（材料加工工程专业论文）冲压连接的成形过程及其结合强度的分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 冲压连接是一种新的板料连接方式，它利用金属的塑性变形使钣金件相互连 接，可用于钢板、铝板以及新材料、异种材质板料间的连接，替代点焊、铆接等 传统工艺。但目前该技术被国外公司垄断，尚无公开的相对完整和成熟的冲压连 接理论、技术体系。 影响冲压连接点强度的因素较多。本文建立了冲压连接成形过程数值仿真模 型，分析了不同凸、凹模几何形状参数及下压量对连接点颈部厚度、互锁值、成 形力大小以及金属流动情况的影响，在此基础上确定出优化的连接铝板和铜板的 模具参数。 在所建立的拉伸实验仿真模型基础上，分析了边界条件设置对模拟结果的影 响，并对连接点的抗拉强度进行了预测，将预测值与实验值对比。结果表明，拉 伸过程仿真模型能够较准确地反映出连接点的剥离过程，预测连接点的抗拉强度。 探讨了三层板料的冲压连接问题。三层板的连接比两层板料困难很多，容易 出现最上层板料颈部断裂和中下层板料无互锁的情况；将三维和二维仿真模型的 结果进行了对比，发现两者均能够较好地反映出连接点成形后的截面几何形状， 但三维模型的载荷位移曲线与实验更接近。 针对冲压连接建立了从成形过程分析到强度预测的一套完整模拟仿真解决方 案，可以为冲压连接的工艺制定提供一定的指导。 关键词：冲压连接，板料，机械变形连接，有限元 a b s t r a c t c l i n c h i n gt e c l l n o l o g yi san e ws h e e tm e t a lc o i l i l e c t i o nw a y w h i c hm a l 【es h e e t s c o 皿e c t e db yu s i n gm e t a lp l a s t i cd e f o m a t i o n ，i tc a nb eu s e dt oj o i ns t e e l ，2 l 1 u m i n u m ， c o a t e da n dd i s s i m i l a rm a t e r i a ls h e e t s ，s u b s t i t u t es p o tw e l d i n g ，r i v e t i n ga n do t l l e r 仃a d i t i o n a lj o i n i n gt e c l 1 0 1 0 西e s b u ta tp r e s e n tm i st e c l m o l o g yi sm o n o p 0 1 i z e db y f o r e i g nc o m p a l l y ，t h e r ei sn or e l a t i v e l yc o m p l e t ea n dm a t u r ec l i nc ：h i n gn l e o 巧柚d t e c l l i l 0 1 0 9 ys y s t e m 叩e n e d t h ef a c t o r sw h i c hm a yi n f l u e n c em es 打e n g t ho ft h ed i n c h e dj o i n ta r ec o m p l i c a t e d t 1 1 i sp a p e re s t a b l i s h e sn u m 甜c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fc l i i lc _ h i i l gp r o c e s s ，a 1 1 da n a l y z e s m ee 肫c to fd i f f 打e n tt 0 0 1 sg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dp r e s sd i s t a n c eo nm en e c k 也i c l m e s s ，u n d e r - 1 0 c ka i l dm e t a ln o w 仃e n d t h e nb a s e do nt h e s ec o n c l u s i o n s ，t h et o o l s p a r a m e t e r sj o i n i n ga l u m i n u ma n dc o p p e rs h e c t si sd e t m i n e da n d0 p t i m i z e d i i lt h et e n s i l et e s ts i m u l a t i o nm o d e l ，m i sp a p e rs t u d i e sm ee 岱：c to fc o n s 仃a i n b o u n d a 呵c o n d i t i o no nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，锄dp r e d i c t st h et e n s i l es 仃e n g mo f c l i n c h e dj o i n t ，m e l lc o m p a r e sm ep f e d i c