（车辆工程专业论文）半空心铆钉自冲铆接工艺的研究.pdf

中文摘要天津人学硕士学位论文 摘要 汽车的发展对汽车的经济性要求越来越高，而降低汽车自重是提高汽车经济性的 重要措施之。若要降低汽车自重，使用轻量化材料( 如铝、塑料等) 有很大的发展 潜力；而轻量化材料的连接又不能使用传统的焊接方法。本文探讨- ： o o 新的连接方 法一半空心铆钉的自冲铆接工艺。 首先用试验探讨了半空心铆钉自冲铆接工艺的可行性。采用自行设计和加工的模 具，自行设计和加工的3 种规格的铆钉，采用w e 一3 0 万能材料试验机和自行配制的数 据采集系统，对1 丌1 口铝+ 2 r n m 铝、0 4 m m 黄铜+ 2 r a m 铝、l m m 铝+ 1 m m 铝、0 4 m m 黄铜+ l m m 铝和2 m m 铝+ 2 m m 铝5 种板料组合方案进行了试验和测试。测出了铆接过程中的行 程一铆接力的关系曲线：对铆接的效果进行了分析和评价；找出了影响铆接质量的冈 素；提出了为取得良好铆接质量而设计的修正方案。 其次，分别利用d e f o r m 和m s c s u p e r f o r m 两个数值模拟软件对铆接过程进行了 数值模拟，将两个数值模拟软件的模拟结果与试验结果进行了比较：由此看出， l s c s u p e r f o r m 模拟软件，无论是前处理过程，还是计算速度以及与试验结果的逼真 度，都远优于d e f o r m ，因此，采用m s c s u p e r f o r m 软件更适合于模拟自冲铆接工 艺。 本文还对自冲铆接工艺进行参数化的数值模拟进行了探索。 本课题的研究填补了困内研究的空白。 关键词：汽车轻量化连接工艺自冲铆接数值模拟参数化 a b s t r a e t a b s t r a c t f u e le c o n o m yi sae v e r l a s t i n gi s s u eo ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y l i g h t w e i g h to ft h ea u t o m o b i l ei so n eo f t h ei m p o r t a n tm e a s u r e s t h ea p p l i c a t i o no f l i g h t w e i g h tm a t e r i a l sf s u c ha s a l u m i n u ma n d p l a s t i ce t c ) i se x p e c t e dt os h o ws i g n i f i c a n te f f e c to nr e d u c i n gt h ew e i g h to f a u t o m o b i l e s l i g h t w e i g h tm a t e r i a l sa r eg e n e r a l l yn o ts u i t a b l et or e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，i n t h i sp a p e r ，an e w j o i n i n ga p p r o a c h s e l f - p i e r c i n gr i v e t i n go f h a l f - h o l l o wr i v e t s ，i si n v e s t i g a t e d f i r s t l y ，t h ef e a s i b i l i t yo fs e l f - p i e r c i n gr i v e t i n go f h a l f - h o l l o w r i v e t sw a s e x p e r i m e n t a l l y v a l i d a t e d i nt h ee x p e r i m e n t s ，f i v ek i n d so fs p e c i m e n s ( 1 - m mt h i c ka l u m i n u mf o r2 - m mt h i c k a l u m i n u m o 4 一m mt h i c kb r a s sf o r2 - m mt h i c ka l u m i n u m 1 - l m nt h i c ka l u m i n u mf o r1 一n l mt h i c ka l u m i n u m ，0 4 一m mt h i c kb r a s sf o r1 - m mt h i c ka l u m i n u m ，a n d ，2 一m mt h i c ka l u m i n u mf o r2 一 r i mt h i c ka l u m i n u m ) w e r et e s t e do naw e 一3 0t e s t i n gm a c h i n ew i t hd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ， d i