无铆钉铆接的工艺研究

1、摘要无铆钉铆接的工艺研究摘要随着家电及汽车等机械行业的发展和竞争的加剧， 这些领域越来越追求加工制造的 自动化及高效、快捷性， 家电和汽车等机械产品中有不少板料连接件， 而无铆钉铆接很 适合实现自动化， 以提高制造的高效、快捷性， 降低生产成本， 降低劳动强度。而且无 铆钉铆接疲劳强度比点焊高，对于汽车等处于振动工况的机械产品是一个必备的优点。 要提高汽车的经济性， 可以采用铝镁合金等轻型材料， 常用的点焊难于连接， 而无铆钉 铆接能进行较好连接。本文首先利用 DEFORM-2D 有限元软件建立无铆钉铆接有限元模型，对铆接过程进行 有限元模拟， 分析铆接成形过程中的五个阶段。对模拟过程的应力应

2、变进行了分析， 结 果表明应力应变主要集中在凸模下面板料及上板料嵌入下板料的镶嵌部分。研究了铆接 成形过程中的载荷-行程变化趋势。其次对不同厚度板料的组合进行模拟，对模拟结果分析，得到影响铆接接头性能主 要工艺参数： 凸模和凹模形状及尺寸， 被铆接的上、下板料的厚度， 上、下板料的材料， 被铆接板料的机械性能等；并提出制定工艺时的注意事项。最后分析了凹模深度、凹模环形凹槽深度、凸模圆角大小、上下层板料放置顺序（包 括厚度不同和材料不同） 对无铆钉铆接接头性能的影响。提出在此情况下凸模和凹模形 状的设计原则， 为实际设计模具提供了参考。利用多种组合的有限元模拟结果和实验结 果， 对上、下板料厚度

3、改变情况下铆接接头性能缺陷进行分析和提出解决方案， 对无铆 钉铆接工艺的制定具有一定的指导意义。关键词：有限元模拟，无铆钉铆接， DEFORMISTUDY OF CLINCHING TECHNOLOGYABSTRACTWith the development and intense competition of machinery industry, such as household appliances and automotive industries.It demands to manufacture more automationally and efficiently.There

4、are a lot of metal sheets connectors in the household electrical appliances, vehicles, and other machinery products, clinching is very suitable to achieve efficient manufacture, lower production costs, and less labor intensity. There is higher fatigue strength of clinching than the spot welding.It i

5、s a definite advantage to have the high fatigue shength for the automotive and other mechanical products that serve in the vibration condition. To improve the economics, lightweight materials such as aluminium-magnesium alloy are used in automotive industry, and the common spot welding is difficult

6、to connect them, clinching is the better choice.Firstly, finite element model of clinching is established on DEFORM-2D software. The finite element simulation of the clinching process is carried out, and five stages of forming process of the riveting are analyzed. Distribution of stress and strain d

7、uring forming process are analyzed.The results show that stress and strain are mainly concentrated on the sheet under the punch and the mosaic part that the upper sheet embedded into the bottom sheet. This paper has studied trendency ofthe load-stroke curve.Secondly, the specimens with different thi

8、ckness sheets (upper sheet and lower sheet) are simulated, and the simulation results are analyzed. The main technology parameters which influence the performance of riveted joint are obtained, these parameters are the shape and size of punch and concave mold, the thickness of the upper sheet and bo

9、ttom sheet ，the material ofthe sheets，the mechanical properties ofthe riveted metal sheet，and so on. And the attention matters of the technology are proposed.Finally, the effect of the depth of the concave mold, the groove depth of the ring in the concave mold, punch fillet size and laying order of

10、the matal sheets (different thickness and different material) that influence joint performance of clinching are analyzed. Moreover, the principles of designing punch and concave mold shape are proposed. This can provide some references for mold design.Making use of the finite element simulation resu

11、lts and the experiment results of the many kinds of combinations, the performance flaws and the solutions of clinching are forecasted. This can provide certain references to the practical application of clinching.Key Words: numerical simulation, clinching, DEFORM第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言随着机械工业的发展， 对机械产品的经济

12、性得到越来越高的关注， 对机械产品的工 艺性也要求可靠、高效、快捷、可实现自动化等等。相应的机械产品如汽车中板料连接 的经济性、高效和自动化等工艺性能也得到越来越高的重视。由于当代机械产品的生产 往往是大规模大批量， 因为这样才能取得规模效应， 才能取得较好的经济比较效益， 要 大批大量生产机械产品， 就要实现机械化、自动化的生产， 这样才能实现产品的快捷生 产。而且实现机械化、自动化能实现质量的稳定、可靠和减轻劳动强度。板料的连接也 不例外，实现机械化、自动化也很有现实及长远意义。而且据研究表明，当整车质量减轻10时，燃油经济性提高3.8，加速时间减少8 ， 制动距离减少5， 转向力减小6，