t e dv a l u e sa 1 1 d 1 et e s tv a l u e s n er c s u l t ss h o w 廿1 a tt h es i m u l a t i o nm o d e lc a l la c c u r a t e l yr e 丑e c tt h ec l i n c h e dj o i n ts t r i p p i n gp r o c e s s ， p r e d i c tm e t e n s i l es 仃e n g 也o f j o i n t t h em r c el a y e r so fs h e e tc o i l n e c t i o np r o b l e mi sa l s od i s c u s s e d t h ec o i l n e c t i o no f 衄。e el a y e r si sm o r ed i 佑c u l t yt h a n 帆o1 a y e r s ，a n dp r o n et om eu p p e m o s ts h e e tn e c k 丘a c t u r ea n dl o w e rs h e e t sw i t l l o u ti n t e d o c k t h er e s u l t so f3 da i l d2 ds i m u l a t i o nm o d e l a r ec o m p a r e d ，f o u n dm a tb o t ho fm e ma r ea b l et or e n e c tt h ec r o s ss e c t i o ng e o m e t 巧o f d i n c h e d j o i n t ，b u tm e1 0 a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e o f3 dm o d di sm o r ec l o s e rt ot 1 1 et e s t f r o mt h ec l i n c _ h i n gp r o c e s sa 1 1 a l y s i st op r e d i c t i o no fc l i n c h e dj o i n ts 仃e n g t h ，a c o m p l e t es e to fs i m u l a t i o ns o l 砸o ni se s t a b l i s h e d t h i sc a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c e s t ot h ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o no fc l i n c h i n g k e yw o r d s ：c l i n d l i n g ，s h e e t ，m e c h a l l i c a ld e f o 珊a t i o nj o i n i n g ，f e 久 i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 传统的点焊、铆接和螺纹等车身钣金件连接方法，虽然能够满足一般的使用 要求，但存在生产效率低、成本高，对板料母材质量、特别是表面质量要求高等 许多不足。以点焊为例，其使用费用高，很难连接多层板材、有镀层漆层或铝、 铜及不锈钢板件，对不同材质、厚度差异过大以及中间有夹层的板件则更是无能 为力。螺栓连接在振动、冲击、载荷变动和温差过大的情况下，往往会产生松动 而导致机械故障。铆接对制孔的精度要求较高，工作时噪音大，结构笨重，且螺 栓连接和铆接均存在腐蚀问题，影响连接点质量。 冲压连接是一种新的板料连接方式，属于“机械变形连接工艺”的一种。它 利用金属的塑性变形使钣金件相互连接，可替代点焊、铆接等传统工艺用于钢板、 铝板以及新材料、异种材质板料间的连接。该技术的问世，是板料连接领域的一 大进步。 冲压连接工艺最早出现在德国，在1 8 9 7 年就申请了专利。2 0 世纪7 0 年代末， 德国t o x ( 托克斯) 冲压技术有限公司开发了t o x 连接技术，并一举获得德国 r u d o i 江e b e 砌江技术改革大奖。但直到2 0 世纪8 0 年代，这项技术才被应用 于工业生产，并得到了迅速发展。1 9 8 6 年，b t m 公司在美国引入t o g l l o c 商 标。1 9 8 7 年，t r u m p y 和t o x 公司开始生产机械压力连接装备。一年后，a t t e x o r e q u i p m e n t ss a 在瑞士开始生产压力连接装备。1 9 9 3 年，b t m 公司的连接装备在 美国申请获得了“板件连接设备”专利。1 9 9 6 年，悉尼大学为“冷成形钢结构” 制订了澳大利亚新西兰标准a n n z s 4 6 0 0 ，标准中阐述了机械压力连接和其他单 紧固件连接的测试方法【2 j 。 本质上，冲压连接属于利用金属的塑性变形而进行连接的一种塑性成形过程。 因此，塑性理论以及相关的数值分析方法均能用于分析和指导冲压连接过程。