e sa n d3k i n d so fr i v e t sw e r ed e v e l o p e db yo u r s e l v e s d i s p l a c e m e n t - l o a dc u r v ei nt h er i v e t - i n gp r o c e s sw e r eo b t a i n e d ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d f a c t o r sa f f e c t i n g t h er i v e t i n gq u a l i t ya r ea n a l y z e da n da na m e n d e ds c h e m et oa c q u i r eh i g h q u a l i t yr i v e t i n gr e s - u l t si sp r o p o s e d s e c o n d l y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e du s i n gd e f o r m a n dm s c s u p e r f o - r ms o f t w a r et os i m u l a t et h er i v e t i n gp r o c e s ss e p a r a t e l y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i n gr e s u l t s 谢mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tm s c s u p e r f o r mi sp r i o rt o d e f o r mi np r e p r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i n gs p e e d t h es i m u l a t i n gr e s u l t so fm s c s u p e r f o r ma r ea g r e e dt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ti sf e a s i b l et ou s em s c s u p e r f o r mt o s i m u l a t et h er i v e t i n gp r o c e s s f i n a l l y ，p a r a m e t r i cm o d e l i n gs c h e m eo fs e l f - p i e r c i n gr i v e t i n go fh a l f - h o l l o wr i v e t si sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：l i g h t w e i g h to f c a rb o d y ；j o i n i n gt e c h n o l o g y ；s e l f - p i e r c i n gr i v e t e d j o i n t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p a r a m e t r i cm o d e l i n g 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，也不包含为获得鑫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：李i 采带 签字f 期： 伽f 年f 月忙同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂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) 学位论文作者签名：鸯睐耩导师签名 签字同期：如。j 年1 月1 4 - 日 签字同期：例年r 其7 第一章绪论天泮人学硕十学何论文 1 1 引言 第一章绪论 汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着汽车工业的发展，对汽车 经济性要求越来越高，而降低车辆重量是其重要措施之一。为了降低汽车重 量，办法之一就是使用轻型材料，如铝、塑料等材料。这些材料之间的连接 用传统的焊接方法有很大的局限性，甚至不可行。自冲铆接作为一种很有潜 力的连接工艺是解决问题的行之有效的方法。本文介绍了用半空心铆钉进行 自冲铆接铝板的试验，对试验结果进行了分析，并对铆接过程进行了数值模 拟；通过试验对铆接过程有了更深刻的认识，初步确定了影响铆接质量的主 要参数：通过模拟对影响铆接质量的参数进行了初步优化；搜集和掌握数 据，积累经验为自冲铆接更深一步研究奠定基础，从而为推广自冲铆接，适 应汽车工业和其他工业的发展奠定基础。 