文献综述-冯模盛

1、科学技术前沿讲座论文报告薄板材料连接新技术压印连接技术姓 名冯模盛专 业机械制造及其自动化研究方向薄板材料连接新技术攻读学位硕士时 间 2010年10月5日压印连接接头疲劳性能研究冯模盛摘要：压印连接是实现对薄板材料连接的一种新技术。本文介绍压印连接的成形原理及其连 接工艺的优缺点，总结了近几年压印连接技术的理论研究，指出了压印连接的应用前 景。关键词：压印连接薄板连接机械性能有限元分析1.引言近年来，随着能源加剧地消耗和家电及汽车行业的快速发展，越来越多的制 造业要求自动化，高效、降低成本而采用新轻型材料。而这些新材料的特性决定 了其不能用传统的点焊或铆接技术，压印连接技术成功的解决了这一难

2、题，成为 未来机械连接技术发展的新趋势。压印连接技术是机械压力连接技术的一种。它是专用的压印连接模具在外力 的作用下，迫使被连接材料组合在连接点处产生材料流动，形成一个相互镶嵌的 塑性变形的连接过程，该连接点具有一定的抗拉强度和抗剪强度。这种技术可以 广泛应用于钢板、不锈钢、铝板及非金属复合板材，表面有喷涂层、油漆层的金 属板件的连接，有其点焊和铆接等传统连接方法不可替代的优点。工序简单、高 效、环保、易实现自动化。为了连接点焊不能或难以连接的轻型薄板材料，实现连接的快速性、自动化 等，压印连接技术的应用得到越来越多的关注。传统的连接工艺比如点焊、铆接、 螺纹连接等工艺均存在诸多缺点和使用上的

3、缺陷。以点焊为例，点焊过程能耗高、 成本高、效率低，发光发热，有废弃物等，不仅会造成工件变形，还会损伤工件 表面，尤其对有镀层的工件，严重破坏了其连接点处的耐腐蚀性，降低了连接点 的使用寿命，同时由于连接点处存在热变形而引起应力集中，极大的降低了连接 点的动态疲劳强度。此外，对有镀层的板件、板厚差异过大、或材质相异的板件、 新型非金属材料，以及三层以上的多层板件，很难或根本无法实行点焊。压印连 接技术以独有的特点完全适应于现代工业对机械连接的要求。直到20世纪80年代，压印连接技术才被应用到工业领域。1986年，BTM公 司在美国引Tog-L-LocW标，Trumpy GmbH和TOX Gmb

4、H在 1987年开始生产压印 连接设备。一年后，AttexorEquipments S.A.在瑞士开始生产压印连接设备。这种 装备是BTM公司在1993年在美国获得“板件连接设备”专利。1996年悉尼大学 为“冷成形刚结构”制订了澳大利亚/新西兰标准AN/NZS4600，标准中阐述了压 印连接及其他单紧固件连接的测试1。对于压印连接技术最初的研究是随着昆明 理工大学-囹、帕德伯恩大学-】11】、爱丁堡大学-费和拉普兰塔科技大学19】-24 的研究而发展的。压印连接的成形原理2.1压印连接的工艺过程压印连接技术是利用一套简单的圆形凸模和凹模，在专用的压力装置上通过 一个冲压过程，将被连接的板件挤

5、压进凹模，通过板件之间的镶嵌实现连接。如 图1，首先随着上模下行，板料的作用力下，材料在下模内开始变形，同时下模 的活动部分向外张开，以使金属材料充分的在下模的型腔内变形，形成一个紧密 地连接点，然后上模返程，下模的活动部分随弹簧力一起回到原始位置。压印连 接的过程可以分为以下四个过程：定位阶段压入阶段深压阶段成形阶段图1压印连接点可以分为圆形连接点和矩形连接点。金属板件在圆形模具的作用 下，发生内部形变，形成无损伤的连接点，外形比较美观。矩形连接点是结合切 割和变形工艺过程的连接，主要适用于硬质材料和不锈钢板件。2.2压印连接的优缺点压印连接技术的主要优点:1）可以无损伤检测连接点强度2）没

6、有原料消耗和不需要辅材3）连接区域没有热应力4）不会损坏工件表面的保护层5）允许有夹层或多层连接6）不需要预先或事后处理7）抗疲劳性能好8）工作环境好，没有烟尘排放、没有噪声污染9）使用费用低廉10）连接快速，可实现机械化自动化压印连接技术的主要缺点：与点焊相比较，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压印连接；与普通铆接比较，压印连接不能连 接器塑性差的两块或多块非金属板材。压印连接连接点强度的检测可以从一下三个方面进行评价：1）静态强度（连接点的抗拉、抗剪、抗剥离强度）2）疲劳强度（振动载荷、连续的震动测试）3）抗冲击强度（冲击负荷、冲击检测）压印连接点的连接质量