但 相对于普通冲压等塑性成形工艺，冲压连接的应用时间还比较短，而且该技术被 国外公司垄断，目前尚无公开的相对完整和成熟的冲压连接理论、技术体系。 1 2 国内外研究现状 迄今对冲压连接技术已经有大量的研究工作，且主要集中在以下几个方面： 模具参数的选配和确定；轻合金材料、异种材料的连接，如镁合金的室温连接， 高强度钢板和铝板；以及冲压连接技术的仿真模拟等。 芬兰拉普兰塔理工大学的j p l r i s 教授多年来一直致力于冲压连接技术的研 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 究 3 - 8 】，初步建立了连接质量与模具参数之间的关系，并在连接点质量检测方面做 了大量工作。2 0 0 2 年起他对不同厚度的高强度钢板进行了连接，并比较了圆形连 接点与方形连接点之间的区别；在0 3 年的另一篇文章中，他利用有限元软件对冲 压连接过程进行了模拟分析，讨论了各种参数和连接点抗剪强度之间的关系：在 2 0 0 6 年，他将冲压连接和铆接在大规模生产情况下的经济性做了比较分析。 r n e u g e b a u e r 等人对镁合金在室温下连接做了尝试，他们利用感应加热和平 底砧对a z 3 1 进行了连接，并用有限元软件模拟了成形过程，分析了不同模具参 数对连接点的影响p 1 。 s 锄c o p p i e t e r s 等人运用有限元软件对连接点的抗拉和抗剪强度进行了预测， 将二维模型和三维模型的计算结果进行了比较，还对比了是否导入成形后连接点 的材料应力应变状态对预测结果的影响【1 1 1 4 j 。 c h a l l j 0 0l e e 等人提出了一种冲压连接模具参数的设计方法，总结了设计步 骤和相应的计算公式，并运用该方法确定了连接a 1 6 0 6 3 合金板的模具参数，实验 结果表明连接连接点状况良好，与有限元模拟结果十分吻合，达到了预先要求的 力学性能。后来又对铝合金板和高强度钢板进行了冲压连接实验，分析了模具参 数对连接点颈厚值和互锁值的影响，为异种材料的冲压连接做了有益探索 1 孓 j 。 ya b e 等人通过优化凹模形状从而引导材料的流动，成功实现了高强度钢板和铝 板的连接【1 8 瑚】。 h ex i a o c o n g 总结了冲压连接数值模拟的三个研究内容，一是模拟冲压连接 过程，主要观察金属流动、凹模填充过程以及应力分布等；二是模拟连接点的强 度，分析影响强度的因素，优化模具参数；三是模拟振动状态下连接点的状态， 分析振动对连接点的固有频率和形状的影响【2 川。 m o u d i e n e 等人利用田口方法对模具尺寸参数与连接点的互锁值、颈部厚度、 抗拉强度之间的关系进行了研究，发现连接点质量很大程度上取决于模具参数， 但连接点强度并不随互锁值的增加而一直增大，还与颈部厚度有关。随后他们又 运用基于移动最小二乘法的响应面方法对模具参数进行了优化，提高了连接点的 抗拉强度【2 2 。2 3 1 。 国内对冲压连接技术的研究开始得比较晚，基本还处于起步阶段，目前还仅 仅停留在对该技术的一些原理和连接机理的介绍，以及对连接过程进行简单的模 拟。2 0 0 4 年，南京航空航天大学的刘丽亚等人采用m a r c 软件对冲压连接进行 了有限元模拟，讨论了摩擦系数，材料特性对于连接点质量的影响【2 4 甾】。2 0 0 5 年， 内蒙古工业大学的杨小宁等人对铝板件冲压连接技术进行了一些实验研究，介绍 了冲压连接机理，并对影响连接质量的一些模具参数进行了讨谢2 6 】；2 0 0 6 年，他 们又利用a n s y s 软件对冲压连接技术进行了有限元模拟，研究了不同模具尺寸 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 参数和不同板厚组合对连接点颈厚值和互锁值得影响规律【2 。7 】；2 0 1 0 年，王子国等 人将t o x 冲压连接点和电阻点焊进行强度对比实验，确定了几种板材t o x 连接 工艺在达到最大强度时的工艺参数范围，得出了t o x 连接工艺单点及双点连接 强度与点焊强度的关系 2 8 】；2 0 0 8 年以来，华南理工大学的石柏军等人对冲压连接 技术的研究做了不少工作【2 9 - 3 卯，他们利用体积算法并结合有限元仿真软件，提出 了一种模具参数的设计方法，并利用该方法设计了1 m m 厚4 5 号钢板的冲压连接 模具，得到了较好的效果。他们还对冲压连接过程的质量实时监控系统进行了研 究和开发。 1 3 课题的提出及研究意义 冲压连接技术发展至今，虽然在模具、设备和成型工艺等方面取得了长足的 发展，但其成形理论与技术应用的基础研究还相对滞后，如模具参数的选配，至 今还没有一套具有广泛适应性的成熟完整的理论体系。 由于影响连接点质量的因素较多，一些细微的变化都可能引起连接质量的改 变，若全部进行实验，工作量很大且成本很高，因此用模拟仿真部分代替实验， 减少实验工作量是一个必然趋势。 目前对冲压连接的模拟仿真大多集中在成形过程。通过对成形过程的模拟仿 真，可以得到连接点成形后的几何形状，以及颈部厚度、互锁值和底部厚度值等 特征参数，初步判断连接质量，但是仅仅通过比较连接点的特征参数，并不能判 断连接点强度孰大孰小，尤其是特征值相差不大的情况下。而对连接点强度实验 进行模拟仿真，可以得到比特征参数更为直观的衡量结合强度的力学指标，从而 建立一套完整的冲压连接模拟仿真解决方案。