1 2 汽车制造业面临的问题 世界汽车工业面临着三大问题：能源、公害和安全，汽车技术的发展主 要是围绕这三大问题进行的。其中，能源问题尤为突出。自从1 9 7 3 年发生 第一次世界石油危机以来，能源问题便更为突出的提到议事同程上来了。节 约能源首先是提高汽车的燃油经济性。汽车运行需要耗用大量的燃油，而油 耗与汽车的总重量密切相关。汽车的总重量由两个因素组成，即载荷和车辆 自重，其中载荷是目的，是有效重，车辆自重是无效载荷。为了降低燃油消 耗、提高车辆的使用效率，降低汽车自身重量是重要措施之一。实践证明， 通过降低汽车自重可使汽车的很多性能得到改善和提高，并明显改善经济 性。通过对某轿车轻量化效果的调查发现，当整车质量降低1 0 时、燃油经 济性提高3 8 ，加速时间降低8 ，c o 排放减少4 5 ，刹车距离减少j ，轮 胎寿命提高7 ，转向力减少6 。可见，汽车轻量化的重要性。 现代汽车的结构材料以金属为主，而金属材料以钢、铁等黑色会属为 主，钢铁之所以迄今仍是主要材料，不仅是由于其使用性能和工艺性兼优， 更由于其资源特别丰富和价格低廉。密度仅为铁的三分之一的轻金属铝在二 十世纪六十年代产量超过了铜，成为第二金属。它是制造现代汽车零件很理 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着汽车工业的发展，对汽车 经济性要求越来越高，而降低车辆重量是其重要措施之一。为，峰低汽车重 量，办法之就是使用轻型材料，如铝、掣料等材料。这些材料之削的连接 用传统的焊接方法有很大的局限性，甚至不可行。自冲铆接作为一种艰有潜 力的连接工艺是解决问题的行之有效的方法。本文介绍了用半空心铆钉进行 自冲铆接钒板的试验，对试验结果进行了分析，并对铆接过程进行了数值模 拟；通过试验对铆接过程有了更深刻的认识，初步确定了影响铆接质量的主 要参数：通过模拟对影响铆接质量的参数进行了初步优化；搜集和掌握数 据，积累经验为自冲铆接更深一步研究奠定基础，从而为推广自冲铆接，适 应汽车工业和其他工业的发展奠定基础。 1 2 汽车制造业面临的问题川” 世界汽车工业面临着三大问题：能源、公害和安全，汽车技术的发展主 要是围绕这i 大问题进行的。其中，能源问题尤为突h 。自从1 9 7 3 年发牛 第一次世界石油危机以来，能源问题便更为突出的提到议事日程上来了。节 约能源首先是提高汽车的燃油经济性。汽车运行需要耗用大量的燃油，而油 耗与汽车的总重量密切相关。汽车的总重量由两个因素组成，即载荷和车辆 自重，其中载荷是目的，是有效重，车辆自重是无效载荷。为了降低燃油消 耗、提高车辆的使用效率降低汽车自身重量是重要措施之一。实践证明， 通过降低汽车自重可使汽车的很多性能得到改善和提高，并明显改善经济 性。通过对某轿车轻量化效果的调查发现，当整车质量降低1 0 时、燃油经 济性提高38 ，加速时间降低8 ，c o 排放减少4 5 ，刹车距离减少j ，轮 胎寿命提高7 ，转向力减少6 。可见，汽车轻量化的重要性。 现代汽车的结构材料以金属为主，而金属材料以钢、铁等黑色会属为 主，钢铁之所以迄今仍是主要材料，不仅是由于其使用性能和工艺性兼优， 更由于其资源特别丰富和价格低廉。密度仅为铁的三分之一的轻盒属锚在二 i 世纪六十年代产量超过了铜，成为第二金属。它是制造现代汽车零件很理 十世纪六十年代产量超过了铜，成为第二金属。它是制造现代汽车零件很理 第一章绪论天淖人学硕十学位论文 想的材料。在汽车制造业中，一个新的观念已逐步形成，即汽车轻量化技 术，于是出现了以轻质铝和塑料取代一部分钢铁材料的大趋势。轻合金的发 展及其在汽车工业中的应用，逐步影响到现代轿车的材料构成，据8 0 年代 初统计，由于扩大了轻金属和塑料的应用，欧洲轿车用铸铁件由2 0 下降到 1 5 ，美国由1 8 r f 降到1 4 。以美国通用汽车公司为例，1 9 8 5 年与1 9 7 7 年 相比，每辆轿车用的铸铁件减少约4 9 ，钢铁减少2 6 ，铝合会增长近6 0 。 世界轿车材料总的构成比例约为：钢材6 2 5 ，铸铁7 5 ，铝合金3 7 5 塑 料及合成材料1 0 ，其他1 6 2 5 。像日本这样的缺乏原材料和受到电价上涨 限制的国家，铝合金的应用更是在不断增长。 汽车制造业的主要装配工艺是电阻焊( 点焊) 和c o ：气体保护焊，在大 批量生产中这些工艺证明是可靠的；但对于薄铝板的连接，点焊是很困难 的，而且需要的能量大，而对于塑料连接，焊接更是不可用的工艺方法。点 焊连接铝板之所以困难是因为铝的高热传导性、低熔化范围和易形成氧化膜 ( 污染点焊铜电极术端，减少末端使用寿命) 。焊接工艺产生烟雾和污溅， 影响安全性和工作环境的清洁。所以铆接工艺是连接这些材料的可行工艺。 而原有的铆接工艺都需要对被铆接材料进行预冲孔，而后再用铆钉进行连 接，这样使铆接工艺复杂，铆接后外观差，铆接效率低，限制铆接工艺的自 动化发展，因而有很大的局限性。自冲铆接，顾名思义，是实现冲铆一次完 成，克服了传统铆接工艺的弊端，为汽车车身材料的连接开辟了新途径。 我国汽车目前使用铝合金仍较少，与世界水平相比差距较大，这既有历 史原因，又有装备和技术等方面的限制。我国汽车工业扩大轻金属铝的应用 契机是当前轿车的发展。为使国产轿车尽快达到当代世界水平，每辆轿车使 用铝零件的份量必须增加。 