溫 彤，張文城，陳 世

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

沖壓變形連接(或沖壓連接)是一種利用塑性變形使板件相互連接的方式，可用于同質(zhì)或異質(zhì)、相同或不同厚度金屬板料之間的連接.相對(duì)于點(diǎn)焊、鉚接等傳統(tǒng)工藝，沖壓連接具有生產(chǎn)率高、成本低，對(duì)板料表面無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn).雖然該工藝出現(xiàn)較早，但上世紀(jì)80年代后才開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn).

沖壓連接質(zhì)量受到板材料特性、模具幾何尺寸、摩擦以及連接工藝狀態(tài)等很多因素影響.Varis［1］對(duì)不同厚度高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行了連接，比較了圓形與方形連接點(diǎn)，討論了連接點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的影響因素;Neugebauer等［2］利用感應(yīng)加熱和平底砧對(duì)AZ31進(jìn)行了連接，結(jié)合數(shù)值方法分析了不同模具參數(shù)對(duì)連接點(diǎn)的影響;Abe等［3］在連接高強(qiáng)度鋼和鋁板時(shí)，通過(guò)優(yōu)化凹模形狀以改善材料流動(dòng);He［4］總結(jié)了沖壓連接數(shù)值模擬的現(xiàn)狀;Oudjene等［5］利用田口方法研究了模具參數(shù)與連接點(diǎn)互鎖值、頸部厚度、抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系;Coppieters等［6-7］運(yùn)用有限元法預(yù)測(cè)了連接點(diǎn)的抗拉和抗剪強(qiáng)度;Lee等［8］進(jìn)行了鋁合金和高強(qiáng)度鋼板間的連接，推導(dǎo)了連接點(diǎn)在拉伸載荷下的頸部斷裂和上板料拔出兩種失效形式的解析式.此外，Saberi等［9］分析了材料塑性各向異性對(duì)連接的影響，Mucha［10］探討了連接成形機(jī)制，Carboni等［11］分析了連接點(diǎn)的疲勞特性.由于影響沖壓連接質(zhì)量的因素眾多，至今尚未形成一套完整而成熟的工藝設(shè)計(jì)體系.

本文利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，分析了不同工藝參數(shù)對(duì)連接點(diǎn)頸部厚度、互鎖值以及金屬流動(dòng)的影響，并對(duì)連接點(diǎn)的剝離過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬以預(yù)測(cè)連接強(qiáng)度，比較了不同剝離試樣方式對(duì)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響.

1 研究模型與參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

連接和剝離實(shí)驗(yàn)均在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.材料為厚度分別為0.8和1 mm的6016鋁板和H70黃銅板，切割成90 mm×25 mm的坯料，表1為拉伸試驗(yàn)得到的性能參數(shù).為便于加工，連接模具采用圖1所示的鑲塊式凹模結(jié)構(gòu).

圖1 連接模具

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

為比較不同模具幾何參數(shù)對(duì)連接的影響，凸模直徑 Dp取 5.4、5.6、5.8 mm，圓角半徑 Rp為0.3、0.5、0.7 mm;凹模直徑 Dd=8 mm，深度Hd=1.2、1.4 mm，凹模底部圓角半徑Rd=0.5 mm.實(shí)驗(yàn)尺寸組合見(jiàn)表2.

表2 鋁板連接的模具參數(shù)組合

圖2為與連接質(zhì)量密切相關(guān)的連接點(diǎn)幾何參數(shù)，包括連接點(diǎn)直徑D、頸部厚度Tn、互鎖值Tu以及底部厚度X.圖3為按表2參數(shù)對(duì)連接過(guò)程的數(shù)值模擬結(jié)果.模擬時(shí)摩擦因子板料間設(shè)為0.4，板料和模具間設(shè)為0.12.根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，取一半的模型進(jìn)行分析.由圖3可以看出，1號(hào)未能填滿(mǎn)凹槽，說(shuō)明凸模直徑偏小，3號(hào)出現(xiàn)了材料返流現(xiàn)象，說(shuō)明凸模直徑偏大，2號(hào)正好填滿(mǎn)凹槽，連接點(diǎn)形狀良好.當(dāng)凹模深度變?yōu)?.4 mm時(shí)，4、5號(hào)組合均未能填滿(mǎn)凹槽，只有6號(hào)材料填充情況較好，但頸部減薄明顯.

圖2 連接點(diǎn)質(zhì)量特征參數(shù)

圖3 有限元模擬結(jié)果

由圖3還可知，當(dāng)Dp一定時(shí)，隨著Hd增加，Tn減小，Tu增加;當(dāng)Hd一定時(shí)，隨著Dp增加，Tn減小，Tu先大后小，當(dāng)Dp為5.8 mm時(shí)，Tn和Tu均下降，在Dp為5.6 mm時(shí)最佳.另外，5號(hào)組合的Tn最小，因此，后面將1、2、4的3組作為鋁板連接的模具參數(shù)，分別用A、B、C組表示.同樣確定銅板連接的參數(shù)組合(表3)，即Dp取5.4 mm，Hd取1.4、1.6 mm，分別用D、E組表示.圖4為實(shí)驗(yàn)與模擬的模具工作部分尺寸.