但目前对连接点的强度预测的模拟 较少。对成形过程的仿真，一般也都只关注模具尺寸参数( 凸凹模直径，凹模深 度等) 对连接点的影响，但不同的模具几何形状( 凸凹模圆角、凹模凹槽大小等) 对连接点颈部厚度、互锁值、成形力大小以及金属流动的影响的研究还不多，对 三层板料的连接也还是空白。 未来板材将朝着复合型、功能型的方向发展，冲压连接技术作为一种新型的 薄板连接工艺，具有广阔的发展前景。 1 4 研究内容 本文针对冲压连接有限元仿真模型中存在的问题和不足进行了完善和补充， 在计算机上实现了从成形过程分析到强度预测一套完整的冲压连接模拟仿真解决 方案。主要研究内容如下： 利用有限元方法对冲压连接过程进行模拟仿真，分析不同凸凹模几何形状 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 参数和不同下压量对连接点颈部厚度、互锁值、成形力大小以及金属流动情况的 影响。 根据模拟结果，弄清楚不同参数对连接点的影响规律，在此基础上确定出 连接铝板和铜板的模具参数，并对其优化，然后进行实验，与模拟结果对比。 建立三维仿真模型，对比分析二、三维模型模拟结果的区别。 对三层板料的连接做一些尝试性的探索，分析其连接过程的特点，并与两 层板连接做比较。 对连接点的抗拉强度进行模拟仿真，分析不同边界条件设置对结果的影 响，对实验部分的连接点进行强度预测；比较h 型和l 型拉伸所得抗拉强度的区 别，并对连接点进行强度实验，检验强度预测模型的准确性。 4 重庆大学硕士学位论文2 冲压连接技术简介 2 冲压连接技术简介 冲压连接是机械变形连接的一个分支，而机械变形连接是指被连接件( 被连接 部分) 或协助元件( 协助连接部分) 利用局部或全部变形来实现连接的一种加工方式 【3 6 】 o 按连接过程中是否有剪切受力，冲压连接可分为有剪切和无剪切两种形式， 若按加工过程还可以分为一级或多级冲压连接，其分类结构图如图2 1 所示。连 接点的外观形状可以是圆形、方形、特殊形状、双头、平接头等。不同形式的冲 压连接除了生产过程中有一些差别外，其基本原理是相同的，连接过程都是通过 工装的连续移动来实现的。 图2 1 机械变形连接技术分类 f i g 2 1m e c h a i l i c a ld e f o m a t i o nj o i n i l l gc l a s s i f i c a t i o n 2 1 无剪切冲压连接 无剪切冲压连接是将被连接件通过凸模的挤压以及随后的镦锻连接在一起， 重庆大学硕士学位论文 2 冲压连接技术简介 在成形过程中被连接件不会受到剪切破坏。凹模结构是各种无剪切冲压连接系统 的一个重要区别，其凹模的结构形式可分为：整体式凹模、分体式凹模( 由两部 分或者多部分组成) ，如图2 2 和2 3 。 无剪切冲压连接技术的连接过程可以分为四个步骤： ( 1 ) 首先将被连接件放到凹模上，接着凸模向下运动到被连接件上，通过固 紧件的弹性力将工件压紧并固定。 ( 2 ) 凸模压向被连接件并继续向凹模压去，致使由固紧件所包围的局部区域 里的被连接材料向凹模侧位移，直到下板料接触凹模型腔为止。此时连接件板料 厚度没有多大变化，金属处于相对自由的流动状态。 ( 3 ) 凸模继续下沉、挤压、镦锻，局部区域的原始材料厚度变薄并流向凹模 的凹槽内，同时上板料也会随着下板料的流动而流动，在凹槽内形成“燕尾状” 内嵌，从而在上下板间形成一个力和形状封闭的连接。 ( 4 ) 当连接过程达到了预先设定的最大压力( 对于由压力控制的设备) 或最 大行程( 对于由行程控制的设备) 之后，凸模和固紧件退回原位置，连接过程完 成。 季盯闭 l j ，l 羹0 ，f ， 。| 1 图2 2 整体式凹模连接过程示意图 f i g 2 2c 1 i n c h i l l gp r o c e s so fi 1 1 t e g r a ld i e 霞 l熏 旷心 重庆大学硕士学位论文 2 冲压连接技术简介 图2 4 无剪切和剪切冲压连接模具 3 7 3 8 f i g 2 4n o n c u t t m ga n dc u t t i n gc l i n c h i i l gt 0 0 1 s 【3 7 3 8 】 2 2 剪切冲压连接 剪切冲压连接是将被连接件通过凸模的剪切和镦锻连接在一起，在成形过程 中被连接件被剪切。按连接板剪切方式来划分，剪切冲压连接可以分为单层剪切 和双层剪切，如图2 5 和2 6 。 剪切冲压连接技术的连接过程可以分为四个步骤： ( 1 ) 先将被连接件放到凹模上，固紧件下压，将被连接件固定、压紧。 ( 2 ) 然后凸模将工件压向凹模侧，通过冲压和剪切，由固紧件所包围的局部 区域内的工件材料被剪切、被位移，此时连接件板料厚度没有多大变化。对于双 层剪切冲压连接，两层被连接工件都被剪切，在形成接头的局部范围里被剪切部 分只保持了和原始工件的一部分连接。而在单层剪切冲压连接中，只有凹模侧的 被连接件被剪切，凸模侧的被连接件完整保留，并保持和原连接件一体。 ( 3 ) 随着冲压、剪切、镦锻的先后进行，局部被连接材料的厚度减小并被压 向凹模侧，使材料向周边流动。 ( 4 ) 接头部分的材料继续被压并延展，最终形成一个力和形状封闭的连接。 