13、 CO排放减少4.5， 轮胎寿命提高7 1,33。实 现汽车的轻量化就可以大量采用轻金属， 而在汽车中有大量的板料连接件， 如汽车覆盖 件、座椅、内饰件等， 这些都可以采用铝合金或铝镁合金等材料。点焊对于黑色金属之 间的连接是可靠的， 可以实现大批量生产， 故现在点焊连接法广泛应用于这些黑色金属 板料的连接，但对于那些铝合金或铝镁合金材料的连接是很困难的 。为了连接点焊不能或难于连接的那些轻金属材料， 以及实现板料连接的快速性、自 动化等， 无铆钉铆接技术得到越来越多的关注。而且无铆钉铆接可以和粘接联合使用形 成高强度、高刚度的连接，无铆钉铆接还可以不破坏镀层或存在夹层的板料，不发热， 不发光

14、， 铆接设备和模具可以重复使用， 只要设备、模具设计和使用得当， 它们可以有 很高的使用寿命， 特别是对于铝合金或铝镁合金等轻金属材料。无铆钉铆接还不需要辅 助材料，故工艺也很经济，没有废料、没有废渣、没有废气等产生，故还很环保。 无 铆钉铆接（TOX 连接）的连接强度可进行无损检测，这是无铆钉连接所独具的质量检测 方法， 完全适应了现代化工业对连接加工过程自动化的要求。极大地提高了产品质量及 生产效率，降低了生产成本。普通螺纹联接连接费用较高，而且费时、费工，还常容易因振动而松动。采用传统 的铆接工艺都要求先对铆接材料进行预冲孔, 然后再用铆钉进行连接, 铆接工艺复杂、 外观差、效率低且不易

15、实现自动化2。而无铆钉铆接就有利于实现机械化和自动化。在家电制造业和汽车工业等， 使用的板材将朝着轻量、涂层材料的方向发展， 然而 对于连接这些材料传统的点焊连接工艺就无能为力4。因此近几年发展起来了一种新的 优于点焊工艺的无铆钉铆接工艺。本课题来自于江西省教育厅项目： 无模冲铆连接技术 研究。本文应用 DEFORM 软件对无铆钉铆接过程进行了有限元模拟，通过改变各种工 艺参数的数值模拟， 得到各种应力、应变及载荷变化曲线， 得出模具设计的原则和注意1第一章 绪论事项。通过实验研究， 改变模具的尺寸、凸模形状与行程以及改变板料的厚度、材料搭 配和上、下板料叠放次序的数值模拟来得出影响无铆钉铆接

16、接头的因素， 并通过测量铆 接接头成形后的剖面形状得出铆接接头的自锁性能。1.2 无铆钉铆接（TOX）技术的概况1.2.1 无铆钉铆接的工艺过程无铆钉铆接也叫作 TOX 连接， TOX 连接来源于 TOX 公司名， TOX 板料连接技术 为德国 TOX 公司在八十年代末研发的， 并获得了国际专利技术， 还获得德国 RUDORF EBERLE 技术革新大奖。这项技术是一种逐步取代传统落后连接工艺的新型连接方法。无铆钉铆接技术利用 压力设备和连接模具， 通过一个瞬间强高压加工过程， 依据板件本身材料的冷挤压变形， 形成变形点， 即可将不同材质不同厚度的两层或多层板件连接起来。无铆钉铆接技术对 板件

17、表面无任何要求， 连接点处板件表面原有的镀层、漆层不受损伤。连接过程自动化 程度高， 可单点或多点同时连接， 并能进行无损伤连接强度检测及全过程自动监控， 生 产效率极高。(a) (b) (c) (d)图 1-1 无铆钉铆接示意图36Fig.1-1 an Illustration of Clinching1.2.2 无铆钉铆接的特点无铆钉铆接技术和点焊等传统连接方法相比更显其独特优势:它在相同或不同的金属 材料间连接,它能连接 3 层钢板,还能连接中间有夹层(如纺织物、塑料、薄膜、纸、绝缘 材料等) ,另外它还能连接有镀层的及有喷漆面的,而不破坏表面镀层和油漆,这些都是点 焊等连接无法比拟的。

18、在连接强度上,经试验测得TOX单点连接静态强度是点焊的70 % , 但如用双点连接可与点焊相等,而在动态强度上比点焊要高,也就是说,TOX 连接点的寿 命比焊点长3。TOX 冲压连接的出现还改变了传统的板件加工工艺流程，减少了加工工序和物料转 运， 大大降低了生产成本。 TOX 连接作为一种冷冲压加工， 还可以根据实际工件的具体2第一章 绪论要求， 方便可靠地进行多点连接， 即可以同时几个， 十几个甚至几十个点的连接。 TOX 连接模具也可以和工件折弯成型模具组配构成复合模具， 一次冲压加工即可同时完成工 件的折弯成型与连接，生产率极高3。无铆钉铆接基本上是一个冷成型而且比较安静的 过程， 不

19、产生烟雾和污溅。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（钢板、铝、铜等， 夹层中还可以有塑料等非金属材料） 的连接。总之， 无铆钉铆接具有如下优点:1）适合于许多不同金属原料间的连接(包括不同材料和不同厚度)； 2）使连接两种不同金属板料成为可能； 3）连接快速，可实现机械化自动化； 4）对于有涂层的材料无损害或损害极小； 5）过程简单，一步完成且不需要象普通铆接预先打孔；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；10）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；12）连接前后无需处理材