1 3 自冲铆接的研究及发展现状3 7 3 自冲铆接是一个在板料和铆钉之间形成连接，不需要预先打孔，而是把 所使用的半空或实心铆钉作为冲孔工具的一种高速机械连接工艺。 1 自冲铆接优点 自冲铆接基本上是一个冷成型而且比较安静的过程，不产生烟雾和污 溅，比焊接所需要的能量少。铆接过程简单，一步完成，因其是机械连接而 不是熔化，故可用于多种原料的连接。总之，自冲铆接具有如下优点： ( 1 ) 过程简单，一步完成且不需要预先打孔。 第一章绪论天津大学硕士学位论文 ( 2 ) 连接快速，可实现机械化自动化。 ( 3 ) 适合于许多不同原料间的连接( 包括不同材料和不同厚度) ( 4 ) 对于有涂层的材料无损害或损害极小。 ( 5 ) 使连接两个板料成为可能。 ( 6 ) 不散发烟雾和热量，噪音低。 ( 7 ) 所使用的工具寿命长。 ( 8 ) 能量消耗低。 ( 9 ) 可用过程监测设备进行监测。 ( 1 0 ) 抗疲劳性能好。 ( 11 ) 可以和其他工艺如粘接结合形成混合连接。 2 自冲铆接工艺类型及过程 根据铆接所用铆钉形状不同，铆接过程及铆接所用设备也有所不同。 2 1 无铆钉自冲铆接工艺4 3 这种铆接工艺不使用铆钉，且仅适合表面质量要求不高，被铆材料 的硬度在一定范围能进行塑性变形的金属与金属之间的连接。如图1 1 所示。 图卜1 无铆钉自冲铆接工艺 铆接过程：首先压边圈先向下运动，将被铆接材料进行预压紧，而 后冲头向下运动与凹模共同挤压被铆材料，使被铆接板料产生塑性变形 相互锁紧呈凹凸口形状。 这种铆接工艺可铆接多层金属材料，铆接时应注意将硬度高或厚度 大的金属放在下层，以提高铆接质量。 2 2 实心铆钉的自冲铆接工艺“1 实心铆钉白冲铆接工艺所用的铆钉有两种。 第一章绪论 天津人学硕十学位论文 2 2 1 腰鼓形铆钉 使用这种铆钉进行铆接，铆钉的嵌入与板料等高，差不多完全充满 其初始形状。如图1 2 所示。 图卜2 腰鼓形实心铆钉的铆接工艺 铆接过程中冲头推动实心铆钉一起向下运动，铆钉下部的刃口将铆接材 料冲掉，于凹模内落下，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铆接材料加压，迫使其发生塑性变形而向内作径向流 动，使其紧紧包住腰鼓形铆钉，从而形成稳定的锁止状态。这种铆接工艺如 同“咬口”铆接一样，被铆接的两层材料必须是能进行塑性变形的会属与会 属间的连接。由于有被冲下的材料，所以这种铆接设备的凹模内应没计废料 排出7 l ，以便排除废料。 22 2 圆柱形 p p t t 铆钉形状非腰鼓形，而为圆柱形。凹模上有一环形凹槽。如图1 3 所 不。 图13圆柱形实心铆钉的铆接工艺 4 第一章绪论天津大学硕十学位论文 铆接过程当冲头行至下死点后，下层的被铆接材料将充满凹槽，而铆钉 的上端面则产生“镦头”，将两层材料铆接在一起。这种铆接工艺适用于下 层材料要能塑性变形的金属材料，上层允许为不能塑性变形的非金属材料。 使用实心铆钉铆接时应遵循以下原则：铆接两层相同材料的会属时，较 厚的放在下层；铆接两层不同材料的金属时，硬度高的材料放在f 层：铆接 非金属材料时，要将非金属材料放在上层，将金属材料放在下层。 23 半空心铆钉的自冲铆接工艺o ”1 半空心铆钉自冲铆接过程如图卜4 所示。 罾茹 图卜4 半空心铆钉的自冲铆接工艺 铆接过程如下： ( 1 ) 兴紧 压边圈和凹模用预紧力将板料夹紧。 ( 2 ) 冲裁 用冲头把铆钉压入上面板料，当穿入上面板料时，铆钉胫充当了个 冲头的角色，同时也部分穿入下面板料，直到遇到凹模的反作用力。 ( 3 ) 扩张 随着下面板料流入凹模，铆钉胫也开始向外扩张，通过下拉产生塑性变 形，凹模形状迫使铆钉环形部分进入板料内，铆钉环形部分产生塑性变形并 起封头的作用，从而在上下板料之间形成一个牢固的机械互锁结构。 铆钉不应穿透下面板料，上面板料被剪断的金属块填充在下面板料和铆 钉之间，故而产生了一个紧密的连接。 这种铆接工艺所遵循的原则：1 ) 铆接相同材料金属时，应将较厚的放 在下层，铆接两层不同金属材料时将塑性好的放在下层；2 ) 铆接金属与非 第一章绪论天津大学硕十学位论文 会属材料时，应将金属材料放在下层：3 ) 铆接三层金属材料时，应将塑性 好的放在中间。 考虑到汽车制造业自身的特点，三种铆接工艺相比较，前两种铆接工艺 有很多局限性，因此，在汽车轻量化生产中大多使用半空心铆钉进行白冲铆 接。 3 自冲铆接工艺与点焊工艺的比较。1 由于汽车的特有使用环境，就要求制造质量有较高的疲劳强度。而自冲 铆接工艺连接质量的抗疲劳强度明显优于焊接工艺。两种连接工艺的比较如 表卜1 所示。 表卜1 自冲铆接与焊接的比较 适用标准自冲铆接点焊 连接类耻 机械方法，无热量转换，通过压力变形连 有热量转换，通过金属 多种材质 可以只适合复合钢材 非金属材料 可以不可以 镀层金属可以 不可以 视觉效果光滑 不光滑 密封效果 好一般 连接层数 2 - 4 层2 层 连接金属最大厚钢材与钢材6 m m ( 总厚度) 铝与铝 约6 m m 静麻力低 高 模具寿命1 0 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 0 2 5 0 0 效率( 次分)2 0 6 0 2 0 4 0 安装 液压、气动 压缩兰；! 