无铆钉铆接工艺参数模拟及分析
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[摘 要]本文采用DEFORM软件对铝板与铝板、钢板与钢板进行了无铆钉铆接的数值模拟，分析了铆接应力、应变和载荷-行程变化趋势，研究表明：凹模深度适当深一点，可以把凹模环行凹槽的容积量加大一些，有利于增大上板料嵌入下板料的镶嵌量，但凹模深度过大会使铆接点颈部厚度减薄过多，而使铆接不良。在铆接不同厚度板料时，把厚板料放在上板料位置有利于增大铆接点的颈部厚度，对铆接有利。还研究了凹模深度及采用不同板料及上下板料排放顺序等对无铆钉铆接质量的影响，等等。
中图分类号：TH131.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0008-03
Simulation and Analysis of the Clinching Process Parameters
Xing Mao. Chen
（Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity ， Nanchang 330000， China）
[Abstract]In this paper， Clinching numerical simulations of steel sheet with steel sheet and aluminium sheet with aluminium sheet with DEFORM software were processed， Riveting stress， strain， and load - displacement are analyzed. Those showed that if the depth of concave mold is appropriate deeper， such can lead to that there is larger volume at the circular groove of concave mold，that is conducive to increasing the mosaic that the upper sheet embedded into the bottom sheet. But if the depth of concave mold is too deep ，such will lead to that the thickness of the neck of clinching point will be thinning excessively，that lead to the clinching failure. At the riveting with metal sheets of different thickness， putting the thick sheet on the upper location is conducive to increasing the thickness of the neck of the riveting point ， that will help the riveting. The influence of the depth of the cavity， and the different upper and different lower sheet materials ，and the discharge sequence of the plate materials on the quality of the riveting is also studied.
[Key words]clinching;processing;parameters;riveting quality;riveting point
0 前言
随着机械工业的发展，机械产品的劳动生产效率及经济性得到越来越高的关注，机械产品也要求可靠及生产的高效、快捷、可实现自动化等等。板料连接也不例外，实现机械化、自动化也很有现实及长远意义。无铆钉铆接与普通铆接相比有不需要预钻孔和方便快捷的优点[1]-[10]。图（1）为钢板间无铆钉铆接试验得到的铆接剖面图。
无铆钉铆接的原理为：被连接的上板料、下板料放在凹模上，由压板（压边圈）压紧。凸模向下运动压入上、下板料中， 持续向下压入使材料充满凹模的型腔， 并且使两连接板料之间形成相互嵌合的结构关系，从而达到机械互锁连接的目的[7]。
1 凹模深度的影响
对凸台高度分别为h=1.45mm和h=1.75mm两种凹模如图2所示，进行铆接2mm钢（AISI-1015）+2mm钢（AISI-1015）铆接过程模拟，模拟结果和行程-载荷曲线分别见图3、4所示。无铆钉铆接的实际应用时对无铆钉铆接铆接的工艺性及铆接接头性能的评估，目前主要依靠观察无铆钉铆接接头的颈部厚度、接头镶嵌量等工艺参数和分析铆接的载荷-行程曲线（此可以评估无铆钉铆接的工艺性）来进行，所以分析凹模深度对接头性能的影响从这三方面去考虑。
从图3可以看出，凹模深度的减小有利于铆接接头颈部厚度的增加，这就有利于铆接接头抗剪切能力的提高，但是在凹模深度减小的同时上板料、下板料间的镶嵌量也减小了，这就很容易导致铆接接头的抗轴向拉脱能力和抗剥离能力的下降，上板料嵌入下板料的镶嵌量是无铆钉铆接铆接接头制锁能力的一个重要标志。要以铆接接点的受载具体情况为重要考虑因素来考虑、权衡凹模深度的大小。从图3（a）、4（a）可以看出在凹模的深度较浅时，由于下板料较先接触到凹模的底部，故模具受到的力较快出现较大的值。如果在凹模深浅不一样且凸模的行程一样时，凹模浅的铆接会较快充满凹模，这样在铆接终了时刻，模具的受力会较大。且如果行程一致，较深的凹模可能未充满，那么模具的终了时刻受力将较小。那么为了较深的凹模能被充满，要求采用深凹模时的凸模的行程要大一些。综上可知，凹模深度适当增大时，凹模底角部的环形凹槽的凹入的体积量一般会较大，有利于上板料嵌入下板料的嵌入量增大。凹模浅一点的话铆接点颈部厚度较大，而镶嵌量不足，凹模深了的话铆接点颈部厚度较小，甚至在铆接点颈部断裂，适当的凹模深度可以提高嵌量（因为有利于板料金属充分流动），而且不会导致铆接接头颈部过薄。铆接接头颈部厚度和镶嵌量越大，铆接接头的质量越好，但往往两个值都增大是较困难的，设计凹模时要根据铆接接点的工作载荷情况来综合考虑，要同时兼顾铆接接点的颈部厚度和铆接接点的镶嵌量来设计凹模深度，以达到铆接接点综合力学性能的提高。
