2007-10-铝合金板自冲铆连接过程的模拟分析_岁波

第15卷 第5期2007年10月材 料 科 学 与 工 艺MATER I A LS SC I ENCE &TEC HNOLOGYVo l 115N o 15O ct .,2007铝合金板自冲铆连接过程的模拟分析岁 波,都 东,常保华,黄 华,王 力(清华大学机械工程系先进成形制造重点实验室,北京100084)摘 要:为研究铝合金板件自冲铆连接过程,借助有限元方法模拟了1115mm AA 6016T 4板+115mm AA 5182O 板自冲铆接头成形.计算结果与已报道实验结果一致,证明该方法是有效的.采用此方法研究了冲头和模具的受力变化,铆扣的形成以及板件翘曲变化情况.结果表明:铆钉的变形是引起冲头载荷急剧增加的关键因素;铆钉内腔的充满压实有助于铆接压力传递到铆钉内壁,促使铆钉管腿变形形成铆合;板件的翘曲主要受压边力大小和压边圈直径影响.关键词:铝合金板;自冲铆连接;有限元方法中图分类号:TG389;TH13文献标识码:A文章编号:1005-0299(2007)05-0713-05Si m ulati on and ana l ysis of self -pierci ng riveti ng process i n al u m i nu m sheetsSU I Bo ,DU Dong ,C HANG Bao -hua ,HUANG H ua ,WANG Li(Depart m ent ofM echan ica lEng i n eeri n g ,Tsi n ghua U niversity ,Key Laboratory for Advanced M anufacturi n g byM aterials Processing Techno logy ,Beiji n g 100084,China)Abst ract :To study t h e for m ing process o f se lf-p i e rc i n g riveted jo i n ,t a fi n ite ele m entm ethod is e m ployed tosi m ulate the riveting process of 1115mm AA6016T4+115mm AA 5182O sheets .The validity of th ism ethod is ver ified by the good ag ree m en t bet w een the calcu lati o n results and the experi m ental results .The force of punch and d ie ,for m ing of rivet-lock and d istortion of al u m inum sheets are i n vesti g ated .The si m ulati o n results sho w t h a:t the defor m ati o n of ri v et shank is the key factor that affects t h e punc h load ;the filling of t h e rivet-tubu -lar m akes it easy for the f o rce to be applied on the i n ner face o f t h e rivet-shank ,w hich conducive the for m ing of r i v et-l o ck ;the distortion o f ri v eted sheets i s m a i n l y affected by the binder-f o rce and the d i a m eter o f blank ho lder .K ey w ords :A l u m inu m sheets ;Self-piercing rive ti n g ;F i n ite e le m entm ethod 收稿日期:2005-08-25.基金项目:国家教育部科研奖励计划和国家高科技发展计划资助项目(2001AA411140).作者简介:岁 波(1979-),男,博士生;都 东(1962-),男,教授,博士生导师.联系人:都 东,E-m ai:l dudong @ts i nghua .edu .cn随着车身轻量化的发展,铝合金材料开始应用于车身外壳覆盖件的制造.