r i v e th a r d n e s sa n ds h e e tt h i c k n e s so nt h er i v e t i n gl o a da n d r i v e t e dj o i n ta p p a r e n tq u a l i t yi nt h er i v e t i n gp r o c e s s u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， t h ee f f e c to ft h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fd i e ，r i v e ta n ds h e e to nr i v e t i n gp r o c e s si s a n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y 4 c o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt os t u d yt h es t a t i cl o a dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fs p rl a pj o i n t sa n dt - j o i n t s t h ee f f e c to fd i eg e o m e t r y , r i v e t h a r d n e s sa n dm a t e r i a lt h i c k n e s so nt e n s i l es t r e n g t hi sa n a l y z e d i tw a sd i s c o v e r e d t h a tt h ed i ep i ph e i g h ta n ds h e e tt h i c k n e s sh a v eas t r o n gi n f l u e n c e0 1 1t h et e n s i l e b e h a v i o r 5 t h ec o n c e p to f “e q u i v a l e n tw i d t h ”a n di t sc a l c u l a t i o nm e t h o da r ep r o p o s e db y i c o m p a r i n gt h es t r e n g t ho fas h e e ts a m p l ew i t ht h es t r e n g t ho fas p rj o i n t “e q u i v a l e n tw i d t h ”p r o v i d e sg u i d a n c ei nd e s i g n i n gt h ep i t c hi nm u l t i r i v e t e d s t r u c t u r e s 6 t h ep e r f o r m a n c eo fs p rj o i n t si sc o m p a r e dw i t ht h er e s i s t a n c es p o tw e l d e d ( r s w ) j o i n t so ft h es a m es h e e tm a t e r i a l i ti ss h o w n t h a ts p r j o i n t sh a v es u p e r i o r s t a t i ca n df a t i g u ep e r f o r m a n c e t h ed i s p l a c e m e n tt of a i l u r ei ns p rj o i n t si sa l s o h i g h e rt h a nr s wj o i n t s t h e r e f o r e ，s p rj o i n t sc a na b s o r bm o r ee n e r g yt h a nr s