鄭俊超，何曉聰，邢保英，丁燕芳，曾 凱

（昆明理工大學(xué)機電工程學(xué)院，昆明650500）

0 引 言

出于降低成本和保護環(huán)境等方面的考慮，汽車的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了越來越多的重視，鋁合金以及高強度鋼等輕量化材料在汽車車身上的應(yīng)用越來越多，進而對這些材料或異種材料間的連接提出了挑戰(zhàn)。壓印連接技術(shù)因為具有工序簡單、高效、環(huán)保，且能連接那些難以用焊接等傳統(tǒng)方式連接的新材料，易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化等諸多優(yōu)勢，將成為未來先進汽車制造業(yè)中一項重要的連接技術(shù)。該技術(shù)通過壓印連接模具對金屬板件實施冷擠壓變形，將兩層或多層金屬或非金屬板件連接起來，形成一個具有較高強度的壓印接頭。

從這項技術(shù)誕生至今，國內(nèi)外許多學(xué)者對其進行了多方面的研究，并產(chǎn)生了一系列研究成果。何曉聰［1-2］從工藝參數(shù)、動態(tài)工藝模擬、接頭強度和振動特性等方面綜述了壓印連接技術(shù)的發(fā)展狀況，并研究了變差系數(shù)法在預(yù)測壓印接頭強度方面的應(yīng)用，認為變差系數(shù)法在產(chǎn)品質(zhì)量評估等方面具有重要意義；Hamel等［3］在整體式下模壓印連接過程模擬中發(fā)展了有限元程序中的自動重劃分網(wǎng)格技術(shù)；De等［4］通過有限元模擬研究了模具幾何尺寸參數(shù)對頸厚和互鎖嵌入量的影響；Mucha［5］研究了模具幾何尺寸以及壓印連接過程中沖壓力等參數(shù)對連接接頭強度的影響，同時通過金相試驗從微觀角度確定了接頭處塑性應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)力分布；Varis等［6-8］研究了在板料尺寸不同的情況下，應(yīng)如何選擇模具類型（圓?；蚍侥＃⒗糜邢拊治龇椒ㄌ岢霾Ⅱ炞C得到了一種選擇合適模具的程序；Oudjene等［9］為提高壓印連接接頭的強度，用田口方法研究了沖頭和底模各幾何尺寸對壓印接頭的影響，并用響應(yīng)面和最小二乘擬合方法對直接影響接頭強度的模具尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化；Lee［10-11］建立了模具各尺寸參數(shù)和強度的數(shù)學(xué)模型，使得根據(jù)所需強度來得到模具尺寸成為可能，這對于指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn)具有重大意義；馮模盛等［12］用有限元軟件對整體式下模壓印連接的動態(tài)過程進行了數(shù)值模擬，并分析了連接成形過程、應(yīng)力應(yīng)變和時間的變化趨勢。在前人的研究中，幾乎所有的學(xué)者都采用整體式下模進行有限元模擬，而分體式下模壓印連接的模擬還未見報道；同時，在壓印接頭的顯微組織分析方面還遠不夠成熟，特別是對沖壓過程中金屬的流向并未進行相關(guān)研究。所以，從這兩方面著手進行研究頗有意義。

因此，作者采用有限元方法模擬了分體式下模壓印連接的成形過程，并從微觀角度觀察、分析了壓印過程中金屬的流向和形態(tài)等特征。

1 分體式下模壓印連接的成形原理

壓印連接的下模分為分體式和整體式兩種，如圖1所示，分體式下模由固定的下模座和活動的下模環(huán)組成，活動部分靠彈簧支撐，并安裝在保護套內(nèi)以防止脫落。在實際應(yīng)用中，下?；顒硬糠挚梢赃x擇2瓣、3瓣或4瓣；而整體式下模為一個整體，沒有活動部分。與整體式下模相比，分體式下模的尺寸更小，一個直徑為6mm 的分體式下模與直徑約為8mm 的整體式下模形成的連接點直徑相當(dāng)，所以在實際工作中大多數(shù)設(shè)備都采用分體式下模進行壓印連接。

圖1 壓印連接的不同下模形式Fig.1 Segmented（a）and integrate（b）dies of clinching

分體式下模壓印連接原理如圖2所示，首先隨著上模下行，板料接觸下模后，在上模的作用下材料在下模內(nèi)開始變形，同時下模的活動部分向外張開，以使材料充分在下模的型腔內(nèi)變形，形成一個緊密的連接點；然后使上模返程，下模的活動部分隨彈簧一起回到原始位置。這個過程可以使材料局部變形形成一個緊密的摩擦連接點。

