淺析模具工藝參數(shù)對(duì)自沖鉚接工藝過程及鉚接質(zhì)量的影響

熊翰卿 左躍群

摘 要：本文對(duì)6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進(jìn)行有限元模擬，筆者分析了模具凸臺(tái)高度、模具深度以及模具外徑圓角等三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)自沖鉚接工藝過程及鉚接質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：模具工藝參數(shù)；自沖鉚接；工藝過程；鉚接質(zhì)量

自沖鉚接是一種新型的、不需要預(yù)沖孔的鉚接工藝。工人使用鉚釘作為沖頭，將鉚釘與板料進(jìn)行塑性變形，實(shí)現(xiàn)二者的連接，其中模具工藝參數(shù)的合理設(shè)置是保證自沖鉚接工藝過程順利和鉚接質(zhì)量良好的關(guān)鍵。

一、自沖鉚接的有限元模擬

對(duì)6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進(jìn)行有限元模擬，有以下五有個(gè)過程：1.壓邊圈進(jìn)行壓緊，此時(shí)凸臺(tái)的高出部分會(huì)產(chǎn)生對(duì)板料內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，會(huì)壓緊工件的一部分。2.鉚釘進(jìn)行壓緊，此時(shí)工件鉚接的整個(gè)部分已經(jīng)呈現(xiàn)出完全壓緊的狀態(tài)，將上層板料與鉚釘進(jìn)行接觸，之后進(jìn)入到剪切的階段。3.剪切完成后，鉚釘腿出現(xiàn)微張狀態(tài)。上層板料受到?jīng)_擊后斷開，在鉚釘腿部的下方出現(xiàn)應(yīng)力，同時(shí)模具與下層板料的接觸部分也出現(xiàn)應(yīng)力。這說明，模具底部產(chǎn)生了作用力，并且此作用力通過下層板料傳遞給了鉚釘?shù)耐炔浚T釘腿部受到此作用力之后會(huì)在后面的鉚接階段張開一定角度，且角度張開較大，從而實(shí)現(xiàn)鉚接。4.鉚釘叉開的階段，即鉚釘和模具對(duì)下層板料產(chǎn)生一定作用，下層板料完成金屬成形的過程，此時(shí)鉚釘?shù)氖芰κ鞘謴?fù)雜的，在復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境之下，鉚釘會(huì)發(fā)生塑性變形，且塑性變形的程度較大，從而使鉚釘在下層板料中鑲嵌。5.鐓鍛的過程中，連接處的全部金屬會(huì)受到持續(xù)沖壓力的作用，在此作用下，金屬實(shí)現(xiàn)鍛壓，此時(shí)相較于上一階段來說，鉚釘與板料以及板料與板料之間的間隙消失，這說明已經(jīng)達(dá)到了鉚實(shí)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)自沖鉚接過程的模擬。

二、模具凸臺(tái)高度對(duì)鉚接過程及鉚接質(zhì)量的影響

設(shè)置五種不同型號(hào)的模具，五種型號(hào)模具的尺寸基本一致，但凸臺(tái)的高度不一致，將五種型號(hào)的模具設(shè)計(jì)為A型、B型、C型、D型、E型。A型模具的凸臺(tái)高度At=0毫米，B型模具的凸臺(tái)高度Bt=0.025毫米，C型模具的凸臺(tái)高度Ct=0.05毫米，D型模具的凸臺(tái)高度Dt=0.125毫米，E型模具的凸臺(tái)高度為Et=0.25毫米。通過有限元分析可以得出，不同凸臺(tái)高度模具對(duì)自沖鉚接過程的影響，也就是模具凸臺(tái)高度參數(shù)對(duì)于自沖鉚接過程的影響，結(jié)果分析如下：

在上層板料的剪切有限元模擬過程中，凸臺(tái)高度越高，則沖壓力越大，二者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，但這種正相關(guān)的關(guān)系并不十分明顯，其中A型模具的沖擊力平均值為4.5kN，C型模具的沖擊力平均值為4.61kN，E型模具的沖擊力平均值為4.78kN。