w j o i n t s k e yw o r d s ：s e l f - p i e r c i n gr i v e t i n g ，p r o c e s sp a r a m e t e r , h a l f - h o l l o wr i v e t ，d i e ， a l u m i n u ma l l o ys h e e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：砌印是年月才日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 文作：万脚眨新魏俐彬 签字日期：7 即膊月矿日 签字日期：矽移8 年f 月砧日 第一章绪论 1 1前言 第一章绪论 自冲铆接( s p r - - s e l fp i e r c i n gr i v e t ) 工艺的出现是与汽车工业的发展和汽 车带来的能源和环保问题紧密相连的。汽车的发展推动了世界文明的进程，促进 了世界经济的飞速发展，给人类生活带来诸多便利，经过1 0 0 多年的发展，汽车 工业已经成为全球工业的支柱产业，关系着冶金、机械制造、化工、电子、石油、 轻工等行业，关联着商业、运输、旅游、服务等第三产业，带动了整个国民经济 的发展。目前世界汽车保有量约为8 亿辆，预计到2 0 2 0 年全球汽车保有量将达 到1 2 亿辆，主要增幅来自发展中国家【l 翻。 自1 9 7 8 年改革开放以来，我国汽车行业逐渐从计划经济走向市场经济的发 展道路，进入了蓬勃发展的时期【3 】。1 9 8 5 年，中央在“七五”计划建议书中提出 要把汽车工业作为支柱产业的方针，1 9 8 7 年国务院又确定了发展轿车工业来振 兴我国汽车工业的发展战略，确立了我国汽车工业在我国国民经济中的地位和汽 车工业的发展重点，从此我国的汽车工业得到了极大的发展。特别是近年来，随 着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，对汽车的需求愈来愈旺盛，我国 逐步跻身于世界汽车生产大国的行列。2 0 0 0 年我国的汽车产量接近2 0 7 万辆， 位列世界第八位；2 0 0 3 年我国汽车产量为4 4 4 万辆，居世界第四位；2 0 0 6 年， 我国汽车产量为7 2 8 万辆，跃升为世界第三位【3 - 6 1 。 汽车工业的发展，促进了经济的发展，推动了文明的进程，给人们的生活带 来了极大的便利，同时也带来了资源缺乏、环境恶化、破坏生态平衡等问题【7 吲。 因此，节能、安全、环保、舒适、智能成为汽车发展的新技术趋势，尤其是节 能和环保更是关系人类社会可持续发展的重大问题，降低燃油消耗和尾气排放已 经成为汽车行业发展共同关注的焦点。减小汽车自身质量是减少燃油消耗及降低 尾气排放的最有效措施之一。有关研究数据表明，若汽车整车质量降低1 0 ，燃 油效率可提高6 - - 8 。由此可见，伴随汽车轻量化而来的突出优点就是油耗显 著降低。汽车车身约占整车质量的3 0 ，空载情况下，约7 0 的油耗用在车身 质量上，因此车身的轻量化对减轻汽车自重、提高整车燃料经济性至关重要 9 - 1 0 】。 减少车身重量的一个主要途径就是使用轻量化材料【1 1 - 1 剐，人们开始把铝合 金作为轻量化材料的首选。铝的重量轻，比重只有钢铁的1 3 强，而且铝材几乎 可以全部回收，可以重新加工使用，有利于环境保护，有些铝合金材料的物理性 能已与车用钢材相似，具有相当的强度和刚度，成本日趋降低。因此，按照目前 天津大学博： ：学位论文 的技术来实现汽车轻量化，最有效的途径就是采用铝材代替钢材。采用铝合金的 车身可以带来3 0 - - - , 5 0 的轻量化效果 1 9 - 2 0 】，据预测，随汽车技术的发展，到本 世纪中叶，汽车的主要材料将由钢材转为铝材，轿车的平均重量将会减轻3 5 。 铝材应用在汽车上会遇到许多技术上的难题。现有轿车车身大部分的工件都 是用焊接组装，而铝合金的热导率和电导率是钢的3 倍，铝材的焊接要比钢材难 得多；而且铝材点焊焊缝的强度是钢焊缝的1 2 3 2 。3 4 1 ，所以铝材等轻金属的连接 问题成为实现汽车轻量化的关键技术。