20、料，不会对材料造成破坏。13）可以连接多层板料14）可以把非金属放在夹层进行连接与点焊相比较，无铆钉铆接的缺点有：静态强度没有点焊高，不能对高硬度或经过 热处理硬化的钢材直接进行铆接。与普通铆接比较，无铆钉铆接的缺点有：无铆钉铆接时不能连接塑性差的两块或多 块非金属板料。无铆钉铆接工艺的连接成功率要比普通铆接低， 因为无铆钉铆接的工艺 条件要求较高。3第一章 绪论表 1-1 无铆钉铆接的应用范围42名 称特 征实 例板件材 料相同或不相同的金属汽车仪表框架、车门、排气管、摇窗机板件厚 度最小单板厚度约为 0. 3 mm 最大组合板厚为 8 mm微波炉波导管、汽车保险杠板件表 面状况无镀层的单面

21、或双面镀层喷漆覆塑料薄膜有油污或干燥表面发动机支架牙医机器外壳洗衣机壳体冰箱门风机壳体板件层 数2、3、4层中间夹层(纺织物、塑料、薄膜、箔、纸等)办公椅椅架、汽车油箱由于特有使用环境， 就要求制造质量有较高的疲劳强度。然而， 无铆钉铆接工艺连 接质量的抗疲劳强度明显优于传统的焊接工艺。 TOX 连接与点焊连接在设备投资、工装 模具费、加工运转费等的比较，可以得出 TOX 连接技术与点焊相比，在经济方面也具 有极强的竞争力。大量生产实践统计表明， TOX 连接费用大约是点焊连接费用的 40%-70%3。除此外，与电焊相比无铆钉铆接工艺还有其它优点如表 1-2 所示5。4第一章 绪论表 1 2

22、无铆钉铆接与焊接的比较使用标准无铆钉铆接点焊环境影响较小产生烟雾和污溅静应力单点约点焊单点连接的 70%，高模具寿命高2500密封效果与粘接配合效果更好一般连接技术最大厚度钢材与钢材 8mm （总厚度） 铝与铝 11mm约 6mm连接层数2 4 层2 层安装液压、气动压缩空气电流水效率（次/分）20 6020 40非金属材料可以放在夹层不可以能量消耗小大场地要求小大多种材料可以运用多种金属只适应钢料连接类型机械方法无热量转化， 通过压力变形连接有热量转换， 通过金属镀层金属可以不可以1.2.3 无铆钉铆接工艺的应用由德国 TOX 公司八十年代末研究开发的 TOX 板件连接技术为国际专利技术，

23、在国 外薄板无铆钉连接技术被很多行业广泛应用。现在被很多国外的汽车制造商所采用， 在诸如汽车天窗， 引擎盖， 行李箱盖， 摇窗 机，座椅，安全气囊等部件中，甚至将 TOX 连接工艺作为标准工艺。近几年随着国外 车型不断引到国内， TOX 连接技术也被大量带入到中国汽车制造业中，如富康、奥迪 A6、帕萨特、宝来、广州本田等， 特别是上海大众 2002 年与世界同步推出的 POLO 轿 车， 更首次在白车身上将 TOX 连接工艺大规模的带到中国。 作为全球同步技术的 POLO 轿车， 除了发动机罩壳和行李箱盖外， 还在汽车座椅、仪表盘支架、安全气囊壳体等众 多部件上采用了 TOX 板料连接技术。

24、POLO 轿车后行李箱盖由箱盖外板+箱盖内板+加 强筋均采用双面镀锌板，共 79 个 TOX 连接点相互连接而成。此外在上海大众的 TouranA-MPV 、PassatB6,一汽大众的 Golf-5 、Audi A4 、Audi C6 、Audi A6 以及东风雪 铁龙的标志 307 、BMW5 系列等均大量采用了 TOX 连接技术3。上海上菱电器有限公 司采用 TOX 连接工艺制作的燃油式取暖器的燃烧室(不锈钢板与镀层板连接)。许多汽车 部件， 如汽车摇窗机、顶窗、汽车尾灯导板等， 以及家电制造业、特种机床制造业还有5第一章 绪论一般工业等，都已将 TOX 连接作为标准工艺。例如日本美能达

25、的复印机机座；德国 Ziehl-Abegg 的风机壳体； 美国Apple 计算机壳体； BMW 汽车的制动器罩壳、车门、仪 表柜架； Bosch-Simens 微波炉导管、干燥机顶盖等工件的连接5。德国大众公司即采用 了 TOX 连接工艺进行车身连接的无人生产线； 山东巨力集团采用 TOX 技术用于农用车 箱板连接6。飞彩集团在农用运输车货厢厢板生产中应用了无铆钉铆接（TOX）技术， 并取得良好的经济效应7。广州机床研究所在为“美的”风扇厂制造的落地式风扇圆筒 支架与法兰件的动压连接专机中，采用了一种先进的以气液增力缸为动力的托克斯 （TOX）动压连接新技术8。(a)POLO 轿车后行李箱盖3