气+ 电流+ 水 能量消耗 小人 场地要求 小人 环境影响基本无 产生烟雾平污溅 4 自冲铆接工艺的发展现状侧 自冲铆接是汽车工业用于金属板料连接的一种比较新的工艺，由于它优 于点焊铝合金的优势，其工艺应用正在快速增加。例如奥迪公司在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 上使用约1 8 0 0 个自冲铆 钉+ ：美洲虎汽车公司也已在x 3 5 0 系列、x j 型豪华轿车的铝制车身上应用至 第一章绪论天泮大学硕十学位论文 少3 0 0 0 个自冲铆钉，u k 系列也将陆续应用；沃尔沃汽车公司不但有自己的 自冲铆接车辆生产线，还建成自冲铆接设备和铆钉生产线。在中国，自冲铆 接技术应用在汽车生产工艺中的汽车厂家很少甚至没有。 自冲铆接技术的研究在国外也是近几年才发展起来的，因此，对连接工 艺过程的有关数据掌握有限，使设计和应用还有很多限制，丌发适于大批量 生产的设备和质量保证还有困难。在我国对自冲铆接的研究几乎处于空白阶 段。 1 4 选题背景和意义 汽车工业是支柱产业，它的发展可以带动许多行业的发展。在当今经济 全球化的年代，不管是哪一个行业，要想站稳脚跟，就要增强在世界上的竞 争力，汽车工业也不例外。尤其是我国加快了改革步伐，加入w t o 之后， 在不远的将来，关税以及其他的保护国内基础薄弱产业的政策必然要取消， 如果在这之前我国汽车工业还没有缩短与世界汽车水平的距离，将会毫不留 情的被击垮。作为支柱产业的汽车工业垮了，必然使其他许多行业遭殃。 汽车工业的发展，经济性是一个很重要的问题，尤其是各国对节约能源 和环保越来越重视，制造经济性的汽车，已成为各国汽车工业相互竞争的主 要手段和措施。要想制造经济性好的汽车，减轻汽车自重是重要措施；为了 降低汽车白重，采用轻量化材料是必然趋势。经过实践并结合实际情况，轻 金属铝是合适的材料。国产汽车上轻量化材料用量还很低，这直接影响油耗 和车辆重量的降低，因此我们应向国外学习，结合我国实际情况，为汽车工 业的发展献一份力。 铝制车身的连接使用传统的连接工艺有很多弊端，因此近几年发展起来 了一种新的优于点焊工艺的自冲铆接工艺。我们选择此课题，希望通过我们 的研究，对自冲铆接工艺过程产生一个比较详细的了解，同时搜集数据，总 结经验，以便对未柬的研究以及生产实践起一定的参考和指导作用。 1 5 课题的主要研究内容和研究方法 自冲铆接技术在实际的生产应用中存在着极大的潜在优势，但仍存在着 许多问题有待于我们进一步研究。例如，自冲铆接工艺的工作特性：各种工 艺参数对自冲铆接质量的影响；自冲铆接设备及模具的设计：月发适用于大 批量生产的设备及相关的工艺质量保证体系等等。 第一章绪论天津火学硕七学位论文 本课题研究内容及方法主要是： 1 设计并加工自冲铆接不同尺寸的试验模具和铆钉，确定试验方案； 按照试验方案进行自冲铆接试验，采集试验数据并进行整理；取得相关工艺 参数和力能参数并加以分析之。 2 应用模拟软件对铆接过程进行数值模拟，通过对不同工艺参数的模 拟结果的分析以及与试验结果的对照，确定适合于该铆接工艺的模拟软件： 在试验和模拟的基础上，找出铆接质量的影响因素，提出改进措施。 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验天津人学硕十学位论文 2 1 引言 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验 国内对于自冲铆接的研究处于空白阶段，本研究是对自冲铆接的初步研 究和探讨。故本章洋细地描述了进行自冲铆接试验的情况，包括对铆钉和凹 模尺寸的确定，试验进行的过程，对试验结果的处理及分析等。 2 2 自冲铆接模具的设计 2 2 1 铆钉和凹模形状的选择及尺寸的确定 1 ) 铆钉形状和尺寸的确定 参考国外自冲铆钉标准【_ 7 】 8 】，作为工艺试验，我们尽量选用较简单的铆 钉外形。确定铆钉外形为：杆部为半中空圆柱，铆钉头部为平顶倒圆台，且 所有铆钉头部直径相同。因试验是一个摸索过程，同时考虑到实际加工条件 的限制，所以铆钉尺寸选用较大的，以便于加工。铆钉头部平顶倒圆台直径 较大便于铆钉均匀地受到冲头的冲压力，铆钉头平顶倒圆台直径不随铆钉直 径改变，是因为铆钉的放置是靠压边圈的内孔定位的，等直径的设计可以避 免加工不同尺寸规格的压边圈，以便试验时用一套模具定位对中。在实际生 产中，为了防腐蚀，铆钉表面可加涂层。铆钉的形状、尺寸见图2 1 所示。 2 ) 凹模形状和尺寸的确定 参考文献 9 ，选定凹模大致形状和尺寸。考虑到实际加工条件的限 制，凹模直径巾1 4 和凹模深度2 5 都为不变值，以使试验简单。实际上若 保证铆接质量较好，这两个值应随被铆板料厚度不同和铆钉直径不同而改 变。由于本试验用到三种不同规格的铆钉，所以根据铆钉尺寸的不同设计了 两种不同尺j 的凹模，两种规格的凹模尺寸大体相同，主要不同在于尖端高 度t 和内联接圆直径d 。凹模形状尺寸见图2 2 。由于凹模规格a 1 的内联接 圆d 直径较大，在进行试验时，先进行前两组试验，然后将凹模拆下，送去 再加工，经过二次修模之后，凹模尺寸达到规格a 2 的要求，然后再进行下 面的试验。 