自冲铆接作为一种适合铝材及轻金属连接 的新型工艺克服了传统铆接效率低、外观差、工艺复杂等问题，可以实现冲铆一 次完成，为汽车车身的制造开辟了新的途径。因此，车用铝合金自冲铆接工艺的 研究具有重要的理论价值和广阔的应用前景。 1 2 自；中f o p 接工艺及其特点 1 2 1 自；中f o p 接工艺 自冲铆接是一个在板料和铆钉之间形成连接而不需要预冲孔的新工艺。一般 使用半空心或实心铆钉先作为冲孔的冲头，而后与被铆接板料一起进行塑性变形 以达到连接的目的 3 5 - 3 8 】。自冲铆接有无铆钉冲铆、实心铆钉自冲铆接及半空心铆 钉自冲铆接几种工艺类型。 ( 1 ) 无铆钉冲铆工艺 如图1 1 所示。首先压边圈先向下运动将被铆接板料进行预压紧，而后冲头 向下运动与凹模共同挤压被铆接板料，使被铆接板料自身相互锁紧呈凸凹口形状 完成铆连接。这种铆接工艺可铆接多层金属材料，铆接时应该注意将硬度高或者 厚度大的金属置于下层，以提高铆接质量。但是它仅适于表面质量要求不高，被 铆接材料硬度在一定范围内能进行塑性变形的金属材料之间的连接 3 9 - 4 1 】。 凹模 图1 - 1 无铆钉冲锣p - r _ 艺【4 2 】 ( 2 ) 实心铆钉的自冲铆接工艺 2 第一章绪论 图1 2 所示为腰鼓形实心铆钉自冲铆接工艺。冲头推动实心铆钉一起向下运 动，铆钉下部的刃1 3 将铆接材料冲掉，从凹模内落下，铆钉到达凹模后停止运动； 随着冲头的继续下行，冲头下端面的凸台将对被铆接材料加压，迫使其发生塑性 变形而向内做径向流动，使其紧紧包住腰鼓形铆钉，从而形成稳定的锁止状态。 这种铆接工艺的被铆接材料必须是能进行塑性变形的金属【4 3 , - 4 4 。 冲头 铆接材料 凹模 图1 - 2 腰鼓形实心铆钉白冲铆接工艺 另一种实心铆钉的自冲铆接工艺见图1 3 ，其铆钉为圆柱形，凹模上有一环 形凹槽。当冲头行至下死点时，下层被铆材料将充满凹槽，铆钉的上端面则产生 “镦头”，从而将两层材料铆接在一起。这种铆接工艺适用于下层是能进行塑性 变形的金属材料，而上层可以是不能进行塑性变形的非金属材料。 冲头恫 凹模 图1 - 3圆柱形实心铆钉的铆接工艺 ( 3 ) 半空心铆钉的自冲铆接工艺 半空铆钉自冲铆接工艺的工艺原理见图l - 4 【4 3 粕】。半空心铆钉被冲头压下时， 铆钉穿透上层板料，并扩张进入下层板料，而后铆钉与下层板料一起扩张，在两 板料问形成一个机械互锁机构，从而完成连接h 卜”j 。 半空心铆钉的自冲铆接工艺在铆接两层相同金属材料时，较厚的放在下层； 铆接两层不同金属材料时，将塑性好的材料放在下层；铆接金属与非金属材料时， 天津大学博： = 学位论文 将金属材料放在下层1 5 2 - 5 4 】。 图l - 4 半空心铆钉自冲铆接工艺 考虑到具体的生产环境，以及三种自冲铆接工艺的特点和连接强度以及应用 材料的性质等，前两种铆接工艺有很多自身的局限性，所以在汽车工业中主要应 用半空心铆钉的自冲铆接工艺。 1 2 2 自冲铆接的主要特点 自冲铆接技术适用于多种材料和合金的连接，尤其是一些电阻点焊连接较困 难的情况。例如：镀锌材料、涂有有机涂料或油漆的材料的连接，或是不同金属 的连接，金属与塑料的连接等。基本要求是底层材料应当是金属且延伸率至少为 1 2 【5 5 1 。 常用的材料主要有低碳钢与低合金钢、镀锌、涂有有机涂层或油漆的钢材、 轻量化材料如铝合金、不同的材料组合如钢与铝合金、铝与镁合金以及塑料与金 属等。 锰碳钢板料适用的厚度为0 5 m m - - 3 o m m ，铆接总厚度可达6 m m 。铝合金 的铆接厚度为6 m m ，在必要的铆接装备辅助下可达l o m m 。 自冲铆接可与粘合剂联合使用，实现粘铆结合。通常情况下，首先使用粘接， 然后使用铆接。粘合剂的使用不会改变基本的铆接操作，可能会影响到参数的设 定与载荷一位移特征。与自冲铆接相比，混合连接的优点在于以连续的接缝代替 点接缝，可以提高连接强度，密封性更好 5 6 - 5 7 。 与电阻点焊工艺相比，自冲铆接工艺主要优点是，连接快速，无需预先打孔， 一步完成，容易实现自动化操作，便于设备进行监控；可用于无法焊接材料和不 同材料的连接；能够连接两层以上的板料；对涂层材料无损害或损害极小；不散 发烟雾和热量，噪音低，符合环保要求；模具使用寿命长( 通常使用次数超过 2 0 0 0 0 ) ；能量消耗低；单侧保持平整等。 