表3 銅板連接的模具參數(shù) (mm)

圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吖ぷ鞑糠殖叽?/p>

2 結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用A、B兩組參數(shù)連接的鋁板連接點(diǎn)外觀完好、連接牢靠(圖5)，C組則由于凹模深度過(guò)大，板料頸部減薄厲害并出現(xiàn)斷裂.D、E所成形銅板的連接點(diǎn)完好，但E組連接點(diǎn)凸模側(cè)有細(xì)小裂紋.鋁和銅板間進(jìn)行異質(zhì)材料連接時(shí)，模具參數(shù)取Dp=5.4、Dd=8、Hd=1.4.當(dāng)銅板在凸模側(cè)(F 組)連接成功，而鋁板在凸模側(cè)(G組)則出現(xiàn)頸部斷裂，如圖6所示.

圖5 同質(zhì)板料的連接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因此，異種材料間連接時(shí)，通常較厚的板材應(yīng)位于凸模側(cè)，因?yàn)檩^薄的板材容易因變形過(guò)度而導(dǎo)致頸部斷裂.材料的硬度也不要相差太大，且應(yīng)將較硬的板材放在凸模側(cè).

圖6 鋁/銅板連接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 沖壓連接成形過(guò)程的影響因素分析

2.2.1 凸模圓角半徑Rp

圖7為其他條件不變，Rp分別為 0.3、0.5、0.7 mm時(shí)，成形后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制的0.8 mm厚6016板(下同)連接點(diǎn)截面形狀對(duì)比圖.可見(jiàn)，Rp越小則上板料拉伸減薄越厲害，出現(xiàn)剪斷的風(fēng)險(xiǎn)越大.隨著Rp增加，頸厚值Tn增大，互鎖值Tu減小.因此，合適的Rp取值十分重要:過(guò)小可能因頸部材料減薄而出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，過(guò)大可能使嵌入量太小、影響結(jié)合強(qiáng)度.

圖7 不同Rp成形的截面對(duì)比

2.2.2 底部厚度X

X大小取決于凸模下壓量.隨著凸模下壓，凸、凹模間材料向凹槽內(nèi)的流速加快，并將上層板料擠入下層板料內(nèi)，形成互鎖(圖8).當(dāng)X減小，Tn基本不變，但Tu增大(圖9).若X太大，底部材料可能流動(dòng)不到位，影響互鎖;X太小，則底部太薄，連接點(diǎn)可能破壞.通常推薦 X取總板厚的25%.

圖8 不同底厚值X的材料流動(dòng)趨勢(shì)

圖9 不同X對(duì)截面形狀和Tn、Tu的影響

2.2.3 凹模形狀

在適當(dāng)范圍內(nèi)，通常凹模直徑Dd越大則連接點(diǎn)直徑D越大，連接點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度越高.為比較凹模形狀對(duì)連接點(diǎn)的影響，考慮圖10所示模型:a部分凹槽寬度和深度減小，總體積減小;b部分凹槽寬度不變，深度增加;c部分凹模底部過(guò)渡圓角增大.

圖10 不同參數(shù)的凹模模型

圖11是底厚X=0.6 mm時(shí)連接點(diǎn)的靜水應(yīng)力分布.當(dāng)凹槽過(guò)大時(shí)，材料難以充滿(mǎn)凹槽，內(nèi)材料靜水壓力為正(拉應(yīng)力)，容易破裂.隨著凹槽減小，材料開(kāi)始受壓，破裂機(jī)率降低，但材料“返流”現(xiàn)象開(kāi)始明顯，連接點(diǎn)下板料和凹模間出現(xiàn)分離.另外，凹模深度Hd增大時(shí)，Tn減小，Tu有所增加.圖12為其他參數(shù)不變，凹模過(guò)渡圓角半徑Rd分別為0、0.5、1.0 mm時(shí)的材料填充情況.Rd過(guò)小，材料向凹槽內(nèi)流動(dòng)困難，凹槽不易充滿(mǎn).Rd增大后，材料向凹槽內(nèi)的流動(dòng)阻力明顯減小，成形力略有降低.整體上Rd對(duì)Tn和Tu影響不大(圖13).

圖11 不同凹模底部時(shí)連接點(diǎn)的靜水應(yīng)力分布

圖12 不同凹模圓角下材料的流動(dòng)趨勢(shì)

3 沖壓連接的剝離強(qiáng)度分析

抗拉和抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)沖壓連接靜態(tài)強(qiáng)度的兩個(gè)主要指標(biāo).通常，連接點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，實(shí)踐中多數(shù)失效是以沿板面法向的分離為主，故下面主要分析抗拉強(qiáng)度.