传统的低碳钢车身覆盖件装配一般采用电阻点焊.而铝合金与低碳钢相比有热导率高、熔点低、表面易与铜电极发生合金化反应等特点,这使得铝合金点焊存在能耗大、电极点蚀严重且焊点质量不稳定等问题.因此,在铝合金车身制造中采用新的连接方法如自冲铆方法代替电阻点焊受到人们的关注[1,2].自冲铆(英文self-pierc i n g r i v eting),是一种新发展起来的冷压嵌铆连接技术,其连接过程如图1所示.目前奥迪公司正初步尝试采用自冲铆代替电阻点焊进行其新型全铝车A8的生产[3].英国全铝轿车Jaguar X J 的车身生产也开始尝试采用自冲铆连接技术[4].图1 自冲铆连接过程示意图在铝合金车身制造中,自冲铆连接技术有广阔的应用前景.但是,由于该技术在近期才被试用于车身制造中,远不及在汽车制造中有90年应用历史的电阻点焊技术成熟,因此还缺乏理论和实践经验.Lieb i g [5]最早测试了不同模具深度下的铆接接头强度.Chergu i[6]研究了沉头量对铝合金板件自冲铆接头形貌和连接强度的影响.Fu 和M a-llick [7,8]测试并分析了模具凸起高度、铆接压力、铆钉硬度、铆钉尺寸等工艺参数对铝合金板自冲铆连接强度的影响.但目前对自冲铆工艺的研究还仅限于工艺参数对连接质量的影响,对自冲铆连接中模具和冲头受力变化、铆合的形成、铆接后板件的翘曲等内在原因还缺乏系统研究,使得铆接工艺的设计和质量评估缺少理论依据.本文用有限元法对铝合金板自冲铆连接过程进行模拟,对铆接接头成形过程中冲头载荷变化、铆合的形成以及板件翘曲等进行了分析,期望能有助于设备、模具、铆钉的优化设计和工艺参数的制定,也为自冲铆接头强度、板件变形以及模具寿命的预测提供方法.1 有限元建模111 建模方法铝合金的自冲铆连接是一个局部塑性大变形并伴随材料分离的过程.可选的方法有刚塑性有限元和弹塑性有限元两种.在本文所研究的铝合金铆接过程中,尽管塑性变形占有很大比例,但残余应力往往造成铆接后的板件回弹和翘曲,这在模拟计算中是必须考虑的.因此,本文选择弹塑性有限元方法.本文在求解时将载荷分为若干个增量,在每一个载荷增量计算中采用变刚度Ne w ton-Raph -son 迭代求解.对于铆接成形中大变形大位移所造成的几何非线性问题,采用Updated Lagrange 格式进行有限元列式.此外,由板件变形所引起的网格畸变和各接触体之间的穿透,往往会造成求解精度的降低甚至使计算无法进行下去.因此,需要在求解过程中根据变形情况对有限元网格重新划分.本文网格重划和网格分离的处理过程如下:1.根据网格的内角判断网格的畸变程度,并结合接触体之间的干涉来判断是否有接触体需要进行网格重划.如果有,则暂停时间域的迭代求解,并输出该接触体的网格边界;2.根据上板网格边界的数据,计算上板被铆钉切下处的最小厚度.如果最小厚度与边界网格的平均长度的比值小于某一定值,则判定上板满足分离条件,并对网格边界进行修改,实现上板的网格分离;3.根据网格边界生成新的接触体网格模型;4.单元状态参量(应力、应变数据)由旧网格传递到新网格;5.进行下一步有限元计算.112 模型的建立根据铆接情况,将有限元模型分为上板、下板、铆钉、压边圈、模具和冲头等六个部分进行接触体建模.通过离散网格法构造接触体边界,采用直接约束法处理接触过程的力学作用并采用剪切摩擦模型来模拟铝合金冷压变形时的表面摩擦行为.本文所研究的自冲铆连接中,上板材料为AA6016-T4厚1115mm,下板材料为AA5182-O 厚115mm.选用直径4165mm 、高度418mm 的铆钉,材料为合金结构钢35B2,硬度大于46HRC .假定铝合金板料和铆钉材料都遵从各向同性硬化法则,并采用幂指数硬化模型来近似材料塑性变形时的应力应变关系,计算中所用的力学参数见表1.表1 材料力学参数材料弹性模量/GPa 泊松比强度系数/M Pa 硬化指数AA6016-T4700.343930.27AA5182-O710.265840.3235B22070.292000根据自冲铆的几何特点,建立轴对称有限元模型(图2),模型共有2865个四节点单元和3159个节点.为便于网格重划并使计算具有较好的收敛速度和精度,将网格模型分为几个不同的区域.A 、C 为大变形区,采用平均尺寸0107mm 的小尺寸网格,在计算中根据变形情况可自动重划;B 、D 处于上、下板外缘,为小变形区,采用较粗的网格,且不需要进行网格重划.