由于实际加工条件的限制，凹模实际的加工结果不能完全符合图纸的要 第二章半空心铆铝的自冲铆接试验天津火学硕十学位论文 求( 见图2 3 ) 。在凹模的尖端出现了不符合设计要求的平台，在尖端与底 圆的过渡连接处有突出，不平滑。但鉴于铆钉在压入凹模后的总体变形趋势 是向外扩张的，所以上述缺陷对试验的结果影响不会很大，可以用于试验。 制件材料：3 5 号铜硬度4 8d h v 图2 1 铆钉规格 晒1 4 广 i 爿 坳 纵i | 么么么df i 柑l 咧)( 编号d七 a 15 7 70 1 a 24 2 7 0 曲1 1) 图2 - 2 凹模规格 图2 - 3 凹模实际加工结果 f 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验 天津人学硕士学位论文 2 2 2 模具的总体设计和加工 根据现有的试验设备进行模具的设计。试验使用的是实验室现有的万能 试验机w e 3 0 和数据采集系统。鉴于该模具用于工艺试验，尽量选择较简单 的设计。本研究所设计和使用的试验模具见附图。 1 模具的安装 将模具各零件按图纸要求装配好后，先将上模板1 固定在压力机上，将 下模板1 4 放置在压力机工作台上但不固定，运行压力机，当导柱8 导套7 相互嵌入、接着冲头4 可以平稳进入压边圈1 3 中心孔后将压力机停止，此 时再将下模板固定在工作台上，即可保证冲头与凹模的对中。 2 定位装置 冲压工艺主要是利用冲头进行的，这就要求冲头的强度足够高、固定牢 固、对中性好。为便于加工，利用固定在上模板上的冲头固定板6 固定冲 头，同时利用两个定位销5 保证冲头的对中。 压边圈1 3 的主要作用是在白冲铆接的过程中压紧板料，避免板料在白 冲铆接的过程中由于受到较大的冲压力而产生卷翘变形。同时可以将压边圈 设计为比最大铆钉高度稍高的厚度，从而可以利用压边圈的厚度实现工件导 正。为使工艺简单同时便于加工，我们采用手动压料的方式，将压边圈利用 四个螺钉1 0 固定在下模板1 4 上，同时利用两个定位销1 5 来保证压边圈中心 孔的对中。由于在试验的过程中每组板料的厚度不同，所以螺钉1 0 设计的 较长，这就保证了每次更换板料时不用完全卸下压边圈。只要将压边圈的四 个螺钉1 0 均匀松开就可以更换板料，同时利用定位销的辅助，可以较好的 实现压边圈的对中。 3 导向装置 本模具利用上下模板的导柱8 和导套7 进行导向。 4 紧固装置 本模具基本上利用不同规格的螺钉进行紧固。 模具除凹模1 2 以外的零件加工均符合设计要求。 2 2 3 模具的主要工作原理 试验时将工作台下移，均匀松开压边圈上的螺钉1 0 ，将板料放入，然后 第二章半空心铆钥的白冲铆接试验犬津人学硕十学位论文 均匀地拧紧压边圈上的螺钉；依照表2 1 选择相应规格的铆钉，用手将铆钉 放入压边圈中心孔，此时需注意铆钉的平顶与压边圈上表面水平；接着运行 压力机进行冲压，冲压过程中需注意工作台上升的速度，在导柱导套未相互 嵌入时速度可适当快一些，但当导柱导套嵌入之后需放慢工作台上升速度， 以避免上升速度过快导致冲头损坏；目测同时利用自制标尺观察冲头是否运 行至下死点，当冲头冲压至下死点时停机。图2 - 4 为模具主要工作部分剖而 图。 f 黎遵 b 沫y 图2 4 模具主要工作部分剖面图 2 3 试验方案的制定 在详细分析了铆钉规格、凹模规格和将要进行铆接的材料及材料厚度等 参数后制定了试验方案吼铆钉规格有m 1 、m 2 和m 3 三种，凹模规格有a 1 和a 2 两种，铆接板料种类有黄铜和铝两种，其中黄铜厚度为o 4 m m ，铝板 有l m m 和2 r a m 厚两种厚度。试验组合见表2 1 。 2 4 试验的前期准备和设备的调试 2 4 1 试验装置及数据采集系统的安装和调试 ( 1 ) 按照模具的零件图进行加工，按照装配图进行装配。 ( 2 ) 对w e 一3 0 型压力机进行试运行并观察其工作是否正常。 ( 3 ) 数据采集系统的安装和调试 第二章半空心铆钉的白冲铆接试验天津大学硕士学位论文 表2 - i 试验方案 编组凹模规格铆钉规格材料及材料厚度样本数 1 a lm 2i m m 铝+ 2 m m 铝3 2a lm 2 0 4 m m 黄铜+ 2 m m 铝 3 3a 2m 1i m m 铝+ i m m 铝3 4a 2m l 0 4 m m 黄铜+ i m m 铝 3 5a 2m 32 m m 铝+ 2 m m 铝3 1 数据采集系统的原理 由试验机( 压力机) 、传感器、信号调理器一模数转换卡( 测试卡) 、 通用微机等硬件和测试系统软件组成一个数据采集系统。将压力传感器 ( 5 m p a ) 装在主机的油管上，传感器输出的毫伏级电压信号，经信号调理器 放大、滤波后，由a d 模数转换器转换为数字量；计算机对该数字量进行标 定变换，实时地得到试验中的载荷数据；并采用国家标准规定的算法对试验 数据自动处理，得到有关性能指标，避免了二次数据处理过程。试验机力学 性能微机测试系统的原理和组成如图2 - 5 所示。 压 力 传 感 器 信 号 调 理 器 模 数 转 换 器 图2 5 数据采集系统原理框图 计 算 机 为提高系统的测试精度，软件系统采用了传感器标定的分段线性插值方 法。