在鉚釘腿叉開的有限元模擬過程中，五種不同凸臺(tái)高度的模具的數(shù)值從相同數(shù)值處分別呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的狀態(tài)。隨著凸臺(tái)高度的增加，沖壓力呈現(xiàn)略微的增長(zhǎng)狀態(tài)，其中A型模具的平均荷載為9.06kN，B型模具的平均荷載為9.10kN，C型模具的平均荷載為9.23kN，D型模具的平均荷載為9.33kN，E型模具的平均荷載為9.46kN。

在鐓鍛的有限元模擬過程中，五種模具的沖壓力繼續(xù)增加。在末期，五種模具的載荷隨著凸臺(tái)高度增加而增加的趨勢(shì)更為明顯，凸臺(tái)高度和模具的容積有著一定的關(guān)系，凸臺(tái)高度越高，則模具的容積越小。容積的這種變化對(duì)于載荷有著一定的影響，且這種影響在末期表現(xiàn)得越來越明顯。此外，模具的圖臺(tái)高度對(duì)鑲嵌深度以及下層板料最小厚度也有著一定的影響，這種影響相對(duì)復(fù)雜。具體來說，當(dāng)凸臺(tái)高度比-1.2毫米大的時(shí)候，下層板料的拉伸變形程度與凸臺(tái)的高度呈正相關(guān)，下層板料的拉伸程度越大，則板料的厚度越小，鉚釘更容易刺穿板料，尤其在凸臺(tái)高度為正的時(shí)候，這種影響十分明顯；而當(dāng)凸臺(tái)高度較低的時(shí)候，板料與鉚釘?shù)淖冃螀f(xié)調(diào)，此時(shí)下層板料最薄處的厚度最大，鑲嵌深度也較大。

三、模具深度對(duì)沖壓力的影響

通過有限元模擬，可以看出模具的深度對(duì)自沖鉚接工藝也有著一定的影響，這主要表現(xiàn)在沖壓力的變化上，且這種影響和變化較大。模具的深度越小，則沖壓力會(huì)出現(xiàn)明顯變小的趨勢(shì)，而下層板料的最小厚度則隨著模具深度的減小而增加，鑲嵌深度也隨著模具深度的減小而增加，出現(xiàn)了明顯的鐓粗趨勢(shì)。但當(dāng)模具深度減小到1.35毫米的時(shí)候，型腔中有金屬溢出，這就不能夠保證沖頭側(cè)在沖壓之后的平整性。

四、模具外徑圓角對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

將模具深度設(shè)置為1.95毫米，設(shè)置外徑圓角不同的五種類型模具，分別是a型、b型、c型、d型、e型、f型、g型。a型模具外徑圓角為0.2毫米，b型模具的外徑圓角為0.6毫米，c型模具的外徑圓角為0.7毫米，d型模具的外徑圓角為0.8毫米，e型模具的外徑圓角為0.9毫米，f型模具的外徑圓角為1毫米，g型模具的外徑圓角為1.2毫米。通過有限元模擬分析可知，模具外徑圓角對(duì)于自沖鉚接工藝的影響主要集中在鐓鍛階段，通過模擬可知模具外徑的圓角越小，則工作壓力越小，因此其鉚接充型進(jìn)行得就越不充分，在內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生較大的縫隙，且會(huì)對(duì)外部鉚扣的形狀產(chǎn)生影響；模具外徑圓角越大，則會(huì)產(chǎn)生較大的工作壓力，鉚接充型進(jìn)行得就比較充分，內(nèi)部基本上沒有縫隙，且外部鉚扣的形狀齊整。

本文對(duì)6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進(jìn)行有限元模擬，指出了影響其自沖鉚接工藝過程和鉚接質(zhì)量的模具工藝參數(shù)，旨在為相關(guān)自沖鉚接工藝實(shí)踐提供參考。

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