7、和成型的几何形状、尺寸直接相关，因此可以通过目测 连接点外观，测量尺寸，得出连接点的质量。可以通过检查连接点底厚值ST无 损伤的检查连接强度。压印连接常见的失效形式：剥离和断裂。2.3压印连接模具结构及连接板主要参数25选配板厚组合和模具时要保证一定的侧向过盈量 d,即组合板总厚度与凸、 凹模单边间隙值的差为： d=（t+t）-（d-d）/2。还要选择适当的凹模深度， 这样在压印连接过程中才有充足的材料产生径向塑性流动而实现相互镶嵌。模具设计如图3所示图3压印模具结构及主要参数 TOC o 1-5 h z 图中：t 上板厚度；t 下板厚度；d 凸模直径；d 凹模直径；h 1、2 1 21.凸模

8、高度；h凹模深度；ai凸模锥度ri凸模圆角半径；X连接点底部厚 度；r 凹模圆角半径；b 环行槽开口宽度，n颈部厚度，t镶嵌量。根据经验公式：20.3NX/ （t + t ）N0.2, h Nt + t + h -X, h 忍d /3, t 忍b , r t121122222211凸模锥度a的选择应满足下列两个条件：有利于形成可靠的连接圆点有 利于连接板件脱模。2.4经典疲劳失效机理理论26疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹扩展和疲劳失效等几个大的阶段。2.4.1疲劳裂纹萌生过程及机理大量实验研究表明，疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引 起，主要有表面滑移带开裂纹；第二相，夹杂物或其界

9、面开裂纹；晶界或亚晶界 开裂等，对于滑移开裂产生裂纹，大量研究资料指出：金属在循环应力长期作用 下，即使应力低于屈服应力也发生循环滑移形成滑移带，并有一些是无法用电解 抛光去除。2.4.2疲劳裂纹扩展过程及机理疲劳微裂纹萌生后即进入裂纹扩展阶段。根据裂纹扩展方向，裂纹扩展分 为两个阶段：第一阶段从侵入沟或挤出脊先形成裂纹，随后，裂纹沿主滑移系方 向，以剪切方式向内扩展。但有缺口等缺陷的试样，可能不出现裂纹扩展第一阶 段。当第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直 于拉应力方向，进入第二阶段扩展。在室温及无腐蚀条件下疲劳裂纹扩展是穿晶 的。这个阶段的大部分循环周期内，裂纹

10、扩展速率大约10-510-2mm，第二阶段 的断口特征是具有略呈弯曲病相互平行的沟槽花样，即疲劳条带。它是裂纹扩展 时留下的痕迹，每一条带可视为一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向和条 带垂直。要提高此阶段疲劳强度就要通过强化晶粒的强度来实现或者通过选用更 优良材料等来实现。2.4.3疲劳失效的特点疲劳强度是指材料经过无数次交变载荷而不发生断裂的最大应力值。（1）疲劳失效时，零件内部的工作应力值远低于材料的抗拉强度，甚至远低材料的屈服强度。（2）疲劳失效一般要经历裂纹萌生、裂纹扩展和断裂等几个阶段。（3）疲劳断口具有明显宏观形貌特征，疲劳发展区是光滑的，脆性断裂区时粗糙的。对于同一种材料，在

11、对称循环载荷下疲劳的应力值最小，常以 此作为设计准则27。压印连接机械性能的国内外研究状况随着新型材料广泛应用于机械产品中，压印连接技术作为一种前沿的连接引 起了国内外研究机构的重视，相继出现了一些研究成果。有限元模型的建立和分析能够快速掌握压印连接过程中的很多重要的信息， 比如：金属的流动及在下模型腔内的填充。在国外文献中何晓聪在论文压印连接 接头扭转自由振动特性中指出悬臂式单搭接接头的固有频率、模型形状对变形的 影响，得出悬臂式单搭接接头杨氏模量的增加会相应引起变形量的增加，而在论 文单搭接接头悬臂梁动态性能中，以有限元软件预测了单搭接接头悬臂梁的固有 频率，模型形状，频率响应函数等参数，

12、并通过实验来分析对比2-3。另外何晓 聪还概括了近期用有限元分析压印连接技术的发展状况，主要在动态的工艺模 拟，接头强度，振动特性等方面的研究囹。J.P.Vari等指出通过建立压印参数利 用有限元程序对压印过程进行仿真和测试，并基于这些仿真给出了一些模具组合 的压印参数28。M.Carboni,S. Beretta,M.Monno等指出对压印连接接头进行拉伸试 验、疲劳试验和残余强度测试，结果显示压印连接接头具有良好的疲劳特性。用 显微镜进行观察得出，疲劳破坏存在着三种破坏形式，这些取决于加载的最大力 和疲劳试验应力比，通过有限元分析可以验证压印连接接头疲劳破坏区域出现在 应力集中的地方。P.