既考虑传感器和测试系统其它部分( 如模数转换) 的非线性特性，将测 试量程划分成数段，以直线段逼近每段。采用分段线性插值标定法可显著提 高系统的测试精度，同时可以适当地降低对传感器线性度的要求。 为了提高系统的可靠性，设计研制了专用的一体化信号调理器+ 模数转 换器，将二者集成为测试卡，直接插入计算机主板的扩展槽内，由于系统集 成度的提高，提高了系统运行可靠性和稳定性。 自动测试系统的测量精度指标：优于1 相对误差( 1 级精度) 。 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验天沣大学硕十学位论文 本数据采集系统的微机上将随着数据的采集过程显示一条“时间一载 荷”曲线，需人工设定的参数分别为“载荷比例”及“采样比例”。载荷比 例主要表示这条蓝线纵坐标的比例，一般利用预想的最大载荷值进行换算而 进行设定，以保证采集到的曲线不会溢出坐标范围，便于观测。采样比例主 要表示此曲线横坐标的比例，同样基于便于观测的目的，通过观察压力机经 过冲压行程的速度来设定合适的采样比例值。 以上两个参数值的设定是利用试验进行摸索，以确定合适的设定值。 2 ，数据采集系统的安装和调试 将数据采集系统与压力机连接完毕，运行压力机，同时开启数掘采集系 统。观察数据采集系统的初始值是否稳定，并确认是否可以得到所采集数据 的曲线以及所采集数据的文本文档。通过文献 4 可知，本试验自冲铆接的 冲压力在5 吨左右，所以需将载荷比例设定在2 0 0 3 5 0 左右；观察压力机 的运行速度，并结合预想的压力机自冲铆接速度和试做试验的实际情况，将 数据采集系统的采样比例设定在6 0 1 0 0 左右。上述两个数据采集系统参数 的具体设定值将在试验的进行过程中结合实际的试验情况而有所不同。 2 4 ，2 铆钉的热处理及试做试验的过程 在自冲铆接工艺中，最关键的工艺参数为铆钉硬度，因为铆钥。在工作初 级阶段既作为一种冲头工具，对上层金属进行冲裁，又在第二阶段作为塑性 变形体产生扩张的塑性变形。在进行试验之前，参考文献 1 ，将铆钉材料 初步选定为3 5 号钢，硬度h r c 5 4 5 6 。但这只是一个初步的预计，为保证可 以得到理想的试验效果，利用加工好的铆钉试做试验。如果试做试验的结果 符合之前的设想便可直接进行正式试验：否则，就需要将铆钥进行进热处 理。这种试做试验的方式便于观测到理想的、符合实际的铆钉硬度。 1 ) 第一次热处理 8 5 0 。c 油淬，铆钉硬度h r c 5 4 5 6 ；3 2 0 。c 回火，硬度i i r c 4 7 4 9 。 以5 0 k n 的最大冲压力进行试做试验，其结果显示，自冲铆接后的板料 外观基本良好，但仔细观察仍存在断裂缝，切开后发现铆钉出现断裂铆接 不牢固，铆钉下部分的板料自然脱落。这是由于铆钉在自冲铆接的第二阶段 扩张过程中，由于铆钉的硬度过高，塑性较低，导致了铆钉的断裂，铆钉的 断裂引发下层板料金属的碎裂，需提高回火温度来降低其硬度。 2 ) 第二次热处理 4 2 0 。c 回火，铆钉硬度h r c 4 4 。 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验大津火学硕十学位论文 以与以上试验基本相同的条件进行试做试验，其结果显示，仍存在铆接 不牢固的现象；由此得知铆钉的硬度仍过高，需继续提高回火温度柬降低其 硬度。 3 ) 第三次热处理 4 7 0 。c 回火，铆钉硬度h r c 4 1 。 仍以上述试验相同的条件试做试验，自冲铆接后的板料外观与之前相比 有所进步，但进行剖切后的铆钉变形情况仍不够理想，依然存在由铆钉断裂 而产生的板料裂缝。由于自冲铆接后的外观有了提高，这说明经过三次热处 理后，铆钉硬度下降，对试验的结果有较好的影响，所以我们需要再回火将 铆钉的硬度继续下降。 4 ) 第四次热处理 5 0 0 。c 回火，铆钉硬度h r c 3 9 4 0 。 将热处理过的铆钉继续用于试做试验。自冲铆接后的板料外观有所提 高。剖切后的裂缝减小。为达到剖切后无裂缝的目的需继续降低铆钉硬度。 5 ) 第五次热处理 6 0 0 。c 回火，铆钉硬度h r c 2 8 3 0 。 继续以与之| j 试做试验相同的条件进行试验。此时基本可以得到与设想 相符合的板料外观。剖切后仍然存在着一定数量的裂缝，但裂缝的数量和大 小与之前相比已经大大的减少了。试做试验结果证明，铆钉硬度的降低对自 冲铆接后板料的性质有极大的影响。此时铆钉的硬度比预先设计的硬度要求 低了几乎一半，但试做试验后的效果却趋于良好。这证明之前设计的铆钉硬 度h r c 5 4 5 6 是不符合实际的。为使试验结果更加理想，决定再次热处理 降低铆钉硬度。 6 ) 第六次热处理 6 6 0 。c 回火，铆钉硬度i i r c 2 6 。 以5 0 k n 左右的冲压力进行自冲铆接试验。试验结果表明，当铆钉硬度 降低到i - t r c 2 6 时，自冲铆接后的板料外观已经基本符合预先的设想，整齐无 裂缝。剖切后发现铆钉虽然仍存在不符合设想的变形，但已经不发生断裂； 变形后的板料也没有发生断裂，可以比较牢固的被固定。白冲铆接后的板料 可以承受一定程度的拉力。这说明铆钉硬度为h r c 2 6 是符合实际的。 