孫立華，張寶慶，宋大利

（1.長春工業(yè)大學，吉林 長春 130012；2.長春理工大學，吉林 長春 130022；3.長春住電汽車線束有限公司，吉林 長春 130012）

0 引言

線束是當今電子信息行業(yè)中發(fā)展最快、市場需求量最大、安裝最為方便的產(chǎn)品之一［1］。計算機內(nèi)外部設備、飛機、汽車、軍用儀器及普通家電通訊設備等均廣泛使用線束。據(jù)了解，平均每輛汽車大約需要65套線束，2011年中國汽車的銷量在1500萬輛左右。然而，由于歷史發(fā)展的客觀原因，歐美的線束廠家一直壟斷著線束制作的高端工藝，中國的線束廠有上千家之多，在管理制度和技術(shù)研發(fā)上缺乏后續(xù)跟進，與歐美廠家有一定的差距［2］。作為影響線束質(zhì)量最大因素的壓接工藝，其壓接工裝刀片刃口結(jié)構(gòu)尺寸的設計一直沿用經(jīng)驗估計方法，效果的好壞完全靠生產(chǎn)實踐檢驗，沒有根據(jù)可依。

隨著計算機運算速度的不斷提高，有限元模擬分析得到了越來越廣泛的重視與應用，并成為解決復雜工程技術(shù)問題的有效途徑。端子壓接過程中伴隨著幾何非線性與材料非線性等復雜問題，故采用有限元模擬與實驗設計相結(jié)合的技術(shù)手段是解決此類問題的有效方法。

1 端子壓接過程

線束端子壓接是汽車線束生產(chǎn)過程中非常重要的工序，是實現(xiàn)導線與端子有效、可靠連接的方法，具有工藝簡單、連接可靠、使用壽命長等優(yōu)點［3］。其原理是通過外力使電線與端子接觸面強力結(jié)合，工藝過程為：通過動力沖頭上的上刀片做上下運動，與下刀片配合，在刃口部分對端子與電線強力沖壓，使其發(fā)生彈塑性變形，產(chǎn)生較強的結(jié)合力。端子壓接工藝如圖1所示。

2 尺寸計算

2.1 中性層長度計算

壓接前端子斷面如圖2所示，壓接后端子剖視圖如圖3所示。圖2中，端子下部圓弧可近似為內(nèi)徑r2的半圓，中性層半徑ρ＝r2＋kt，其中，k為中性層位置因數(shù)，t為板料厚度。由經(jīng)查表可得到中性層位置因數(shù)k，半圓中性層長度

圖1 端子壓接工藝示意圖

2.2 下刃口半徑R的計算

在端子受擠壓塑性變形過程中，最外層的伸長率為：

設彎曲后中性層不發(fā)生內(nèi)移且板厚保持不變，取k＝0.5，那么將代入式（1）得：

由式（2）可知，對于一定厚度的材料，彎曲半徑越小，外層金屬的相對伸長量越大。當外層金屬的相對伸長量達到材料的斷后伸長率時，彎曲半徑達到最小值，板料就會產(chǎn)生彎曲裂紋?，F(xiàn)將材料的斷后伸長率

設端子壓接前、后中性層長度無變化，且原端子斜邊長度m構(gòu)成新斷面的l與彎曲部分長度之和，新端子斷面底部弧長n為壓縮前下半圓的長度。根據(jù)圖3知：

式（5）中，n值已知，故R值可求?？紤]到l應傾斜一定的角度，這樣有助于線芯的夾緊。設寬高比為ε，有B＝εH，故可推得：

將式（4）代入式（6）得：

3 正交試驗與有限元模擬

正交試驗是研究多因素多水平的一種設計方法［4］，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設計方法。在這里采用大型通用有限元軟件Deform對端子變形進行模擬，對刃口傾角θ與寬高比ε兩個參數(shù)分別取3個水平進行正交優(yōu)化設計，選取某一端子型號，由端子斷面可知m、n值，根據(jù)式（5）、式（7）、式（8）計算得正交試驗表，見表1。

圖2 壓接前端子斷面

圖3 壓接后端子剖視圖

表1 正交試驗設計表 mm

在模擬過程中，將上、下刀片設為剛性，端子設為彈塑性，充分考慮端子塑性變形及彈性回彈問題。模擬后觀測各端子變形情況，當ε＝2.0時，工件下面變形過大向上突起，不符合線束模具要求（如圖4（a）所示）；當ε＝1.6時，封口情況均不好（如圖4（b）所示）；當ε＝1.8時，觀察3個θ值的端子變形情況，在θ＝5°時較優(yōu)（如圖4（c）所示）。

由此正交模擬試驗中可得結(jié)論：端子變形質(zhì)量受寬高比影響較大，受傾角θ影響較小，且相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸有進一步優(yōu)化的可能。

4 實驗驗證與檢驗

按照模擬試驗優(yōu)化結(jié)果，制作相應結(jié)構(gòu)尺寸的壓接工裝上、下刃口（如圖5所示）。在長春住電汽車線束有限公司進行了大量壓接實踐檢驗，端子壓接成形穩(wěn)定，質(zhì)量好，且刀片壽命較傳統(tǒng)經(jīng)驗設計的刀片明顯提高。端子壓接剖面檢測圖片見圖6。

圖4 不同參數(shù)的端子變形斷面

5 結(jié)語

本文將有限元正交模擬試驗應用于端子壓接實驗，不但可模擬分析端子變形過程、刀片受力情況，還可對刀片刃口結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設計，從而延長壓接刀片的使用壽命，保證壓接質(zhì)量。該項研究是首次將有限元分析結(jié)合正交試驗法應用于線束壓接工藝刀片刃口尺寸設計中，對于提高壓接工藝水平、延長刀片使用壽命具有較大的現(xiàn)實意義。

圖5 上、下刀片實物圖

圖6 端子壓接剖面檢測圖片

［1］ 湯愛軍.汽車線束自動端子壓接機的夾具和模具設計［J］.安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），2010，18（3）：100－107.

［2］ 張國峰.關(guān)于提升“汽車神經(jīng)”核心競爭力的討論［J］.零部件論壇，2010（7）：13－16.

［3］ 胡建華，王瑩.車用線束端子壓接工藝研究［J］.汽車零部件，2010（10）：64－67.

［4］ 欒軍.現(xiàn)代試驗設計優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學出版社，1995.