26、（b）POLO 轿车后行李箱盖加工工位3图 1-2 无铆钉铆接工艺在汽车车身制造中的应用 Fig.1-2 Application of Clinching in Automobile Body Manufacture1.3 无铆钉铆接工艺的国内外研究现状只要测得无铆钉铆接点的底厚值“X”,即可知道改点的抗拉强度，利用这一特性可 以简便可靠的地将无铆钉铆接加工过程自动化， 实现全过程自动检测， 严格保证每一点 的连接质量3。托克斯(中国)冲压技术有限公司研究人员指出，由于 Tox 连接技术自动 化程度极高， 可同时多点连接， 并可无损伤地检测连接强度， 严格保证了连接质量， 极 大地提高了生产效

27、率，降低了生产成本，其连接费用仅为点焊的 40%-70%12。无铆钉 铆接还可多点同时连接，效率极高。无铆钉铆接不会出现应力集中5。匡锡红等指出， 在连接强度上， 经试验测得到 TOX 单点联接静态强度是点焊的 70%， 但如用双点连接可以与单点相等， 而在动态强度上比点焊要高， 也就是说， TOX 连接点 的寿命比点焊的寿命长9。李勇等通过 TOX 连接圆点金相照片得出：板件材料在挤压 形成的 TOX 连接圆点处，其内部晶粒结构被细化且有序化排列，材料硬度得到提高， 而且在最薄弱的部分，其硬度值提高最大6。这说明在 TOX 连接点处板件材料的机械 性能不仅没有受到损害，反而有了很大提高。此外

28、，在 TOX 连接圆点处，材料均是塑 性范围内变形，其内部晶粒本身及晶粒之间基本无撕裂损伤，由此保证了 TOX 连接圆6第一章 绪论点处无应力集中。故 TOX 点不仅通过其板件材料的互相镶嵌而具有足够的静态抗剪、 抗拉连接强度，而且还具有极佳的动态疲劳连接强度9。韩向东等指出，板料的原始组织为细晶粒结构, 在板料的初压入阶段基本不变。但 进入冲压连接点前期成型阶段后, 颈状部位的的材料组织受到很强的挤压作用, 晶格被 压缩, 显微硬度提高, 表面得到强化 10。无铆钉铆接连接处材料由于挤压产生塑性变形,其金属颗粒沿着受力方向被拉长为 纤维状组织,所以金属的力学性能呈现各向异性. 而金属力学性能

29、变化最突出的是:随着 变形程度的增加, 出现强度、硬度提高;塑性、韧性下降的加工硬化现象12 。经测定,变 形处各点的硬度值是未变形材料的约 1. 5 倍 11。一般说来, 被连接的板料的韧性越好, 连接的强度越好。冲压力、冲压速度的大小 和被连接的材料以及冲压连接圆点的直径有关。冲压连接圆点直径、深度、冲压连接点 底部厚度。一般来说, 连接点径越大, 其连接强度越高13。李勇和夏元海等指出， TOX 连接点的形成归功于 TOX 冲压设备， 其动力执行缸采 用 TOX 气液增压原理，其在整个过程空气耗量极少，大大节省了能量，与一般的冲压 设备相比，最高节能可达到 90%14。匡锡红等指出， 板

30、件冲压和液压系统相比, TOX 冲压通过软到位(即在模具接触工件 前系统内只有低压) ,可在快进行程中保护模具,保证工件无冲击、无噪声,极大地提高了 工件的加工质量。接触工件后,通过油压开关和压力表控制冲压力。而液压系统中模具与 工件高压碰撞,只有通过附加设施才能加以避免 15。通过冷挤压而实现的 TOX 点连接技术，其适应范围极广，理论上讲只要能发生塑 性变形的金属板材都可以采用 TOX 连接， 即使对不锈钢这种塑性较差的材料， TOX 连 接同样可以达到相当好的效果 8。用 TOX 冲压连接代替点焊， 效率提高 12 倍， 凸点均 匀整齐，连接可靠，质量稳定，更有利于后续漆前处理和电泳底漆

31、9。TOX 连接技术对板件表面无任何要求，不需除油处理，即使在极狭窄的法兰边上 或很小的安装空间里，也可以成功地进行 TOX 连接。连接点处板件表面可以有薄的镀 层、漆层、覆盖的塑料膜， 连接板之间还可以用纺织品、塑料、箔、薄膜、纸作为中间 夹层，在进行 TOX 连接时都不会被破坏，也不会影响其抗腐蚀性能和防锈性能16。TOX 连接要求所连接构件的材料需具有一定的延伸率，因为连接过程中材料在被 连接部位剧烈变形及塑性流动， 塑性差的材料在连接过程中往往被拉断。试验中发现具 有一定延伸率的不同材料板件之间的连接一般都能取得理想的连接效果， 但板件材料强 度或延伸率相差过大的不同材质的组合冲压连接