2 5 自冲铆接试验 2 5 1 试验的操作 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验天津人学硕十学位论文 将试验模具安装在试验机上，确保对中。试验时，先松开压边圈上的螺 钉，使板料置于压边圈的下面，然后适当拧紧压边圈上的螺钉，以保证足够 的压边力；选择相应规格的铆钉，平正地放入压边圈中心孔；而后运行压力 机进行成形试验，操作中需使滑块的运动速度尽量均匀，直到铆钉上端面与 上层铆接板料铆平为止。 试验所使用的数据采集系统最后所采集到的数据为随着时间的推移而变 化的载荷值。根据不同的采样比例，每个样本试验后最后采集到的数据至少 为2 5 0 个。 2 5 2 试验数据的采集”“ 通过观察所采集的每个样本的试验数据，可以清晰的看到在试验的开始 阶段数据呈跳跃型出现，我们认为在这个值附近载荷的波动是由摩擦等因素 导致的，因而此波动范围内的载荷值不予统计。将载荷值丌始稳步提高的第 一个点作为统计的第一个点。当冲头行进到下死点时，冲压力达到最大，即 采集到最大载荷值，此后所采集到的载荷值也不进入统计范围。由此可得到 每个样本试验数据的统计数据，称为“有效点”。每个样本试验数据的有 效点个数不同。在有效点的范围内选取一定个数的点进行下一步的综合分， 析。通常，为便于比较，每一组试验所选取的样本数据点个数相同。 按照表2 1 所拟订的试验方案分别进行试验，记录并对采集到的数据进 行筛选。表2 - 1 中的“编组”为5 组，表2 2 至表2 - 6 为五组试验筛选后的 数据。序号表示采集到的点；载荷表示冲压力。 2 5 3 试验数据的整理及曲线的绘制 1 试验数据的整理比较：将筛选后的数据结果进行纵向比较，绘制成 表格( 见表2 7 至表2 一1 1 ) ，从表中可以清楚的看到每一组的样本的最大冲 压力( 载荷) 值以及第一统计点载荷值。其中，将载荷由平稳上升至骤然上 升的拐点作为第一个统计点，而将最后载荷( 铆接结束时) 作为最大载荷 点。 第二章半空心铆钉的自冲铆接试验天津大学硕士学位论文 表2 - 2 第一组筛选后数据 第一组筛选后数据 载荷( n ) 载荷( n ) 序号序号 样本1 样本2样本3样本l样本2样本3 l5 6 5 25 6 5 2 6 5 2 21 31 7 1 7 4 71 2 9 1 369 1 3 0 - 8 25 8 71 1 9 5 72 6 9 5 81 41 9 6 9 6 5 1 4 3 4 8 41 5 2 1 8 3】6 5 2 2 3 5 0 0 24 4 7 8 51 52 2 9 5 7 5】5 9 1 3 71 9 5 2 2 6 44 7 6 11 5 3 0 4 64 9 1 3 31 62 6 7 1 8 51 9 8 9 2 22 3 4 3 5 8 55 3 0 4 65 6 5 2 45 0 6 5 4 1 7 3 1 1 9 7 2 6 7 8 3 82 9 5 2 3 6 6 2 1 776 3 9 1 64 9 7 8 51 83 5 5 6 6 72 9 3 0 5 63 1 7 4 0 ，5 77 0 4 2 86 9 1 3 35 1 3 0 71 94 1 6 9 7 43 4 6 1 0 2 3 6 8 0 5 9 87 2 1 7 76 7 3 9 45 6 7 4 22 04 7 6 9 7 73 7 5 8 8 6 4 1 1 1 05 96 6 9 5 96 3 0 4 6 6 0 4 3 72 l 5 5 1 5 4 5 4 3 5 6 7 14 5 8 9 3 3 1 0 6 9 7 8 66 8 0 4 65 5 2 22 26 2 0 4 6 14 7 3 4 9 95 2 4 1 53 1 17 5 6 5 58 2 6 125 6 5 2 42 36 4 2 8 5 45 3 4 5 8 85 6 8 9 38 1 21 2 7 6 141 1 0 0 056 6 9 5 9 表2 - 3 第二组筛选后数据 第二组筛选后数据 载荷( n )载荷( n ) 序号序号 样本l 样本2 样本3 样本1样本2样本3 l5 6 5 26 3 0 55 6 5 21 6 9 2 3 0 89 1 3 0 88 9 1 3 4 21 9 9 7 1 2 0 0 0 11 6 5 2 31 71 0 6 5 2 91 0 6 3 0 91 0 8 7 0 3 4 0 1 2 73 9 5 6 73 4 7 8 41 81 3 2 6 8 41 3 2 6 1 4 1 6 4 3 5 5 44 9 2 3 54 8 9 1 55 4 3 51 91 7 0 0 2 1 6 8 9 21 9 5 4 4 3 55 6 5 7 35 9 5 6 36 3 0 4 62 02 0 6 4 7 82 0 6 7 48 2 5 8 2 7 2 66 1 7 5 26 1 7 42 6 0 2 22 12 2 8 0 9 32 2 8 0 533 1 9 1 4 4 75 7 6 2 46 1 3 0 76 3 2 6 42 22 5 4 8 72 5 4 7 9 4 3 8 6 9 7 3 86 0 0 0 85 6 5 2 45 9 5 6 82 3 2 8 0 2 3 92 8 0 2 294 7 8 7 1 6 96