13、Bcllini等指出利用计算机视觉、软件工程、程序模型和通 过面向对象的模型阐述了一种压印连接技术的质量控制系统，该系统可以对复杂 的压印连接区域进行实时评估30。90年代Liebig等也研究了另一种压印连接接头 质量的实时监控系统31-33。Juha Varis对比了压印连接技术和自冲铆技术，他研 究得出两种技术的生产成本和连接的数量成正比，模具在成本中的影响很小，甚 全可以忽略，还提出了一种对比每一种连接方法的成本的一般程序34。另外,Juha Varis还对压印连接的方形接点和圆形接点进行了对比研究切。在国内，对于压印连接技术的研究起步的比较晚，但也取得了一些重要的成 果。韩向东，王存堂

14、等在其论文中介绍了压印连接技术及其机理，并对压印连接 处的金相组织进行了分析35。邵兵，白创明等以洗衣机铝箱体的模具设计为例， 阐述压印连接成形原理在模具设计中的应用，并给出了模具设计中的参数设置 36。杨小宁，佟铮等以有限元软件ANSYS为平台，对金属板件压印连接过程中 的应力场和应变场进行计算，通过模拟与试验结果的比较，研究了影响连接强度 的模具设计参数和工艺参数，证明了可以通过数值模拟进行参数的优化设计，以 提高连接的经济性和时效性22。孙希延，李泉永，杨连发对板料的拉伸成形过 程进行了数值模拟，结合ANSYS有限元软件给出而来模型的几何描述、接触算 法选择、接触摩擦模型的建立等具体方法

15、37。刘亚丽，张益华等分析了机械压 力连接几何参数对连接点强度的影响，并以有限元软件模拟了压印连接的成型过 程38。尽管在压印连接的研究上已经取得了诸多的研究成果，但对与接头的动 态性能和疲劳寿命的基础理论研究还没有涉及到，本次设计主要针对压印连接接 头的结构性能和疲劳性能进行研究。4.结束语目前，在这国内压印连接技术的研究还处在起步阶段，但在工业欠发达国家 得到了非常广泛的应用，其优异的静态力学性能以及动态疲劳强度，低能耗、高 效率、安全方便的加工特性尤其受到国际汽车工业、电器工业等生产厂家的广泛 重视。随着汽车制造业竞争的日益剧烈，汽车制造厂商都不断向市场推进新款车型。 新车型，除了突出质

16、量好、价格低、样式新、功能全等特点之外，主要的竞争集 中在汽车行驶的经济性上。实验证明，应用新材料，使用轻型材料实现汽车车身 的轻量化，改善汽车行驶经济性是行之有效的。通过降低整车质量可使汽车的很 多性能得到改善和提高。研究表明，当整车质量降低10%时，燃油经济型提高 3.8%，加速时间降低8%，CO排放减少4.5%，刹车距离减少5%，轮胎寿命提高 7%，转向力减少6%39，可见汽车轻量化的重要性。汽车轻量化的重要潜力是在 车身的制造中大量使用轻金属和非金属，例如：铝合金，复合材料，高分子材料， 镀层薄钢板等。对于这些材料的连接仍然是一个难题，传统的方法存在着很多的 弊端，甚至是不可行的。因此

17、提出了采用压印连接技术来替代车身内外的一些对 动态性能要求不高的部位，压印连接技术结合自冲铆连接技术可以代替大部分车 体的大部分点焊。然而，我们国家在压印连接工艺方面的研究才刚刚起步，还有很长的一段路 要走，因此，对压印连接基本理论的研究就非常有必要，特别是对正在突飞猛进 的汽车行业及白色家电产业影响深远。参考文献：刘亚丽，等.机械压力连接参数与有限元模拟.机械制造与研究,2005,34(3):9-13Xiaocong He, Shanfeng Gao, Wenbin Zhang . Torsional Free Vibration Characteristics ofHybrid Clinc

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