32、不理想。 TOX 连接点径、组合板厚的 选择与 TOX 模具相关连，必须很好选配，保证有适当的侧向过盈量，这样在冲压连接 的过程中才有充足的材料产生塑性流动而相互镶嵌。不能任意组合， 否则轻则造成连接 不良，重则损坏模具或机床。铆接点的直径越大连接强度越高,TOX 设计时尽量避免使 用单点，单点在有较大扭矩时有转动的趋势 17。7第一章 绪论点焊连接技术的使用常常受到不同材料的限制。此外, 对于多层板件、复合板件、 不等厚度板件, 以及中间有夹层板件的连接, 这些方法就更困难。无铆钉铆接技术成功 地解决了以上问题 18,19 。杨小宁等指出， 无铆钉铆接强度主要包括剪切强度和剥离强度。剪切强度

33、主要由颈 部厚度值决定, 剥离强度主要由上板料嵌入下板料的厚度值决定。 而这两个值与模具设 计参数以及工艺参数有着直接的关系19。J.P. Varis 指出， 当较厚的板料作为上板料时， 无铆钉铆接的接点抗剪力的能力大于 较厚板料放在下面时的接点抗剪力的能力。在相同的板料和相当的尺寸（方形接点的边 长等于圆形接点的直径）条件下， 方形接点的抗剪力的能力大于圆形接点抗剪力的能力。 而圆形接点能够抵抗各个方向的剪力， 而具有较好的抗剪力性能， 而方形接头在剪力方 向改变时， 其抗剪力的能力变化很大。在连接板料时如果需要抵抗方向不定的载荷， 就 可以选择圆形接点20。M. Carboni 通过对无铆

34、钉铆接接头的研究表明， 疲劳失效模式和铆接接点的形状关 系不是非常大。铆接接点所受到的疲劳载荷的类型或者受到多个疲劳载荷时疲劳载荷之 间搭配形式、分布以及比例对铆接点的影响较大。结果表明无铆钉铆接连接疲劳极限可 以达到材料强度极限的 50%，这比点焊的疲劳强度高得多， 经显微观察知存在三种失效 模式， 一是经长期的微动磨损引起得疲劳失效， 二是在铆接接点的有压痕的颈部发生疲 劳失效，三是在有应力集中的关键地方发生疲劳失效21。Juha Varis 通过对无铆钉铆接和自冲铆接的经济性考察得出无铆钉铆接的费用的不 同在模具损耗上， 无铆钉铆接的模具寿命主要由模具材料、工艺、被铆接的材料特性以 及其

35、它外部因素决定， 要提高无铆钉铆接的经济性就要提高模具的寿命。自冲铆接的费 用在铆钉的成本上占了很大份额， 而自冲铆接的模具寿命很高， 几乎可以忽略模具的成 本。一般的说如果铆接材料较软则无铆钉铆接模具寿命高，则采用无铆钉铆接更经济， 反之亦然。在计算成本时还要考虑设备的添置的固定资本22。Juha Varis 指出，铆接设备及模具要处在正确的位置，板料也要放置正确，模具不 允许弯曲， 要控制好凸、凹模之间得偏心现象。铆接设备、滑块和铆接模具的工作条件 要得到良好的控制， 否则由于运动部件的磨损将导致模具运动不正常， 这将直接影响铆 接接点的质量23。A.A. dePaulaa 等发现凸模锥度

36、、凸模末端直径、凹模直径、凹模内的 环形沟槽、凹模的形状和凹模深度等会引起无铆钉铆接接头颈部厚度的变化。其又指出 在拆解一个无铆钉铆接接头时如果加入一个弯曲力， 那么接头更容易拉脱， 拉脱的力量 将较小24。R.F. Pedreschia 等发现无铆钉铆接能用于冷成形钢的结构桁架，并得出以下结论： 当铆接的个数增加时桁架的强度也增加， 桁架失效时从铆接点的失效到桁架杆件的失效 都发生了很大变化。由于载荷的增加导致发生铆接接点的韧性破坏， 最终发生桁架的破 坏是在最大载荷时发生的，可以通过对个别接点进行少数屈服测试来预测25。8第一章 绪论R. Lennon 等研究发现， 方形的无铆钉铆接受到剪

37、力时， 其受载能力和载荷的方向 密切相关， 当受到的力和无铆钉铆接有自锁的那条铆接线垂直时， 其承载能力最高， 而 当受到的力和无铆钉铆接没有自锁的那条铆接线垂直时， 其承载能力最弱。铆接的失效 模式也和载荷的方向密切相关， 当载荷和自锁的那条铆接线垂直时， 铆接点发生塑性变 形而破坏， 而如果载荷和铆接自锁边平行时， 两板在铆接点处会发生滑移。无铆钉铆接 的承载能力和被铆接的厚度密切相关， 当铆接板料厚时， 承载能力强， 当板料薄时承载 能力弱26 。R. F. Pedreschi 等发现，无铆钉铆接的抗剪切能力小于自攻螺纹连接和普通 铆接。无铆钉铆接接点还可以抵抗弯曲的作用， 当有一组铆接