4 曰 园 第章绪论 与电阻点焊工艺相比，自冲铆接工艺的主要缺点是，需要较高的压力，这意 味着必须要有安放冲头和铆钉的c 形框架来保持定位精度；仅能用于搭接处与 边缘处连接：存在铆钉消耗品；在凹模一侧形成凸台，限制了自冲铆接在某些情 况下的使用 5 8 - 5 9 。 13 自冲铆接研究的现状 1 9 9 3 年h e n r o b 和奥迪公司第一次把自冲铆接技术用于舆迪a 8 全铝汽车 车身( 圈1 - - 5 ) 的制造，自冲铆接工艺解决了点焊技术不能满足连接性能要求 的问题，克服了疲劳强度不够、铆钉涂层和铝材不相容以及钢铆钉和铝材不相容 等问题，使奥迪a 8 汽车装配工艺提高到一个新水平卧翻。 囱j 5a 8 全铝台金车身1 2 3 “i 许多汽车开发项目都采用了自冲铆接技术作为主要连接方法。除奥迪a 8 外， 还包括p l y m o u t hp r o w l e r 、f r e i g h t l i n e r 载重汽车驾驶室和2 0 0 4j a g u a r 车型等 天津大学博| 学位论文 吲。奥迪公司在a 8 车型上使用约1 4 0 0 个自冲铆钉，而在所有新a u d i a 2 b ”。j 上使用约1 8 0 0 个自冲铆钉进行连接；美洲虎汽车公司也已在x 3 5 0 系列、型 豪华轿车的铝制车身上应用至少3 0 0 0 个自冲铆钉。值得关注的是，2 0 0 4j a g u a r x 3 有2 5 0 个复合连接采用了自冲铆接技术，厚度从18 m m 到9 0 r a m ，其中一些还 配有粘接技术，由1 4 5 个机械手电动伺服铆接系统和5 4 个手动液压铆接系统完 成了3 1 0 0 个自冲铆钉的嵌入工作 2 ”。发展到今天，自冲铆接工艺在美国和德国 汽车车身制造业中已有了较为广泛的应用，生产线现场的照片如图1 - 6 所示。由 自冲铆接技术被迅速地应用可以看出，自冲铆接将有可能代替电阻点焊成为未来 铝制车身的主要连接技术 2 8 - 3 0 】。 图i - 6 自冲铆接工艺在汽车车身制造业的应用” 13 ，1 自冲铆接工艺研究 自冲铆接工艺研究主要包括自冲铆接工艺过程实验研究、自冲铆接工艺参数 研究和数值模拟三部分。 h a h nl m l l e 对自冲铆接做过彻底的研究啪】。建立了试验台，测量了铆接过 程的冲压力应用m s c a u t o f o r g e 有限元程序进行了数值模拟。r p o r c a r o 和 a gh a n s s e n l 6 q 等设计了自冲铆接试验装置( 见图1 - - 7 ) 。该装置由冲头、压边 圈、模具、液压系统及连接件组成。试验时，将此装置安装在i n s t r o n 试驶机 上。试件置于模具和压边圈之间，液压系统将模具推向压边圈，铆接时夹紧试件。 夹紧压力为8 0 b a r ，并且铆接过程保持不变。冲头通过压边圈的中间孔推动铆钉， 试验中进行位移控制，试验结束的时刻通过试验经验来掌握。结束点应该是与铆 钉长度相当的位移点或与约3 5 - - 4 0 k n 的冲压力相对应。试验一旦结束，模具与 压边暇之间的压力立即卸载将试件从装置中取出来。在试验中记录铆接力和冲 头位移。 第一章绪论 圈i 7rv o m a r o 和a o l - l a r a s e n 等设计的自冲铆接实验装置 研究载荷与冲头行程曲线有助于了解铆接过程和控制铆接质量 6 “。自冲铆接 过程初始时由于铆钉和板料之间，板料和板料之间，板料和模具之间都存在间隙， 所以在铆接开始之前存在个通过加压消除间隙的过程。在刺穿上层板料的过程 中，载荷平缓近似线性上升，直到完全穿透上层板料，铆钉腿部进八下层板料。 铆钉腿随着下层板料一起进行变形，在冲头、压边圈和模具的作用下，压力开始 快速上升，在铆钉腿部完全张开以后进入墩锻阶段时，压力开始剧烈增加直到铆 接完成。 研究各种工艺参数对自冲铆连接强度性能的影响，有利于铆接工艺的设计和 工艺参数的优化。文献1 6 3 - “埘不同模具深度下自冲铆接头进行了剪切抽伸测试， 篮现在某一特定模具深度时，自冲铆接头的切向剪脱载荷最大。