圖2 分體式下模壓印連接原理示意Fig.2 Abridged general view of segmented die clinching

2 有限元模型的建立與模擬

2.1 有限元模型的建立

用ANSYS／LS-DYNA 軟件建立分體式下模壓印連接模型，由于其具有幾何對稱性，將其簡化為二維軸對稱模型，如圖3所示，模型尺寸與實際試樣及設(shè)備的尺寸完全相同。試樣為2 mm 厚的5052鋁合金板，其材料參數(shù)見表1。

圖3 分體式下模壓印連接的幾何模型示意Fig.3 Abridged genral view of geometry model of segmented die clinching

選用分段線性塑性模型作為5052鋁合金的材料模型，該模型可用于模擬各種塑性硬化金屬材料，采用Cowper-Symbols模型［13］考慮應(yīng)變速率對屈服應(yīng)力σy的影響：

表1 分體式下模壓印連接模擬的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of segmented die clinching simulation

式中：σ0為常應(yīng)變速率下的屈服應(yīng)力；˙εt為有效應(yīng)變速率；C，P 為應(yīng)變率參數(shù)，是基于有效塑性應(yīng)變的硬化系數(shù)，根據(jù)材料設(shè)定應(yīng)變率參數(shù)C 為5 500，P為4.8，失效時等效塑性應(yīng)變?yōu)槟J值；εPeff為基于有效塑性應(yīng)變的硬化系數(shù)。

根據(jù)彈簧參數(shù)，采用性質(zhì)與彈簧極為相近的Mooney-Rivlin橡膠彈性模型作為彈簧的材料模型，定義為彈性材料；沖頭、壓邊圈及下模在成形過程中保持剛性特性，均定義為剛性材料，其材料參數(shù)如表1所示。

選擇LS-DYNA 中的平面單元2Dsolid162，采用ALE體積算法，對上、下板采用映射網(wǎng)格劃分，其它部件采用自由劃分得到有限元模型，如圖4所示，總單元數(shù)為5 427個，節(jié)點數(shù)為5 905個。

圖4 分體式下模壓印連接的有限元模型Fig.4 Finite element model of segmented diel clinching

壓印連接過程屬于大變形過程，故選用LSDYNA 中特定的ASS2D 二維單面接觸選項，接觸中程序?qū)⒆詣优卸Ｐ椭心男┍砻姘l(fā)生接觸，靜、動摩擦因數(shù)均取0.1；在板料沖壓過程中，會存在網(wǎng)格嚴重畸變或丟失的情況，為此采用ALE 網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)；載荷分別定義為施加于沖頭上的時間-位移曲線，以及施加于壓邊圈上的時間-載荷曲線；根據(jù)壓印連接設(shè)備參數(shù)，模擬時間t取1.2s。

2.2 模擬結(jié)果

將整個壓印過程（1.2s）均分為三個階段顯示，如圖5所示，鋁合金板料隨上模下行，同時下?；顒硬糠謴堥_，板料在下模型腔內(nèi)充分變形，最后形成一個互鎖的連接圓點。

圖5 分體式下模壓印連接過程中不同時刻的有限元模擬結(jié)果Fig.5 Finite element simulation results of segmented die clineching at different times

圖6 分體式下模壓印連接過程中不同時刻金屬流向的有限元模擬Fig.6 Finite element simulation of metal flow at different times of segmented die clinching process

圖6為分體式下模壓印連接過程中在0.8s和1.2s時鋁合金板料流向的局部放大圖，將板料看成是一層層彼此相鄰且平行的薄層流體，可以沿外力作用方向進行相對滑移。在下板料接觸到下模底部時，下?；顒硬糠衷谙掳宓臄D壓作用下向側(cè)面滑開，隨著金屬板料被壓薄，板料會流向摩擦阻力最小的方向，所以它向下?；顒硬糠值目障兑约皼_頭兩側(cè)流動，在遇到阻力時會折回形成渦流區(qū)。從圖中的箭頭可以發(fā)現(xiàn)變形區(qū)域的金屬流動很明顯，也很充分。

對最大應(yīng)力單元進行軌跡跟蹤，可以了解其在連接過程中的運動規(guī)律。由圖7可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1508單元，位于沖頭與上板接觸的倒角區(qū)域，其網(wǎng)格趨于運動方向明顯被拉長變細。由圖8 可見，1508單元在0.2s后開始受到?jīng)_頭軸向壓力的作用，應(yīng)力隨時間延長而不斷增加，在1.02s左右時達到最大值，此時1508單元剛好位于沖頭與上板接觸的倒圓角處；沖頭繼續(xù)下移，板料不斷發(fā)生塑性流動，1508單元從倒圓角處滑向孔壁，上模作用在1508單元上的力由原來的軸向力轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄?，所以可以從曲線上看到在1.04s后應(yīng)力突然減小，隨后1508單元的應(yīng)力在沖頭壁和下?；顒硬糠值墓餐饔孟略俅卧龃螅敝琳麄€壓印連接過程停止。