3.1 剝離過(guò)程的數(shù)值模擬

為計(jì)入連接點(diǎn)成形階段塑性變形的影響，本文在連接過(guò)程模擬結(jié)果的模型基礎(chǔ)上，保持連接點(diǎn)變形狀態(tài)及應(yīng)變等信息，直接進(jìn)行拉伸剝離模擬.

邊界條件、特別是載荷施加方式對(duì)剝離影響很大.本文將剝離時(shí)板料兩側(cè)按兩種邊界約束方式處理(圖14).

圖14 邊界條件設(shè)置

1)C-D區(qū)下表面單元節(jié)點(diǎn)全部固定，A-B區(qū)上表面單元節(jié)點(diǎn)全部以相同速度向上運(yùn)動(dòng)，即視作理想狀態(tài)的分離過(guò)程.

2)根據(jù)實(shí)際拉伸剝離過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣的夾持加載方式，將C端固定，B端向上移動(dòng).

圖15為剝離過(guò)程的模擬結(jié)果.方式1)下板料無(wú)明顯彎曲，塑性變形主要集中在互鎖區(qū)，分離阻力主要來(lái)自該區(qū)域的塑性變形抗力和摩擦力.方式2)中，上板料上移時(shí)，下板料除固定端外的材料也隨之上移，導(dǎo)致下板料彎曲且連接點(diǎn)互鎖值不斷減小，直至上、下板料分離.

3.2 剝離抗拉、抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

沖壓連接的剝離實(shí)驗(yàn)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).通常拉伸實(shí)驗(yàn)試樣有L型和H型兩類(lèi)，如圖16所示.其中，W為試樣寬度，A為連接點(diǎn)中心至夾持邊的距離，R為折彎半徑.

圖15 拉伸剝離模擬結(jié)果

圖16 剪切和拉伸剝離實(shí)驗(yàn)的試樣形式

表4為利用表2參數(shù)A對(duì)0.8 mm厚的6016板試樣壓接12個(gè)連接點(diǎn)，分別彎制成H型和L型拉伸試樣進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.H型試樣夾持邊到連接點(diǎn)中心的距離(B/2)為10 mm，左右對(duì)稱(chēng);L型試樣取夾持邊到連接點(diǎn)中心的距離A分別為10、20、30 mm，每組重復(fù)3次做拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同力臂下拉伸力的大小并取平均值.由表4可以看出，由于杠桿效應(yīng)，不同力臂下L型試樣拉伸時(shí)測(cè)得抗拉強(qiáng)度存在差別:力臂越長(zhǎng)、測(cè)試值越小.

表4 H型和L型拉伸

表5為表2中A、B兩組參數(shù)連接后，采用H型試樣的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)與模擬值對(duì)比，可見(jiàn)二者十分接近.實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行(圖17)，拉伸速率3 mm/min.當(dāng)載荷增長(zhǎng)率小于零時(shí)卸載，取最大載荷值作為連接點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度，每組重復(fù)3次并取平均值.

表5 試樣的抗拉、抗剪強(qiáng)度(H型試樣)

圖17 剪切和拉伸實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

1)沖壓連接強(qiáng)度取決于連接點(diǎn)直徑D、頸部厚度Tn、互鎖值Tu等幾何參數(shù)，這些參數(shù)受凸模、凹模以及底部厚度X等模具與工藝參數(shù)的影響.利用數(shù)值模擬可為連接工藝與模具設(shè)計(jì)、連接強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供有效指導(dǎo).

2)隨著凸模圓角Rp增大，連接點(diǎn)頸部厚度Tn增加，互鎖值Tu減小.Rp過(guò)小可能因頸部材料太薄而出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象，過(guò)大可能使嵌入量小而影響結(jié)合強(qiáng)度.

3)底部厚度X取決于凸模下壓量.X太大，底部材料可能流動(dòng)不到位，影響互鎖;X太小，則底部太薄.通常推薦X取總板厚的25%.

4)凹模的凹槽形狀、過(guò)渡圓角Rd、深度等對(duì)連接變形過(guò)程以及連接強(qiáng)度有較大影響.當(dāng)凹模過(guò)渡圓角Rd過(guò)小，材料向凹槽內(nèi)流動(dòng)困難，凹槽不易充滿(mǎn).Rd增大后，材料向凹槽內(nèi)的流動(dòng)阻力明顯減小，成形力略有降低.但整體上凹模Rd對(duì)Tn和Tu影響不大.而凹槽深度Hd增大，Tn減小，Tu有所增加.

5)異種材料間連接時(shí)，較厚和較硬的板材應(yīng)放在凸模側(cè)，以避免變形過(guò)度而導(dǎo)致頸部斷裂.

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