文献1 6 “研究了铝 舍金板f 11 5 1 a l r n a a 6 0 1 6 + 18 m ma a 5 1 8 2 ) 自冲铆连接中，3 种不同冲头下压位置 的接头连接强度。结果表明，铆钉头部嵌入板件越深，铆接接头的剪脱载荷利拉 脱载荷也就越太。 刑公司在文献”中提出，铆钉的大致睦度等于被铆接板料总厚度加上铆 钉腿部直径的7 5 ，李晓静 6 7 i 等在关于铆钉形状殴计阀题中提出，铆钉头部直径 一般比腿部直径大2 3 r l l m ，头部厚度麻在o5 1 m m ，铆钉总k 度比板料铆接 的总厚度大2 25r n m 为宜，腿部直径比被铆接板料总厚度大i 2 m m ，对铆钉 天津大学博上学位论文 的设计提出了量化标准。 1 3 2 自冲铆接力学性能的实验研究 自冲铆工艺的力学特点决定了铆接质量与板件、铆钉、模具、冲压设备等因 素有关 6 8 】。 在汽车工业中，自冲铆是一个具吸引力的连接技术，特别是对难于进行电阻 电焊的材料。这一工艺适合于机器人应用，但由于需要极高的工作压力，通常的 铆接设备超过机器人的运载能力。因此s a w e s t g a t e 发展了一个轻量的、足够 长的c 型铆接机结构。再加上相关的设备的改进，对于量产汽车零部件及车身 装配，自冲铆工艺适应性的增强已被证明【6 9 】。 图1 - 8c 型铆接机结构【5 9 】 2 0 0 1 年，m a o f e n gf ua n dr k m a l l i c k 对5 7 5 4 铝合金进行自冲铆接时工艺变 量对其静力和疲劳性能的影响等问题进行了探谢7 0 l 。研究了6 个工艺变量，即铆 钉直径、铆钉长度、铆钉硬度、铆钉涂层、板料厚度、及模具凸台高度对铆接 5 7 5 4 铝合金的静力和疲劳性能的影响，提供了试验数据。统计分析了这些变量 对静力和疲劳连接性能的影响。得到的结论是：对l + 1 板料，模具凸台高度对 静拉力影响最大，凸台最高时，强度值也最大；铆钉的涂层、以及铆钉硬度影响 不大。对2 m m 厚的板料而言，铆钉硬度对静拉力有着显著的影响；模具深度和 铆钉长度仅对于l m m 厚的板料有影响，且这两个参数对静拉伸强度都影响不大。 第一章绪论 2 m m 厚试件的峰值载荷较l m m 厚试件的峰值载荷要高。在6 个变量之中，模具 凸台高度对静拉伸强度影响最显著( 5 6 6 1 ) ，然后才是铆钉长度( 8 8 7 ) 和 板料厚度( 6 3 5 ) 。铆钉的涂层和硬度对静拉伸强度影响不显著，而铆钉直径的 影响几乎可忽略不计。在疲劳强度测试中，板料厚度和循环载荷的水平是两个最 重要的影响因素，其它各工艺参数对接头疲劳寿命的影响都很小；l m m 板料试 件的疲劳寿命比2 m m 的疲劳寿命高。 2 0 0 6 年，r p o r c a r o 和a gh a n s s e n 等实验研究了一种准静态加载条件下的 自冲铆连接a a 6 0 6 0 铝合金成型过程。所用的实验试件是用单一的自冲铆钉将两 个u 型金属板料连接在一起制成。这一实验方案着眼于模型重要参数的影响， 如板料厚度、试件的几何参数、金属板材料特征和载荷条件。该方案分为两部分： 第一部分研究板材厚度、材料性能和试件的宽度的影响；第二部分研究上下两层 板料厚度和材料参数在连接过程中的响应。单铆钉试件进行了三种不同的加载方 向的测试，即0 。( 纯剪) 、4 5 。和9 0 。( 纯拉出) ，将作用在铆钉法线和剪 切方向上的力联系起来 7 1 - 7 2 j 。 2 0 0 0 年，g s b o o t h 、c a o l i v i e r 和s a w e s t g a t e 完成了对钢和铝的自冲铆 接接缝与电阻焊接接缝的疲劳测试，并比较了其典型负载耐久曲线。此外，还进 行了0 8 m m 锌涂层钢板的普通接缝与混合接缝的性能比较【7 引。 2 0 0 3 年，m a o f e n gf u 、p k m a l l i c k ，在自冲铆接静力载荷研究基础上，对铝 合金5 7 5 4 和6 1 11 板料的自冲铆接接头进行了疲劳寿命研究，以确定各种工艺参 数对静力强度和疲劳寿命的影响【7 4 】。 