38、接点时， 抗弯距的能力更 强。无铆钉铆接接点的转动的行为和自攻螺纹以及普通铆接的行为类似27。K. Taube 等研究了对模具进行镀层或附膜处理，发现进行镀层或附膜处理的模具 抗铝合金以及钢板等工件的粘接和磨损的能力有了很大提高。对板料进行接近实际工况 无铆钉铆接的原理研究表明， 由于会发生干摩擦， 导致模具磨损和粘接等现象， 故对无 铆钉铆接的模具进行碳氢化合物的加膜或附膜是有必要的28。1.4 课题的主要目的及其内容无铆钉铆接技术在实际的生产应用中存在着极大的优势， 但是仍然存在着许多问题 有待于我们进一步研究。例如， 各种工艺参数对无铆钉铆接质量的影响； 无铆钉铆接工 艺参数优化，无铆钉

39、铆接设备及模具的设计等。本课题主要目的通过数值模拟方法研究无铆钉铆接工艺， 以及工艺参数对铆接接头 性能的影响。本文主要工作内容如下：1）利用 DEFORM 有限元软件对在 CAD 中建立的无铆钉铆接有限元模型，对铆接过 程进行有限元模拟，分析铆接过程成形过程、应力应变变化、以及载荷-行程变化趋势 以及铆接成形过程与载荷-行程的关系。2）对不同厚度铝板和钢板的组合进行模拟，分析在被铆接板料厚度变化情况下影响 铆接接头性能主要工艺参数，并对提出模具的设计原则。3）分析模具形状、板料厚度、材料硬度和上下层板料放置顺序（包括不同厚度和不 同材料） 对无铆钉铆接接头性能的影响， 最后利用多种组合有限元

40、模拟结果， 对铆接接 头性能缺陷进行预测。4）根据模拟的结果，进行无铆钉铆接的实验，并根据模拟和实验的结论提出防止无 铆钉铆接缺陷的方法，为无铆钉铆接模具设计和工艺制定提供参考依据。9第二章 无铆钉铆接技术的理论研究第二章 无铆钉铆接技术的理论研究2.1 无铆钉铆接的几种形式无铆钉铆接不需要预先钻孔， 是通过凸模的挤压在凹模内使上板料嵌入下板料的一 种高速机械连接工艺。圆形无铆钉连接依据其所使用模具的不同接头形式是多样的， 图 2-1 所示为无铆钉连接模具的三种形式35。图 2-1(a)是凹模分离式无铆钉连接，这种连 接的特点是其模具的凹模由 2 个或者 3 个可动部分组成， 当板件加工时，

41、可动部分聚拢 形成模体， 当连接点形成后， 可动部分打开将板件移出。其特点是模具的结构相对复杂， 但连接点强度较高。图 2-1(b)是直壁整体模式无铆钉连接，这种连接的特点是模具是一 整体， 模具的结构简单， 制作方便， 寿命长等， 适合于大批量加工。这种形式适合于板 厚小于 4mm 的板件连接。图 2-1(c)是平点无铆钉连接， 对于某些零部件， 圆点的凸出形 状可能会有所妨碍， 此时采用平点无铆钉连接。平点无铆钉连接的加工过程分两步： 第 一步先形成凸起的圆形无铆钉连接点； 第二步是取平砧座， 取圆柱冲头， 将凸出的连接点压回去。加工后无铆钉连接的高剪切几乎不受影响。(a) 分模式无铆钉铆

42、接(b)直壁整体模式无铆钉铆接 图 2-1 无铆钉铆接的三种形式 Fig.2-1 Three Forms of Clinching(c)平点无铆钉铆接无铆钉铆接根据其外部形状又分为圆形和方形无铆钉铆接。其中圆形无铆钉铆接是 轴对称的， 其用于使上、下板料相互镶嵌的凹模底部凹槽是轴对称的， 铆接点中上、下 板料互相嵌入的部分也是轴对称的环形,如图 2-2（a）所示。方形的铆接接头只有两个边 中有上、下板料相互嵌合现象， 这两个边是平行的， 另两个边没有板料的嵌合， 在受载 时只有嵌合的两个边有承载能力， 故受到剪切作用时载荷要垂直于相嵌合的两边， 承载 能力才最大， 当平行于此两边时， 承载能力

43、最小， 图 2-2（b）所示为方形的无铆钉铆接 接头的没有相互嵌合的两条边。10第二章 无铆钉铆接技术的理论研究（a）圆形无铆钉铆接 （b）方形无铆钉铆接图 2-2.无铆钉铆接剖面图Fig.2-2 Profiles of Clinching2.2 无铆钉铆接成形过程和连接机理由于直壁整体模的无铆钉铆接和分模式无铆钉铆接在成形过程中前者是金属向下 流动， 而后者向外流动， 但是就其原理来说是非常近似的， 只是后者在成形时分体模象 整体模一样工作， 而成形完成后分体模要分开， 以利于凸模的上行， 进行脱模， 这是辅 助工作， 但成形的主要工作原理是一致的， 由也不影响对凹模的分模式铆接成形原理的