图2 自冲铆过程有限元模型2 模拟计算为了较好的计算铆接中板件的翘曲变形情#714#材 料 科 学 与 工 艺 第15卷况,除需考虑冲头下压行程以外,还必须考虑压边力、卸料、冲头回程等因素的影响.由于实际自冲铆过程中,各工序步骤相互制约,甚至同步进行,压边力、冲头下压速度等加工参数的变化也比较复杂,难以准确描述.因此,本文假设自冲铆连接经过以下五个步骤完成(图3).1.压边过程:压边圈施加15kN 的恒定压边力将板件压紧;2.铆接行程:冲头匀速下压4175mm ,从而推动铆钉穿透上板,并刺入下板形成铆合;3.冲头回程:铆合形成之后,冲头与铆钉分离,并返回至初始位置.板件第一次回弹;4.卸压边:压边力被撤去,板件第二次回弹;5.脱模:将板件从模具中取出,板件第三次回弹,加工过程结束.图3 自冲铆连接过程建模采用Penti u m 4-117GH z ,1GB 内存的工作站进行模拟计算,计算用时约120分钟.图4右侧所示为计算得到的自冲铆接头形状,它与左侧文献[6]的实验结果基本一致;计算所得的冲头最大载荷为3215kN,与文献[6]所报道的测量值3312kN 的相对误差为211%.由此可见,用本文有限元模型得到的计算解是比较接近真实值的.所以,可根据计算结果对自冲铆连接工艺进行分析.图4 实验与计算所得接头形状3 自冲铆工艺分析311 冲头载荷冲头载荷是自冲铆连接过程中的一个重要参数.冲头载荷越大,对压机吨位级别的要求就越高,相应加工成本就越高.此外,冲头载荷越大,对模具和冲头等关键部件的磨损也就越严重,使用寿命也越短.因此,设计合理的工艺参数以减小冲头载荷非常必要.图5为计算所得到的冲头载荷R -位移d 曲线.图6为计算得到的不同冲头位移下铆合成形图.图5 冲头载荷-位移曲线自冲铆过程的载荷位移曲线变化可分为A 、B 、C 、D 、E 五个阶段,各阶段载荷变化与铆合成形的关系如下.A.弹性加载.铆钉与工件初始接触,铝合金板材和铆钉基本上只发生弹性变形(图6b),载荷随位移迅速增加.B .穿刺上板.铆钉穿刺上板,上下两板在铆钉和模具的作用下发生塑性变形.由于工件的屈服强度远低于铆钉的屈服强度,铆钉几乎不发生塑性变形(图6c).随着冲头位移的增大,模具中间凸起逐渐顶入下板工件,引起材料变形量增大,冲头载荷从212k N 持续增加到911kN.C .穿刺下板.铆钉穿透上板之后,继续刺入下板.铆钉仍未变形(图6c 、6d),上板被切下的部分(切料)逐渐流入铆钉的内腔,剩余部分不再发生变形;下板材料则流入模具形腔.本阶段冲头载荷从911kN 增加到1115kN,比B 阶段略缓.D .钉腔充满.铆钉内腔大部分空间已被切料占满,随着冲头下压,切料继续变形并开始填充铆钉内腔的死角和间隙(图6e).同时铆钉开始有少量的变形.该阶段的冲头载荷随位移变化最大.E .铆钉变形.随着冲头载荷的增加,铆钉管壁开始外翻(图6f).铆钉变形消耗大量的能量,冲头载荷从1712kN 增加到3215kN.#715#第5期岁 波,等:铝合金板自冲铆连接过程的模拟分析图6 铆合成形计算结果(l 为冲头位移)对比以上5个阶段的冲头载荷变化情况,发现E 阶段铆钉变形引起的冲头载荷变化最大,占冲头最大载荷的一半.这可能是由于铆钉材料强度过高造成的.铆钉的变形量比铝合金板材小,但其材料屈服强度却是铝合金的4倍以上,因而其变形需要消耗大量的能量.在实际工艺参数设计中,尽管选用强度较高的铆钉有利于保证铆钉顺利穿透铝合金板材,但也容易引起了冲头载荷的增加.因此,需要优化选择强度适中的铆钉材料,以降低冲头载荷、提高模具的使用寿命.312 铆合成形参照文献[6]定义底切(undercut)u 和余厚(re m ai n der-th ickness)t 来评价自冲铆成形质量,如图7所示.底切为变形后铆钉管脚末端与下板材料形成铆合的径向距离.底切越大表明铆钉与下板的结合越牢固,铆接强度越高.余厚为下板铆钉刺入部位的最小厚度,反映了铆钉将下板穿透的危险程度.而下板的穿透会造成板件密封性下降,是必须避免的.图7 底切u 和余厚t计算得到的底切和余厚随冲头位移的变化曲线如图8.在冲头位移小于3175mm 时,底切基本为0mm;冲头位移大于3175mm 时,底切随冲头位移增加.可见,底切的增加与铆钉内腔的充满有关:当冲头位移小于3175mm 时,铆钉内腔尚未充实(图6c 、6d),铆钉内壁受力较小,不足以使铆钉变形,底切不会增加;当冲头位移大于3175mm 时,铆钉内腔被充满压实,使得冲头和模具的挤压力能够通过腔内的切料传递到铆钉管内壁,铆钉管脚在切料压力的作用下向四周胀开,形成铆合.余厚随冲头位移增加而减小.