图2 5 单层剪切冲压连接过程3 6 f 培2 5c 1 i n c h i l l gp r o c e s so fs i n 9 1 es h e e tc u t t i n g 重庆大学硕士学位论文2 冲压连接技术简介 图2 6 双层剪切冲压连接过程【3 6 】 f i g 2 5c 1 i i l c h i n gp r o c e s so fd o u b l es h e e tc u t t i n g 3 6 】 2 3 技术特点 与其他传统板料连接方式相比，冲压连接有许多特剧3 9 郴】： ( 1 ) 可实现相同或不同材质的两层或多层，中间有夹层( 如纺织物、塑料、薄膜、 纸、绝缘材料等) ，板厚相同或不相同的板料的连接； ( 2 ) 对板料表面无任何特殊要求。表面有镀层或漆层的板件，在成型时镀层或 漆层会随着材料的塑性形变一起流动，连接点处的保护层不会被破坏，保留其原 有的抗腐蚀性能。而且与点焊相比工艺排序的自由度较大，可以是电镀后、带油 漆、带油污等； ( 3 ) 在连接可焊性较差的铝、镁合金等轻质材料时，冲压连接技术更具有独特 的优势。以铝合金为例，由于铝合金电阻小，传热快，焊接表面易氧化、易坍塌， 因此铝板点焊对设备功率、电极压力和表面清洁度要求非常高，连接成本高且质 量难以保证。采用冲压连接则不用考虑这些因素，只要板件具有一定的塑性变形 能力就可形成牢固的连接连接点； ( 4 ) 连接强度可进行无损检测。在板件厚度和相应的连接模具一定的条件下， 连接点的底厚值和底部直径与连接点强度成一定的比例关系，因此可以利用这一 特性，通过控制底厚值和底部直径来保证连接点强度的稳定性，实现全过程自动 监测； ( 5 ) 冲压连接能耗低于传统的点焊工艺，连接费用仅为点焊的4 0 7 0 。连 接过程中，没有噪音，不产生废气，工作环境良好； ( 6 ) 单点连接的静态强度是点焊的7 0 ，双点连接的静态强度和点焊相等，但 动态疲劳强度比点焊高。自动化程度高，可单点或多点同时连接，实现大批量生 产。 2 4 应用现状 理论上讲，只要具有一定塑性变形能力的金属板材，都可以采用冲压连接。 重庆大学硕士学位论文2 冲压连接技术简介 实际使用中常用的材料有钢、铝( 铝合金) 以及其他带有涂层的有色金属。虽然在 静态负荷下冲压连接的单点连接强度比点焊低，但由于接头处不存在应力集中， 故动态疲劳强度比点焊高。这对长期受到不同频率动载荷作用，对动态疲劳强度 要求越来越高的汽车来说，冲压连接技术无疑具有很大的优势。 正是由于冲压连接技术在经济、环保以及性能可靠性等各方面的突出优点， 目前已在世界范围内得到了广泛的认可和接受，并成功应用于汽车和家电制造等 行业。比如汽车车顶窗，它主要由铝合金与薄钢板组成，若采用点焊连接则成本 很高，而且连接质量并不理想，而采用冲压连接则可取得不错的连接效果。还有 汽车车项骨架、行李箱盖板、前盖内板加强件、车门、排气管、油箱等部件都使 用了冲压连接技术。国外的一些知名汽车厂商，如奔驰、宝马、奥迪、大众、通 用等，早己在车身制造业中广泛采用冲压连接技术，如图2 8 。在国内，该技术的 应用才刚刚开始，一些汽车零配件厂也开始采用冲压连接技术对汽车上的个别零 部件进行连接生产。此外，在家电和计算机行业中，该技术也得到了广泛的应用， 如洗衣机壳体、冰箱门、液化气炉、计算机主机机箱等。 一_ 。| 图2 8 冲压连接技术的应用实例鲫 f i g 2 5a p p l i c a t i o ne x 锄p l e so fc l i n c h i n gt e c h n o l o g y l 3 7 1 2 5 连接点质量及其失效形式 2 5 1 连接点的质量 为了衡量连接点的连接质量，人们提出了一些质量评价指标，如连接点的静 态强度、动态疲劳强度、连接点的防腐蚀性能、连接点的外观等。但通常所说的 冲压连接点质量指的是静态强度，包括抗拉强度和抗剪强度两个方面。抗拉强度 是指连接点能够承受的垂直于板件平面的最大载荷，抗剪强度是指连接点能够承 受的平行于板件平面的最大载荷，如图2 9 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 冲压连接技术简介 图2 9 连接点的拉伸和剪切实验示意图 f i g 2 9t e n s i l ea n ds h e a rt e s to fc l i i l c h i i l gj o i l l t 对于连接点的抗拉和抗剪强度可以通过破坏性实验得到，但业内通过大量的 实验与仿真发现，连接质量与连接点的一些几何参数存在一定的关系，这些几何 参数被称为连接点质量特性参数，它主要包括连接点直径d 、颈部厚度t n 、互锁 值t u 以及底部厚度x ，如图2 1 0 所示，只有当这些参数都能得到合理控制时连 接点才能获得最佳的结合强度。 图2 1 0 连接点质量特征参数 f i g 2 1 0c h a r a c t e r i s t i cp a r 啪e t e r so fc l i n c h e dj o i n t 根据德国t o x 公司的研究 3 引，一般来说连接点直径d 越大，其连接强度就 越高，所以在条件允许的情况下应尽可能地选择较大的点径。颈部厚度t n 是与 抗剪强度密切相关的一个参数，颈部厚度值越大则连接点的抗剪强度越高；而互 锁值t u 则是评价抗拉强度的一个参数，在颈厚值一定的情况下，互锁值越大则 连接点的抗拉强度越高，连接越牢靠。