44、讨论，故可以取直壁凹模作为代表讨论无铆钉铆接的工作原理。（a ） （b） （c ） （d） （e）1.凸模 2.上板料 3.下板料 4.凹模图 2-3.无铆钉铆接的过程Fig. Process of Clinching1） 板料准备压入阶段如图 2-3（a），在这个阶段先确定凸模复位到上止点， 先把下板料平正的放入， 使 要铆接的地方尽量对准凹模或凸模的轴心线， 然后把上板料叠放在下板料上， 也要注意 使要铆接的地方对准模具的中心。如果有自动定位装置则要把上、下板料叠放好后再启 动定位程序。2） 无铆钉铆接前期成形阶段（弹性成形阶段和初始拉伸阶段）如图 2-3（b），无铆钉铆接前期成形阶段包括

45、初始压入的弹性阶段与初始拉伸成形 阶段。板料初期压入阶段， 为从凸模接触上板料开始,到上、下板料开始发生塑性弯曲为 止。这一过程中,在凸模的推力作用下， 上板料与凸模接触的板料部分也发生弹性弯曲变 形现象， 会导致在凸模端面圆角环面处受到的力最大， 而由于板料上凹趋势导致在凸模 的中心受到的力较小。无铆钉铆接初始拉伸成形阶段是从上、下板料开始发生塑性变形11第二章 无铆钉铆接技术的理论研究起, 到下板料与凹模底部接触为止。在这个阶段，随着凸模的下行，上、下板料受到凸 模端面及圆角、凹模内侧面和凹模端面的作用, 在弹性变形和塑性变形的综合变形作用 下形成上部轮廓。在无铆钉铆接的前期成形阶段,在与

46、凸模圆角接触的上板料组织受凸模 和凹模的挤压, 晶格被压缩,组织被强化，而且凸模开始压入上板料。无铆钉铆接初始成 形阶段和普通拉深相似, 不同之处是在无铆钉铆接形成阶段必须成形出压入上板料的凹 陷轮廓31。3） 无铆钉铆接的板料金属向凹模凹槽流动的填充阶段如图 2-3（c ），在无铆钉填充阶段, 凸模继续下行,挤压上、下板料,直到凸模到达 接近死点为止。在这一过程中, 由于凹模的环形凹槽对下部材料的圆角处无约束力, 材 料首先在挤压力的作用下向环形凹槽处流动, 填充环形凹槽。随着环形凹槽充满的增多, 材料流向环形凹槽处的阻力逐步增大,而凹模最底部凹槽的阻力变得相对较小,上板料 中的材料开始同时

47、推动下板料向凹模底部环形凹槽流动。在这一过程中, 由于无铆钉铆 接初始成形阶段形成了连接点的上部轮廓,且由于凸模是一个倒锥，这样倒锥对板料有 一个向下的压力。而且凸、凹模和上、下板料间的压力很大， 导致摩擦力很大， 这样材 料就不容易向上流动， 材料只能向外流动,从而形成上、下板料相互咬合而连接在一起。 最后当凸模 1 到达下死点时,无铆钉铆接接头完全成形。4） 墩锻保压阶段如图 2-3（d），在墩锻保压阶段,模具应继续保持一定时间的防止板料回弹的压力, 使上、下板料充分填充环形凹槽并保证压无铆钉铆接接点完全定形。墩锻保压阶段控制 得好坏直接影响产品的合格率。从以上工艺过程分析可以看出, 无铆

48、钉铆接是一种机械 连接, 它对材料的本来特性几乎没有损伤,反而在挤压作用下, 晶粒细化, 承载能力提 高。上、下板料相互咬合部分(即无铆钉铆接接点) 是由模具挤压而产生的,而且凹模内 的板料受到一个三向压力的作用， 因此塑性变形时, 在压力的作用下 , 各组成部分形成 平滑过渡, 从而产生一个既无棱边又无毛刺, 且不存在很大应力集中的圆连接点, 所以 无铆钉铆接圆点具有极好的连接疲劳强度。而且在整个圆点成形过程中没有高温和化学 变化, 无论材料有无镀层、夹层或覆盖物, 都可保留其原有性能不受损伤。相对而言。 普通铆接和无铆钉铆接的受力反应性能基本相似, 但它需要额外钻孔，增加了工序，另 外,

49、需要额外投入铆钉等原材料, 也提高了产品的生产成本。且难以适应规模自动化化 生产的需求, 且质量不稳定, 工序多, 劳动强度大31。5） 退模阶段如图 2-3（e）， 在这个阶段凸模上行， 由于凸模上是一个倒锥， 那么脱模较为容易， 只要凸模上行即可， 然后把铆接好的板料取下来即可， 如果是连接多点的自动化的铆接， 那么先要使整个模具与被铆接板料脱离， 然后自动移动板料或者模具， 再进行新的铆接。在以上成形的过程中被连接金属“流动”时，镀层和漆层也随之一起“流动”，故 对有镀层和漆层的板料进行连接后仍能保留其原有的防锈防腐特性。12第二章 无铆钉铆接技术的理论研究2.3 无铆钉铆接疲劳强度大于