圖7 分體式下莫壓抑連接的等效應(yīng)力云圖Fig.7 Von MIses stress of segmented die clinching

圖8 1508號單元的Von Mises應(yīng)力-時間曲線Fig.8 Von MIses stress-time curve of unit 1508

3 試驗驗證

采用RIVCLINCH 1106P50型壓印連接設(shè)備進行壓印連接試驗，上模型號為SR5007，下模型號為SR60314。上、下板料均為2mm 厚的5052鋁合金，壓印力50kN。壓印完成后，沿壓印接頭對稱中心切割得到壓印接頭截面試樣，接頭尺寸如圖9所示，圖中的t1，t2分別為上、下板料的厚度，x 為底部厚度，n為頸部厚度，t為鑲嵌量。在顯微鏡下測得實際截面的尺寸參數(shù)，并在軟件的模擬結(jié)果中標定點之間的距離，測出分體式下模壓印過程和整體式下模壓印過程模擬結(jié)果中的各尺寸參數(shù)，見表2。對比試驗結(jié)果與兩種不同下模壓印連接的模擬結(jié)果的各尺寸參數(shù)不難看出，采用分體式下模進行壓印連接，其模擬頸厚和鑲嵌量更接近試驗值，可以獲得比整體式下模壓印連接更好的接頭質(zhì)量，這同時也驗證了模擬結(jié)果的正確性。

圖9 壓印接頭的主要尺寸參數(shù)Fig.9 Main size parameters of Clinched joint

圖10 分體式下模與整體式下模壓印連接的模擬結(jié)果Fig.10 Simulated results of segmented（a）and integrate（b）dies clinching

表2 壓印接頭主要尺寸參數(shù)的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果Tab.2 Simulated and experimental results of main size parameters of clinched joint mm

4 接頭的顯微組織

由于5052鋁合金用化學(xué)腐蝕的方法很難顯示晶粒組織，所以采用陽極化覆膜處理試樣，用微分干涉相襯法（DIC）進行觀察。通過微分干涉進行反差增強，可以看到明場下所看不到的許多細節(jié)［14］。對壓印接頭端面試樣進行機械拋光、電解拋光以及陽極化覆膜后，采用Axio Imager A2m 型智能顯微鏡于偏光下進行微觀組織觀察。電解液為10mL70%（體積分數(shù)）的高氯酸與90 mL 無水乙醇的混合溶液，覆膜液為5g氟硼酸與200mL 水的混合溶液；試樣作為陽極，陰極為鉛塊。

圖11（a）～（d）分別對應(yīng)圖9 所示壓印接頭上a，b，c，d四個位置處的顯微組織。由圖11（a）可見，變形前5052 鋁合金呈均勻的等軸晶粒組織；由圖11（b）可見，距板料與沖頭接觸區(qū)域稍遠處的晶粒還保持著未變形時的形狀，越靠近接觸區(qū)域，晶粒尺寸的縱橫比越大，各晶粒沿板料變形的方向定向延伸和扭曲，當(dāng)變形量很大時，晶界變得模糊不清，由原來的塊狀晶粒逐漸變成扁平晶粒，最終被拉成條形纖維組織；從11（c）可以看出，板料在沖頭的壓力作用下隨著凹模型腔的形狀而發(fā)生塑性流動，和分體式下模壓印過程中不同時刻金屬流向的有限元模擬結(jié)果（圖6）相近；由圖11（d）可見，圓角處內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)被細化，且有序排列，其原因就是對于鋁合金這樣的高層錯能材料而言，塑性變形主要是由位錯沿著滑移系滑移產(chǎn)生的，處于平衡狀態(tài)的原子在沖壓力作用下，會發(fā)生晶格畸變并錯動，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的永久變形。從整個冷擠壓過程來看，5052鋁合金在塑性變形時，其內(nèi)部晶粒本身及晶粒之間平滑過渡，從而使得連接處不存在明顯的應(yīng)力集中；同時，晶粒被拉長并細化，出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，其結(jié)果使得這些部位的強度和硬度有所增加，進而保證了接頭具有足夠的抗拉強度和疲勞強度。

圖11 5052鋁合金未變形時以及壓印接頭不同位置處的顯微組織Fig.11 Microstructure of undeformed 5052 aluminum alloy （a）and clinched joint at different positions：（b）at the edge of joint；（c）at the shoulder of lower sheet and（d）at the rounded coner

5 結(jié) 論

（1）采用有限元方法模擬了分體式下模壓印連接過程，所獲得的頸厚和鑲嵌量比整體式下模壓印連接的更接近試驗結(jié)果。

（2）分體式下模壓印連接能使板料在下模型腔內(nèi)流動得更充分，形成更好的鑲嵌；壓印接頭區(qū)域的組織由原來的塊狀晶粒變成了纖維狀，晶粒被拉長細化。

（3）分體式下模壓印連接過程中板料流動的試驗結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。

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