但是在实际中，颈厚值t n 和互锁值t u 是 负相关的关系，颈厚值增大则互锁值减小，颈厚值越小则互锁值增大，因此不能 偏废其一，过分地追求其中一个值的大小，而应该在两者之间找到一个平衡点， 使连接点整体强度最优。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 冲压连接技术简介 连接点的底厚值x 对连接质量影响也很大，底部厚度过大，说明材料塑性变 形不充分，所形成的连接点互锁值较小，或者干脆未能形成有效互锁，反之，则 会使连接点底部过薄，连接失效。t o x 公司对连接点的无损检测就是通过测量底 部厚度x 来评价连接强度的。 2 5 2 连接点的主要失效形式 在实际使用过程中，连接点会在拉伸、剪切、交变应力等外部载荷的作用下 出现失效，主要失效形式可以分为三类。第一类失效模式如图2 1 1 ( a ) 所示，由 于连接点的颈部厚度较小，在受到载荷作用时连接点的颈部断裂。其产生的原因 一般有两个：一是凸凹模之间的间隙太小，二是凹模深度过大导致颈部材料过度 延伸，而出现破裂。第二类失效模式如图2 1 1 ( b ) 所示，由于连接点互锁宽度不 足，在受到载荷作用时上板料被整体拔出，两块板料分离。其产生的原因有很多， 如凸凹模间隙太大，凹模的沟槽太小，凸模没有压到位等。第三类失效模式是前 两类模式的综合形式，连接点一端变形过度，另一端变形又不足，从而导致连接 点在外力作用时，一端断裂而另一端脱开。产生这种失效的主要原因是凸凹模没 有对中，两侧间隙不相等，导致在成形过程中，连接点一侧材料拉伸过度，而另 一侧互锁不足。 图2 1 1 连接点的失效形式 f i g 2 1 1f a i l u r em o d e so fm ej o i n t 2 6 本章小结 介绍了冲压连接技术的分类和无剪切、剪切冲压连接的成形过程，以及它的 技术特点和应用现状，并对其连接点的质量评价标准和主要的失效形式进行了阐 述。 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 冲压连接变形过程相对较简单，但在实际应用当中连接点的质量会受到很多 因素的影响，比如模具的几何形状和尺寸参数，被连接板料本身特性和厚度，摩 擦大小，以及连接过程中凸模压力和行程等等。应用有限元仿真技术部分代替实 验，可以较好地模拟成形后连接点的几何形状，观察成形过程中金属的流动趋势， 以及连接点的互锁值、颈部厚度、底部厚度等特性参数。 本章利用d e f o m 2 d 对冲压连接成形过程进行了模拟，讨论了关键模拟参数 的设定，如材料模型，接触条件，凸模加载速率，压边力和边界条件等；研究了 不同凸凹模几何形状和不同下压量对连接点质量的影响，确定了连接铝板和铜板 的模具参数；对比了二维和三维仿真模型的区别；探讨了三层板的连接问题。 3 1 仿真模型的建立及参数设定 由于模型是轴对称结构，只需对其一半进行分析，所以在d e f o m 2 d 中采用 二维轴对称模型。先在a u t o c a d 中画好模型图，然后再导入d e f o m 2 d 中建立 有限元模型，模具的具体参数和有限元模型如图3 1 所示。 图3 1 模具尺寸及有限元模型 f i g 3 1t b 0 1 sp a r ：l m e t e ra n df e am o d e l 其中，凸模直径d p = 5 4 m m ，圆角半径0 5 m m ；凹模直径d d = 8 m m ，深度 h d = 1 4 m m ，凹槽半径0 5 m m ，凹模底部圆角半径0 5 m m ；单层板料厚度1 m m 。 3 1 1 材料模型 冲压连接是一个大塑性变形过程，材料的塑性特性对模拟结果具有很大的影 1 2 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 响，为了使有限元仿真中所使用的材料模型能尽可能准确地描述材料塑性应变行 为，对本文实验部分所使用的a 1 6 0 1 6 和黄铜h 7 0 板进行单向拉伸试验，得到材 料的基本力学参数，然后导入d e f o m 材料库里。 根据g b t 2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸试验方法，计算出试样尺寸，然后 在电子万能材料试验机上进行拉伸试验，试样实物图如图3 2 。 表3 1a 1 6 0 1 6 化学成分( ) t a b l e 3 1c 1 1 e m i c a lc o m p o s i t i o no f a l 6 0 1 6 国一攀i | 。一一 鬻鞲- 图3 2a 1 6 0 1 6 和黄铜h 7 0 试样拉伸实物图 f i g 3 27 i h s i l es a i n p l e so f a l 6 0 1 6a n dh 7 0 在d e f o m 中定义材料模型时需输入真实应力应变曲线，而材料实验机得出 的是名义应力应变曲线，因此需要将其转换，根据公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 可以计算出 真实应力和真实应变。 。= f ，孚乩c 扣h 叶u ， ：辱： 砜。