在2 0 0 2 年的“a d v a n c e si nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y x v i ”会议文集中 报道了h a n 、l os u l l i v a n 、j m c h e n 和y k c h r y s a n t h o u 等人的一些从三个负 载获得的疲劳破坏试验数据。用标准疲劳试验和扫描电子显微镜来研究试件铆钉 和板料的失败和损坏模式。扫描电子显微镜的研究，显示了破坏初期磨蚀疲劳的 作用，还清楚地显示了板料和铆钉的失效方式【7 5 1 。 2 0 0 3 年，福特汽车公司的r o n a l ds a l z m a n 、w i l l i a mg r y c h 和h a r ia g r a w a l 与工程科技协会的s r e e n i v a s ab o l l i m u n t a 等对铝车身u 型框架的疲劳寿命可靠性 和坚固性进行了c a e 分析，描述了疲劳寿命可靠性和坚固性，并给出了最佳u 型框架设计要求的估计厚度的必然组合【7 6 。 与此同时，福特与美洲虎汽车公司合作采用h e n r o b 铆钉针对自冲铆连接的 疲劳寿命进行了实验研究；并根据实验所得数据，以失效模式为依据预测铝轿车 的疲劳寿命；利用c a e 技术预测铆接整体车身和铆接分总成系统的铆接疲劳寿 命。由使用t 型盒状结构的有效性可以看出，c a e 模拟所得到的关键铆接位置 和疲劳寿命与试验结果相一致【7 7 1 。 9 天津大学博1 学位论文 2 0 0 5 年，i y e r k 、h usj 和b r i t t m a n f l 从实验和理论上研究了单铆钉 和积铆钉5 7 5 4 _ ( ) 铝台金自冲铆接搭接处的疲劳行为。对于单铆钉，实验程序包 括一组厚度分别为l m m 、2 m m 和3 m m 的板科接头的2 7 次循环拉伸测试。大多 数情况下( 8 5 ) ，疲劳裂纹被发现出现在上层板接触面的整个截面中。对于双 铆钉( 安置在两排) ，实验程序在厚2 m m 板料试件的自冲铆接接头进行，由9 次循环拉伸测试组成，铆接方向位置的3 个组合各进行3 次( 见图1 - 9 ) 。发现双 铆钉的疲劳寿命受铆钉方向组合的影响很大。双铆钉接头的单调测试也表现出来 受方向组合的影响。除了实验，还通过三维弹性有限元分析评估了单铆钉接头的 局部应力数值和铆接板料微小滑移。这一分析被应用于解释疲劳裂纹出现位置、 疲劳寿命和磨损破坏严重程度的实验现象”。 璺l 当 ， l - _ 函_ p 图1 4双铆钉铆接形式叫 s u n x i n 、s t e p h e m e l i z a b e t h v 和k h a l e e l m o h a m m a d a 总结了同种和异种板 料自冲铆接头的疲劳测试结构，以及铆接样品的材料等级、材料厚度、刺穿方向 和结构粘合剂应用的影响。疲劳试验结果表明，对于相同材料的连接自冲铆接 接头比接触点焊接头的疲劳强度更高；结构粘合剂的应用也可咀明显提高试件的 疲劳强度，这对于剪切载荷结构明显正确；此外，对于接头的静态和疲劳强度， 自冲铆接头的刺穿方向影响明显p w 。 b “和af a t e m i 将疲劳载荷的波谱空心铆钉剥离测试( c p p r ) 和自冲铆 钉刺离测试( c p s p r ) 应用于铝合金试件，并对具有不同板厚组合的试件进行了 探讨。在相同板料厚度组合下，自冲铆接头的整体疲劳性能优于波谱空心铆钉试 件，疲劳裂纹出现的位置和发展路径取决于钢板厚度组合删。 自冲铆接单措接接头的5 7 5 4 铝合金板料蘑蚀疲劳特征的研究“”。实验结果 表明，磨损发生在接头的三个不同位置。可以确定磨损导致了表面的冷作硬化和 裂纹葫生还有早期裂纹扩展。在磨蚀疲劳的作用下高应力集中传播倾向粗糙表面 导致裂纹在铆接后板料的便面萌生。破坏的深度取决于所应用的载荷和循环时间 第章绪论 决定的磨损。硬度度量允许通过磨损破坏的深度来评估。观集这些结粜来有效地 联系裂纹扩展的长度。 