50、焊接的的原因分析由以上分析的无铆钉铆接的工艺特点决定： 无铆钉铆接接头的疲劳强度大于焊接的 疲劳强度。电焊是现在常用的黑色金属板料的连接方式， 但它的疲劳强度不如无铆钉铆 接的。其原因为： 焊接区是融化后凝固的， 且冷却速度较大且内部和外部冷却速度不同， 焊缝处应力集中较大且不均匀， 内部和外部分别受拉、压应力， 受拉应力的地方很有利 于裂纹发生和扩展； 焊缝质量不易控制； 焊缝还有很多微小缺陷， 如夹渣、缩松、孔洞 等等， 这些地方是微裂纹扩展的重要来源之一； 焊接区各种相及杂质等成分、形态复杂， 而且焊接热影响应力、热处理状态区易出现微裂纹； 还有易出现大的片状或网状马氏体， 而这种结构很

51、硬脆， 易破裂， 且破裂后就成了微裂纹发生、发展的一个重要隐患， 虽然 电焊条增加了一些改善焊缝有益的元素如镍等， 但由于焊接时恶劣的发热、变温等条件， 一些焊缝缺陷是很难根除的； 易出现白口； 由于焊缝区存在大量应力， 故很易出现应力 腐蚀， 还有焊缝中存在大量不同的元素、相或者杂质等， 故焊缝处易出现电化学腐蚀等 情况， 这些都将导致焊缝出现微裂纹、凹坑、孔洞或其他缺陷而导致疲劳寿命下降； 且 焊缝一般厚度不会太大， 则疲劳裂纹往厚度方向扩展的长度有限， 故焊接疲劳强度不会 太大， 且裂纹常在不同区域同时发生和扩展， 然后主裂纹之间互相连通， 到焊缝的疲劳 极限的尺寸的时候就发生了疲劳瞬断

52、， 这就进一步减小了焊接的疲劳强度。而无铆钉铆 接是通过模具挤压成形， 通过金属的流动成形， 成形的接点处过渡较为平顺， 没有材料 的融化凝固影响材料的内部成分，没有象点焊一样因为融化和热变化造成大的应力集 中，故无铆钉铆接疲劳强度较高。2.4 无铆钉铆接接头的剖面评价标准及造成原因在上述铆接过程完成之后， 就要确定铆接接头的质量。当确定一个无铆钉铆接连接 是否理想时，首先从外观进行判断。完好的连接形状应满足下列外观条件：1）铆钉的变形截面应成轴对称，且铆接接头要有向周向或者向下的突起，平点的无 铆钉铆接要在没有压平时候才可以看到突起， 有突起表明上、下板料很可能互相咬合形 成了机械自锁。铆接

53、后铆接接头要充满或很接近充满模具， 使铆接接头的形状和模具的 形状相同或者很相近， 这样才能够实现设计的意图， 这主要由凸模的行程和模具的形状 决定。2）铆接接头内部的上板料不应有裂纹，如果有裂纹会使铆接接头的抗剪切能力以及 抗轴向拉脱能力降低， 而且在这个通过破损点的铆接接点的圆周处的上板料金属层都很 可能很薄， 因为模具是轴对称的， 当然也可能因为材料的局部成分或局部摩擦不均等原 因造成局部破损。还有造成铆接接头内部的颈部出现破损的原因是由于凹模的深度相对 较深， 导致在凸模下行行程较长， 在凸模的拉深和挤压作用下上板料破损。在铆接接头 成形时凸、凹模间的径向距离过小， 由于模具间的过度的

54、径向挤压也会造成上板料在铆 接接头的颈部处破裂， 无论哪种情况下的破损都有可能造成无铆钉铆接接头的力学性能13第二章 无铆钉铆接技术的理论研究的下降。如图 2-4 所示“1”位置就出现了破损。 3）在无铆钉铆接的颈部的下板料不应该破裂；如果破裂也会造成铆接接头抗轴向拉力 的能力下降， 但如果上板料在此颈部成形状态较好、较厚， 那么成形接点抗剪力的能力 下降相对较少一点， 由于在铆接点受剪切力时两块板料的作用力中心线不在同一条直线 上， 两者有一个垂直距离， 故受到一个翻转力矩， 那么受到剪应力时板料可能有稍微翻 转现象，导致抗剪力能力也是下降的。4）铆接接点中的上、下板料应该保持完好性，不要出

55、现冲孔现象。如果上、下板料 都被冲孔， 那么连接彻底失败， 将完全不能受力。出现冲孔现象的原因可能因为凸模和 凹模间的径向距离过小， 或者凸模的行程过长， 或者凹模的深度相对于板料的厚度过深。5）铆接接点的上、下板料的底部不应该压得太薄或者压破，如果太薄或者破裂，则 铆接接点抗拉脱能力和抗剪力能力将大打折扣， 因为上、下板料互相嵌入部分在没有铆 接接点底部板料支撑的情况下容易脱开， 导致连接失效。铆接点的底部的上、下板料压 得太薄或者压破的原因是凸、凹模间隙过大且凸模行程太大（相对于板料厚度及凹模深 度尺寸）。1-铆接点颈部 2-铆接点凸台根部 3-上板料 4-下板料图 2-4 无铆钉铆接接头的截面图Fig.2-4 Profile of Clinching Joint以上只是从外观上对铆接质量进行了还不太全面的评价， 要想达到的铆接质量， 还 要