浅析模具工艺参数对自冲铆接工艺过程及铆接质量的影响

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摘 要：本文对6063铝合金板料的自冲铆接过程进行有限元模拟，笔者分析了模具凸台高度、模具深度以及模具外径圆角等三个工艺参数对自冲铆接工艺过程及铆接质量的影响。

关键词：模具工艺参数；自冲铆接；工艺过程；铆接质量

自冲铆接是一种新型的、不需要预冲孔的铆接工艺。工人使用铆钉作为冲头，将铆钉与板料进行塑性变形，实现二者的连接，其中模具工艺参数的合理设置是保证自冲铆接工艺过程顺利和铆接质量良好的关键。

一、自冲铆接的有限元模拟

对6063铝合金板料的自冲铆接过程进行有限元模拟，有以下五有个过程：1.压边圈进行压紧，此时凸台的高出部分会产生对板料内侧的应力，会压紧工件的一部分。2.铆钉进行压紧，此时工件铆接的整个部分已经呈现出完全压紧的状态，将上层板料与铆钉进行接触，之后进入到剪切的阶段。3.剪切完成后，铆钉腿出现微张状态。上层板料受到冲击后断开，在铆钉腿部的下方出现应力，同时模具与下层板料的接触部分也出现应力。这说明，模具底部产生了作用力，并且此作用力通过下层板料传递给了铆钉的腿部，铆钉腿部受到此作用力之后会在后面的铆接阶段张开一定角度，且角度张开较大，从而实现铆接。4.铆钉叉开的阶段，即铆钉和模具对下层板料产生一定作用，下层板料完成金属成形的过程，此时铆钉的受力是十分复杂的，在复杂的应力环境之下，铆钉会发生塑性变形，且塑性变形的程度较大，从而使铆钉在下层板料中镶嵌。5.镦锻的过程中，连接处的全部金属会受到持续冲压力的作用，在此作用下，金属实现锻压，此时相较于上一阶段来说，铆钉与板料以及板料与板料之间的间隙消失，这说明已经达到了铆实的状态，从而实现整个自冲铆接过程的模拟。

二、模具凸台高度对铆接过程及铆接质量的影响

设置五种不同型号的模具，五种型号模具的尺寸基本一致，但凸台的高度不一致，将五种型号的模具设计为A型、B型、C型、D型、E型。A型模具的凸台高度At=0毫米，B型模具的凸台高度Bt=0.025毫米，C型模具的凸台高度Ct=0.05毫米，D型模具的凸台高度Dt=0.125毫米，E型模具的凸台高度为Et=0.25毫米。通过有限元分析可以得出，不同凸台高度模具对自冲铆接过程的影响，也就是模具凸台高度参数对于自冲铆接过程的影响，结果分析如下：

在上层板料的剪切有限元模拟过程中，凸台高度越高，则冲压力越大，二者呈现正相关的关系，但这种正相关的关系并不十分明显，其中A型模具的冲击力平均值为4.5kN，C型模具的冲击力平均值为4.61kN，E型模具的冲击力平均值为4.78kN。

在铆钉腿叉开的有限元模拟过程中，五种不同凸台高度的模具的数值从相同数值处分别呈现出增长的状态。随着凸台高度的增加，冲压力呈现略微的增长状态，其中A型模具的平均荷载为9.06kN，B型模具的平均荷载为9.10kN，C型模具的平均荷载为9.23kN，D型模具的平均荷载为9.33kN，E型模具的平均荷载为9.46kN。

在镦锻的有限元模拟过程中，五种模具的冲压力继续增加。在末期，五种模具的载荷随着凸台高度增加而增加的趋势更为明显，凸台高度和模具的容积有着一定的关系，凸台高度越高，则模具的容积越小。容积的这种变化对于载荷有着一定的影响，且这种影响在末期表现得越来越明显。此外，模具的图台高度对镶嵌深度以及下层板料最小厚度也有着一定的影响，这种影响相对复杂。具体来说，当凸台高度比-1.2毫米大的时候，下层板料的拉伸变形程度与凸台的高度呈正相关，下层板料的拉伸程度越大，则板料的厚度越小，铆钉更容易刺穿板料，尤其在凸台高度为正的时候，这种影响十分明显；而当凸台高度较低的时候，板料与铆钉的变形协调，此时下层板料最薄处的厚度最大，镶嵌深度也较大。

三、模具深度对冲压力的影响

通过有限元模拟，可以看出模具的深度对自冲铆接工艺也有着一定的影响，这主要表现在冲压力的变化上，且这种影响和变化较大。模具的深度越小，则冲压力会出现明显变小的趋势，而下层板料的最小厚度则随着模具深度的减小而增加，镶嵌深度也随着模具深度的减小而增加，出现了明显的镦粗趋势。但当模具深度减小到1.35毫米的时候，型腔中有金属溢出，这就不能够保证冲头侧在冲压之后的平整性。

四、模具外径圆角对铆接质量的影响

将模具深度设置为1.95毫米，设置外径圆角不同的五种类型模具，分别是a型、b型、c型、d型、e型、f型、g型。a型模具外径圆角为0.2毫米，b型模具的外径圆角为0.6毫米，c型模具的外径圆角为0.7毫米，d型模具的外径圆角为0.8毫米，e型模具的外径圆角为0.9毫米，f型模具的外径圆角为1毫米，g型模具的外径圆角为1.2毫米。通过有限元模拟分析可知，模具外径圆角对于自冲铆接工艺的影响主要集中在镦锻阶段，通过模拟可知模具外径的圆角越小，则工作压力越小，因此其铆接充型进行得就越不充分，在内部就会产生较大的缝隙，且会对外部铆扣的形状产生影响；模具外径圆角越大，则会产生较大的工作压力，铆接充型进行得就比较充分，内部基本上没有缝隙，且外部铆扣的形状齐整。

本文对6063铝合金板料的自冲铆接过程进行有限元模拟，指出了影响其自冲铆接工艺过程和铆接质量的模具工艺参数，旨在为相关自冲铆接工艺实践提供参考。

参考文献：

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