( 1 岷。) ( 3 2 ) 铲i 2 再弧o 坞 2 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 2 s 0 2 & 1 5 0 苫 翟1 5 0 0 o 0 0 200 4o m0 0 o 0 1 2 应变 7 8 5 也 羔4 婆3 0 。 2 1 o 0 00 20 40 6 瘦变 图3 3 舢6 0 1 6 和黄铜h 7 0 的应力应变曲线 f i g 3 3s 仃e s s - s 衄i 1 1c u r v eo f a l 6 0 l6a n dh 7 0 根据拉伸数据，得出两种材料的基本力学参数如下表： 表3 3a 1 6 0 1 6 、黄铜h 7 0 的力学参数 r i a b l e 3 - 3m e c h 孤i c a lp 咖e t e r so f a l 6 0 1 6a n dh 7 0 材料 弹性模量g p a屈服强度m p a 抗拉强度m p a 延伸率 a 1 6 0 1 61 3 6 1 9 8 12 1 0 21 1 o h 7 01 8 12 2 3 73 9 4 75 1 3 3 1 2 板料网格的划分 确定网格数量时应权衡考虑模拟精度和计算时间。显式算法的时问步长非常 小，它与最小最小网格尺寸有关： r厅 t = 鲁，( c d = ，兰) ( 3 3 ) l dv 尸 其中，l 为最小网格尺寸，e 为材料的弹性体积波的波速，e 是弹性模量， p 是密度。可见，网格尺寸越小，极限时间步长也越小，则计算过程的循环次数 增加，计算时间延长。 对于此模型，板料在成形过程中受挤压非常严重，塑性变形很大，对网格的 划分要求比较严格。所以，对于大变形区需要将网格划得细密，而对变形较小且 不重要的区域可以选择较粗的网格。因此在整体上将上下板料划为两个区域，以 凹模内腔半径为界，半径以内的采用细密网格，半径以外的采用稀疏网格，大小 网格比率设为3 ：1 ，最小单元格长度约为0 0 6 m m 。 3 1 3 接触条件 接触包括模具、压边圈和板料，以及板料和板料之间的接触。接触面之间的 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 相互作用包含两个方面：法向接触作用和切向接触作用。 ( 1 ) 法向接触。在对冲压连接过程进行仿真时会发现，由于接触面之间的相 互作用，接触面上的网格节点会发生相互嵌入的现象，这将会对模拟结果的准确 性产生不利影响，有必要进行控制。除了将网格划分尽量细密外，选择一种合适 的接触算法也很重要。 对法向接触力的处理方法有三种：罚函数法、拉格朗日乘子法和直接约束法。 罚函数法是一种近似方法，它允许相互接触的边界发生穿透，接触力大小和边界 穿透量的关系可以用以下公式表示： ，。= 一口6 。 ( 3 4 ) 式中：z 为法向接触力，倪为罚因子，s 是接触点的法向穿透量，负号表示 接触力与穿透方向相反；罚函数法适合于显示算法，用起来也比较简单，但它对 显式算法的临界时间步长有影响，而且罚因子的大小还影响模拟结果的准确性， 取值过小会影响精度，取值过大又会使计算的稳定性降低【2 5 1 。 其它两种方法适合于静态隐式算法，而本文是采用显式算法，所以对成形过 程法向接触力的计算采用罚函数法。 ( 2 ) 切向接触。切向接触作用主要和摩擦有关，摩擦是一种非常复杂的物理 现象，不仅与接触表面的硬度、粗糙度以及润滑条件有关，还与法向接触力、相 对滑动速度以及板料变形抗力有关。在有限元计算中通常忽略以上复杂的影响因 素，采用简化的数学模型。目前常用的摩擦力计算方法有两种：库伦摩擦和常系 数摩擦。库伦摩擦不考虑接触面上的粘合现象，认为摩擦符合库伦定律，即摩擦 力与接触面上的正压力成正比，其数学表达式为： f = 仃圪 ( 3 5 ) 式中，u 为库伦摩擦系数，取值范围为0 5 0 5 7 7 ；吒为接触面上的正压应 力。 常系数摩擦认为，接触面上的摩擦切应力f 与被加工金属的剪切屈服强度k 成正比，即： ，仃 丁= 7 从= m 寺 ( 3 6 ) j 式中，m 是摩擦因子，取值范围o m 1 ，k 是剪切屈服应力。在用有限元 法分析塑性成形过程时，一般采用常系数摩擦，因为采用这一模型时，事先不需 要知道接触面上的正压应力分布情况【4 9 1 。故本文采用常系数摩擦，板料件的摩擦 因子设为0 4 ，板料和模具间的摩擦因子设为0 1 2 。 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 3 1 4 凸模加载速度 冲压连接成形过程与普通的钣金冲压成型存在较大区别。普通冲压的凸模运 动速度非常快，而冲压连接成形时凸模运行速度较慢，因此其动态效应非常小， 属于标准的准静态过程。在分析冲压连接成形过程时，既要考虑节约计算时间提 高效率，又要考虑凸模速度加大后不能形成过大的动态效应，所以本文将凸模加 载速度定为5 m m s e c 。 3 1 5 压边力和边界条件 在实际实验中，压边力的大小对板料连接质量的影响很大。压边力不足时， 板料会翘曲变形，致使板料贴合不紧密，连接质量差；压边力过大时，又容易压 伤材料，导致材料流动困难，使连接点区域材料容易出现破裂情况。所以在有限 元模拟当中，如果要施加一个确定的压边力则需要不断地试错调整，工作量很大 且大小很难确定。因此常常采用简化模型，即设定压边圈固定不动，速度为零， 在成形结束后看看压边圈受到板料的反作用力大小，即为所需的压边力大小。 