k ， 图1 t o 拉伸测试所得失效试件 133 自冲铆接的有限元模拟 因为不受设备和工艺水平的影响，数值模拟已经成为自冲铆接研究的重要手 段，有限元方注可| 三【应用于自冲铆接过程的研究”。瑞士研究院的k e n - i c h i r o 等 对自冲铆接过程进行了模拟分析i 洲】结果表明铆钉裂纹的产生是由应力和应 变值过大造成的：2 0 0 6 年，g a r d s t a m , j o h a n n e s 就铆接过程的大变形和模拟软件 的应用进行了阐述”。2 0 0 7 年，荷兰学者sf a y o l l e e ob o u c h a r d 也着眼于自 冲铆接过程与实验的对比研究”“。 2 0 0 3 年，c a c k o ，r ，c z y i e w s k i ，e 通过有限元方法模拟s p r 工艺，用来研究 板料之间的不同的流动应力对变形行为的影响”“”j 。日本学者y a b e a 和k a t o 等 通过有限元方法模拟s p r 工艺，用来研究板料之问的不同的流动应力对变形行 天津大学博l 学位论文 为的影响。计算采用l s - - d y n a 软件，基于轴对称变形的假设，板料和铆钉划分 为四边形单元，并且假定模具、冲头和压边圈都是刚性的。模拟时模具和板料之 间的摩擦系数为0 2 ，板料压边力为59 k n ，冲头速度为2 5 0 0 m r n s 。板料和铆钉 性能参数见表i l 。 表1 i 板料和铆钉性能参数 厚度o o h 6 f 值n 值维氏 材质 【m m ) ( m e a l( m p a )( 蛳( m p a )硬度 铆钉碳钢 _ 1 9 9 500 1 45 0 5 锅台金 102 0 52 5 88 23 7 90 1 2 8 l a 5 0 5 2 一1 52 l i2 5 89 93 6 60 i l8 0 h 3 42 01 9 62 4 4 9 33 6 5 0 1 1 7 5 板料 082 5 l3 2 8 3 6 4 5 5 80 2 0 1 1 1 软钢l21 9 22 8 43 8 95 1 90 2 5i s p c c 1 62 5 73 1 53 4 15 0 30 1 71 0 7 2 02 6 93 1 53 104 8 10 1 51 1 4 矮零霹 每每警静 ( | ) f = 0 伽血嘞铲l 舒叫( c ) 瞄3 衄 油一岫 图1 1 i自冲铆接过程模拟 2 0 0 6 年，r p o r c a r o 和a gh a n s s e n 等使用l s - - d y n a 商用有限元软件模拟 了自冲铆接工艺。对6 0 6 0 铝合金试件和铆钉进行了材料实验，获取了材料参数。 因为是轴对称问题，所以便用4 节点2 维轴对称单元。冲头、压边圈、模具设为 刚性体，而铆钉和板科是弹塑性材料，它们服从v o nm i s s e s 准则和p i e c e v i s e 线 性吾向同性的应变硬化规律以及与塑性范围相关的流动规律；接触采用l s d y 所用的自动2 维单平面罚函数法。研究了网格密度对解的敏感度，得到了 减少自适应步长，数值解更准确的结论：研究了摩擦问题，摩擦值越大，接触力 越大，上板料的大部分变形倾向于跟随铆钉腿部的变形。通过与实验的对比( 图 1 1 2 ) 证明了数值模拟的准确性。 自冲铆过程的数值模拟中的关键技术是上板材料分离的单元处理。由于 第章绪论 k i a e z r i 等采用单元删除法来处理有限元模拟中的板材分离问题不 日造成较大的 计算误差，且收敛性差，计算容易中断经常需要人为干预。文献【”删通过对自 冲铆连接过程中材料失效行为的研究，提出用最小厚度准则来处理自冲铆有限元 模拟中的材料分离问题，较好地实现了高强钢连接以及铝台金板连接过程的模拟 计算】。 圈矮事u 嘲闷神 e 疆霉耍 尸题藕两两司田谭 0 西三匿，霭 圈1 1 2 铆接敬粜的实验与模拟埘比 目前我国对自冲铆接的研究仅为起步阶段，尚未在生产中得到廊用。从2 0 0 3 年开始天津大学的李双义、张连洪教授及刘瑞军、李晓静进行自冲铆接技术的研 究m ”6 2 6 7 斯瓤”】，阐述了自冲铆接技术的概念、类型、工艺原理咀及自冲铆接技 术在汽车车身制造中的应用，对自冲铆接工艺过程进行了初步的探索。