冲头位移大于3175mm 时,铆钉管脚开始向四周胀开,铆钉的垂直总高度变小,曲线变化略有减缓.本例中铆钉内腔充满过程是铆接接头形成的一个重要环节.铆钉内腔的充满加快了铆钉管脚的外翻,从而促使底切增加,形成牢固的铆合.因而可通过优化铆钉内腔形状提高铆接的连接强度.图8 铆接过程中底切和余厚的变化313 板件翘曲变形现有研究表明,自冲铆连接所引起的板件翘曲变形比电阻点焊所引起的大[9].因此,优化工艺参数以控制铝合金零件的翘曲变形对于铝合金车身装配的尺寸精度控制具有重要意义.(压边圈和模具已经卸去)图9 铆接后的板件变形根据有限元计算,铆接接头周围的板材翘曲变形情况如图9所示,箭头显示了翘曲变形的方向和大小.其中,最大变形发生在下板与模具接触的部位:模具对零件的局部压力形成了深约011mm 的压痕,强大的压边力造成了零件的局部塑性变形.金属的塑性流动一方面引起铆接区周围材料的向外膨胀,从而造成板件边缘的径向位移,另一方面引起板件边缘的轴向翘曲.本例中模具外径为18mm,比压边圈外径的16mm 小,模具作用在板件单位面积上的压力比较大,形成局部压痕.压痕处板材残余应力为拉应力,故其引起板件沿轴向向下发生翘曲,图中A 点轴向位移为负.本文模拟了不同压边圈外径和压边力情况下的板件翘曲变形,计算结果分别列于表2、表3,其中d a 为铆接区边缘A 点的轴向位移.由表可见,当压边圈外径与模具外径相当时,板件翘曲最小.而压边圈外径过大或过小都会引起板件压边位置的局部压痕,造成板件翘曲.这进一步证明了板件#716#材 料 科 学 与 工 艺 第15卷翘曲是由于压边力过大所引起的板件局部塑性变形所造成的.而压边力减小到10kN时,板件翘曲变形最小.继续减小压边力到5kN以下,则因压边力过小而失去压边作用,板件向上翘曲.可见,压边力和压边圈外径都有一个最佳的数值,在该数值下的板件翘曲变形量最小.表2不同压边圈外径下的板件翘曲变形情况压边圈外径/mm d a/mm18-0.06617-0.03616-0.013140.125表3不同压边力下的板件翘曲变形情况压边边/kN d a/mm15-0.06610-0.00450.0130.51.088由于车身装配要求严格控制板件的尺寸变形,因此采用一定的工艺措施,如尽量采用比较小的压边力,设计相同尺寸的模具和压边器等,将有利于提高铝合金板件铆接的尺寸精度.4结论1)用有限元方法对铝合金自冲铆过程进行模拟.所得计算结果与实验结果相一致,故可以采用该方法对自冲铆连接过程的力学特性、接头成形和板件翘曲等变形情况进行预测.2)自冲铆接头成形过程中冲头的载荷位移曲线可分为弹性加载、穿刺上板、穿刺下板、钉腔充满和铆钉变形五个阶段.其中以铆钉变形阶段的冲头载荷变化最为显著.可见合理选择铆钉材料对降低冲头载荷具有重要意义.3)底切在铆钉内腔被充满之后开始增加,可见钉腔的充满有助于铆合的形成.4)铝合金板件的翘曲变形与压边力和压边圈外径有很大关系.通过调节压边力和优化压边圈外径可改善板件的翘曲变形.参考文献:[1]VOELKNER W.Present and fut ure deve l op m ents o fm eta l fo r m ing:selected exa m ples[J].Journa l o fM ate-r i a ls P rocessing T echnology,2000,106(1-3):236-242.[2]LA PEN SEE M.Self-p ierce r i veting techno l ogy:a j o i n-i ng so l ution fo r ligh t m eta ls[J].L i ght M eta l A ge,2003,61(9-10):32-35.[3]M AYER H,V EN IER F,KOGL I N K.D i e ASF-K aros-serie des A ud i A8[J].AT Z(A utomob iltechnischeZe itschrift),2002,104(Aug.ex tra):94-108.[4]GARY S V as ilas h.A lu m i nu m stud i es[J].A uto m oti v eD esi gn&P roduction.2003,115(5):34-38.[5]L I EBIG H P,MUT SC H LER J.O pti m ierbar m it u m-f 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