由于只取连接点截面的一般进行模拟，为了保证在模拟过程中，上、下板料 对称面上的单元节点不沿x 方向移动，需要对这些单元节点施加边界条件，定义 所以满足x = 0 的节点沿x 方向的速度为零，即将该对称面设定为非物质流动面。 否则，对称面上的单元节点就会越过对称轴，并使上下板料网格相互侵彻；导致 运算出错，如图3 4 所示。 图3 4 施加边界条件前后的网格侵彻情况 f i g 3 4t h e 酊dp e n e 缸a t i o ns i t u a t i o nb e f o r ea i l d 世e re x e n i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 2 结果及分析 3 2 1 不同凸模参数对连接点的影响 由文献【2 5 1 可知，当凹模直径一定时，随着凸模直径的增加，凸凹模间隙减小， 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 连接点的颈部厚度值是逐渐减小的，剪切强度降低，互锁值有所增加，但如果凸 模直径过大，将会导致颈部厚度减薄太厉害，在进行剥离拉伸时，失效的方式将 会是颈部直接断裂而非是上下板料分离。 本节将运用数值模拟方法分析不同模具几何形状对颈厚值t n 、互锁值t u 以 及金属流动趋势的作用，以认识不同凸模形状和端部圆角大小对连接点成形和金 属流动的影响。 ( 1 ) 凸模形状 图3 5 是几种不同轮廓形状的凸模，a 是基本形状，底部线条水平，竖直轮廓 与y 轴有3 。的倾角，并圆角过渡；b 、c 是在a 基础上的变形形式，其中，b 底 部线条与水平方向呈5 。的倾角，其它不变；c 底部有一段圆弧突起，其它不变。 图3 5 不同形状的凸模模型 f 嘻3 5d i 仃e r e n tp u i l c hs h 印em o d e l s 图3 6 是板料在填充凹槽过程中材料的流动趋势。随着凸模不断下压，材料 加速流向凹槽，且圆角处下方区域的材料流动速度最大。模型b 由于底部有一定 的倾角，所以在将材料挤向凹槽的过程中，会给材料一个斜向下的力，推动材料 横行流动，比a 模型单纯向下挤压材料迫使其横行流动要省力一些，故所需成形 力比a 要小。c 模型与b 模型类似，底部的圆弧突起也会推动材料横向流动。 重庆大学硕士学位论文3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 图3 6 不同凸模形状下材料的流动趋势 f 培3 6m a t 耐a 1n o w 仃e n du n d e rd i 髓r e n tp u l l c hs h 印e 表3 4 不同凸模形状时的颈厚值和互锁值 ab c 颈部厚度( m m ) o 4 1 10 4 2 8 0 4 2 0 现， 比a 对颈 表3 4 是a 、b 、c 三种凸模模型所形成连接点的颈部厚度和互锁值。可以发 a 比b 和c 的颈部厚度要小，但互锁值要大，其原因是b 、c 模型的凸模 模型要突出一块，在成形过程先接触板料，并将一部分材料挤向凹槽 部材料的减薄没有a 严重。 ( 2 ) 凸模端部圆角 凸模端部圆角对颈部厚度和互锁值大小有一定的影响。 半径由外到里分别为o 3 、o 5 、0 7 m m ，其它条件不变，模 中心 所以 如图3 7 所示，圆角 拟结果如下所示： 重庆大学硕士学位论文 3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 图3 7 不同凸模端部圆角 f i g 3 7d i 蕾f e r e n tp u n c hr o u n d i n 量r a d i u s 从最大主应力分布图可以看出，如图3 8 ，当下板料刚好接触凹模，凸模将板 料挤向凹模内腔时，圆角越小则应力越集中，“冲裁”现象越明显，上板料被拉伸 减薄得越厉害，出现颈部剪断的风险越大。 ( a ) r = o 3 m m ( b ) r = o 5 m m( c ) r = 0 7 m m 图3 8 不同凸模圆角成形初期的最大主应力分布图 f 喀3 8d i s m l ) u t i o no f m a x i i n u mp m c i p a ls 廿e s s 从连接点最终成形后的截面形状来看，如图3 9 ，随着圆角的增加，颈厚值 t n 增大，互锁值t u 减小。颈厚值增大是因为凸模圆角较大时，在凸模挤压板料 的成形过程中，圆角区域附近的板料应力集中现象就不那么严重，颈部材料不会 被拉伸减薄得很厉害，所以最终成形后颈部厚度呈增大趋势。而在凹槽填充阶段， 圆角越小，对圆角区域材料的镦挤效果越明显，更多的材料将流向凹槽内，所以 相互嵌入量就越大。 重庆大学硕士学位论文 3 冲压连接成形过程的理论与实验分析 ( a ) r 亍0 3 m m ( b ) r = o 5 l i n( c ) r i 0 7 i 姗 图3 9 不同凸模圆角成形后的截面形状 f i g 3 9c r o s s - s e c t i o ns h a p eu n d e rd i 鼢t 肼m c hr o l l i l d i n g o 2o 3 0 4o 5o 60 7 凸模圆角，m m 图3 1 0 不同凸模圆角对截面形状和t n 、t u 变化趋势的影响 f i g 3 1 0t l l ee 虢c