同年，姜 鸿澎对自冲铆接增加结合点的疲劳寿命的问题进行了综述p ”。2 0 0 6 年，清华大 学机械工程系先进成形制造重点实验室的岁渡、都东和常保华口q 等借助有限元方 法模拟了1l5 m m a a 6 0 1 6 t 4 板+ l5 m m a a 5 1 8 2 0 板自冲铆接头成形，研究了冲 头和模具的受力变化、铆扣的形成以及板件翘曲变化情况，对冲头载荷急剧增加 的关键因素进行了分析，得到了计算结果与实验结粜一致的结论。华东交通大学 的黄智超，综述了板料连接技术进展，介绍了半空心铆钉自冲铆接、实心铆钉 自冲铆接、无模铆冲连接、有模铆冲连接、液压铆接等技术的工作原理，比较各 种连接技术的优、缺点。 综上所述，自冲铆接技术是在近几年才发展起来的适用于铝台金等轻金属的 连接咀及不同金属之间连接的新工艺，与传统的车身连接工艺电阻点焊相比缺乏 天津大学博：jj 学位论文 理论研究基础和应用经验。目前研究和实验主要集中在欧美工业技术发达的国 家，我国的研究还刚刚起步。虽然一些学者对上述问题进行了多方探讨，但是在 铆接工艺和铆接接头连接性能方面，还缺乏系统、深入的研究。对自冲铆接过程 和接头的力学性能进行系统的实验和计算机模拟，是该项技术发展的迫切要求， 也是汽车轻量化的关键所在。 1 4 本文主要研究内容 在综合分析国内外自冲铆接技术发展状况的基础上，针对半空心铆钉自冲铆 接技术，以6 0 6 3 铝合金板材为研究对象，综合研究了铆接过程和铆接接头的力 学性能。论文研究内容如下： 1 阐述自冲铆接技术研究的背景和意义，综述自冲铆接工艺的特点和概念， 论证半空心铆钉自冲铆接技术研究的必要性。 2 半空心自冲铆接工艺参数设计。探讨工艺参数的设计原则，提出模具、 铆钉和板料的主要工艺参数的设计方法，确定板料厚度、模具和铆钉的合理匹配 关系。 3 半空心铆钉自冲铆接工艺过程的研究。设计自冲铆接实验系统，通过铆 扣剖面和铆接力和冲头位移的关系研究铆接过程各个阶段铆钉和板料的变形受 力情况，应用有限元技术仿真铆接工艺过程。 4 工艺参数对铆接过程和铆接表观质量的影响。探讨表观质量评价的方法 和参数，应用实验和数值模拟相结合的方法，研究模具、铆钉及板料厚度等主要 工艺参数对铆接载荷的影响，通过截面观测研究不同工艺参数条件下的铆接质 量。 5 自冲铆接接头的静态力学性能研究。通过实验和有限元模拟，研究模具、 铆钉和板料的工艺参数在剪脱和拉脱两种板料连接状态的拉伸条件下的力学特 性和失效行为，并与点焊进行比较，探讨铆钉在板料连接中的排布密度问题。 6 自冲铆接接头疲劳实验研究与参数分析。研究铆接接头疲劳失效形式， 对比研究铆接和点焊的疲劳寿命，定量分析自冲铆接主要工艺参数对疲劳寿命的 影响水平。 1 4 第- 章半空心铆钉自冲铆接工艺参数设计 第二章半空心铆钉自冲铆接工艺参数设计 自冲铆接工艺的研究内容主要是工艺参数的确定。它的力学特点决定了铆接 质量，与板料、铆钉、模具、冲压设备等因素有关【矧。影响自冲铆接性能的主要 工艺参数如图2 1 所示。研究自冲铆接的各种工艺参数的选择与设计，有利于铆 接工艺的优化。 图2 1自冲铆接的主要工艺参数 2 1工艺参数的设计原则 在理论上，为了确保铆接质量达到最佳，当铆接完毕后，铆钉应完全进入板 料，铆钉头部上表面应与上层板料的上表面平齐；而铆接截止时，应正好使模腔 充满，这种铆接状态是“镦实”状态。如果依此确定设计原则，则模腔的体积应 与铆钉的体积完全相等。这种设计方法将会导致一种模具、一种板料厚度组合与 一种型号的铆钉的一一对应关系，即“一模一用”。在实际应用中，为了减化工 艺，降低成本，往往是用同种模具，对应使用两种或两种以上型号的铆钉，以 天津大学博十学位论文 铆接不同组合厚度的板料；模具和铆钉的同一种组合，亦可铆接两种不同组合厚 度的板料，因为只要“铆牢”即可，不一定“镦实”。 一般而言，如铆接某种组合板料，首先根据板料选用铆钉，其中包括铆钉的 直径和长度，然后在选用或设计模具。 2 2 铝) p 车- j - 尺寸的选择 半空心自铆铆钉的大体形状为：铆钉头部为平顶倒圆台，铆钉腿部为中空圆 柱形，尾部有圆角( 见图2 2 ) 。根据国外自冲铆接中所使用的铆钉的尺寸参数的 系列3 1 4 3 1 ，可知确定一个半空心自冲铆