2 板料的影响
无铆钉铆接既可以连接钢板，也可以连接铝板，以及其它金属板料，如铜板。上、下板料的材料对铆接接头的综合力学性能有很大的影响。在模拟中，图5（a）钢板的连接中上、下板料为厚度为2mm的AISI-1025，图（b）铝板连接板料为厚度为2mm，上、下板料为AL-1100。模拟铆接的结果如图5所示。
由图5可以看出，分别铆接钢材和铝材时铆接接点的颈部厚度和上板料嵌入下板料的镶嵌量相近，这是由于当模具相同且凸模行程等工艺参数相同时，虽然铝板和钢板的强度、塑性、韧性和硬度都不一样，但是铆接的成形主要和上板料、下板料的相对的强度、塑性、韧性和硬度等材料性能有关，而与材料性能参数的绝对值无关。但是材料性能参数值和模具的受力密切相关，图6中可以看出由于所选用的钢板的强度远大于所选用的铝板强度，而材料性能参数值（如强度、硬度、塑性和韧性等）不同（且在其他工艺参数相同时）和模具的受力密切相关，故铆接钢板时模具的受力远大于铆接铝板时模具的受力。故铆接钢板的模具材料及其热处理工艺要求更高，而且铆接设备的吨位和功率也要更大。
3 板料排列的上下顺序的影响
1） 不同材料的排列顺序
为研究不同材料的排列顺序对铆接接头性能的影响，对两种情况进行模拟。上层板料的料材为AL-1100，下层板料的材料为AL-5454，两层厚度均为1.5mm，模拟结果如图7（a）所示。调换上下层板料的材料，上层板料的材料为AL-5454，下层板料为AL-1100，模拟结果如图7（b）所示。
图7（a）和（b）除了被铆接的材料力学性能外，图7都是同一形状的模型以及同一设置进行的模拟，图7（b）的铆接点颈部发生了断裂，铆接点失效，故没有继续往下模拟，这也是（b）图比（a）图铆接点的底部厚度大的原因。图（b）上板料断裂的原因为上板料材料的塑性较差，而上板料要压进下板料，然后才是嵌入下板料。在上板料嵌入下板料的过程中，因为（相当于）要进行上板料的拉深作用，如果材料的塑性不好，且要拉深经过的下板料厚度又较大，那就会出现拉破的现象。在图7（a）中铆接成功，没有出现拉破的现象是由于换了塑性较好的上板料在上方。故在无铆钉铆接中要保证上板料有较好的塑性。
2） 不同厚度板料的排列顺序
上、下层板料的材料都为铝板AL-2024，厚度2.3mm+1.7mmM合。采用不同的叠放次序后模拟形成的不同截面的情况如图8所示。
由图8可看出，当厚板（2.3mm铝板）放置在上层， 薄板（1.7mm的铝板）放在下层，且其它模拟及模具模型部分设置不变时，比上、下板料反置的铆接接点的颈部厚度较厚，其原因是上板料要经过相当于拉深的作用，拉深的长度值为下板料厚度加上板料压入下板料长度的和，这样会导致铆接接点颈部的减薄。铆接点颈部较厚有助于铆接接点抗剪切能力的提高。两种板料放置方法的嵌入量差不多。由图9可看出，由于上板料、下板料都是同种材料，那么两板料强度一样，且模具尺寸及模拟设置一样，铆接过程中模具的受力也相差不大。总之，在无铆钉铆接过程中要把厚板放在上板料位置。
4 凹模环形凹槽深度的影响
凹模底角部位的环形凹槽深度也对铆接的效果有较大影响。图10为改变凹模环形凹槽深度的模拟模型图，左图（a）环形凹槽很浅，右图（b）环形凹槽较深，模型其它地方不做改动。
当凹模环形凹槽深度过浅时容易导致上板料嵌入下板料的镶嵌量过小，这是由于环形凹槽过小时，在铆接中板料金属不能向四周的凹槽流动，所以上板料嵌入下板料的嵌入量少，容易导致上下板料脱开失效。而环形凹槽适当就可以解决嵌入量过小的问题。但环形凹槽过深会导致凹模端面圆角容易过载而出现塌角，或者出现疲劳破坏。故环形凹槽深度也不宜过深，这和凹模的总深度有关系，当凹模总深度较深时，凹模的内径也要增大，环形凹槽也可以适当加深，反之亦然。而凹模的总深度又和上、下板料的厚度有关系，当上、下板料较厚时，凹模的深度也较深，反之亦然。由于凹槽深度不会太深，故只在上板料嵌入下板料的嵌入过程影响金属的流动，其它时候不影响铆接点中金属的流动，当铆接的板材相同且模具其它尺寸相同及工艺参数数据也相同时，在环形凹槽浅的铆接比在凹槽深的铆接先达到模具的充满，由于浅凹槽凹模先被充得较满，而不利于金属的流动，而凸模的行程相差不大，故在浅环形凹槽的载荷-行程曲线中间段斜率更大，即载荷增长更快，而在深环形凹槽铆接的末尾时刻，凹模差不多被充满时载荷急剧上升，当然浅凹模差不多被充满时载荷也是急剧上升的。在凹模环形凹槽深一点的情况下，凸模的行程可以稍稍大一点以利于上板料很好的嵌入下板料。总之凹模的环形凹槽要有适当的深度，要有利于上板料嵌入下板料，又要防止凹槽过深导致模具寿命下降。在板料不太厚的情况下，一般可以设为0.25mm-0.5mm之间，这和板料厚度及凹模深度正相关。
6 总结
要研究无铆钉铆接的理论，就可以通过改变无铆钉铆接的工艺参数进行比较研究。无铆钉铆接工艺参数包括板料的材料、被无铆钉铆接的板料放置顺序、模具的几何形状等。这些参数是无铆钉铆接非常重要的工艺参数，这些参数决定了无铆钉铆接接头的形状和铆接质量。本文主要研究凹模深度、被铆接板料的材料、板料放置顺序和凹模环形凹槽的深度影响四个工艺参数对无铆钉铆接接头性能的影响，并通过分析多组数值模拟的结果进行接头缺陷预测。
铆接缺陷的几种情况为：铆接点颈部厚度过薄，铆接点镶嵌量不足，铆接点的上板料过薄，铆接点底部的下板料较薄等。并提出改善无铆钉铆接接头性能的解决方案。
参考文献
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