李想，郭奕文＊

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 常德 4150000）

1 試驗(yàn)方法

盡管沖壓連接的變形過程相對簡單，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多因素會影響連接點(diǎn)的質(zhì)量，如連接板的特性、連接件的幾何尺寸參數(shù)和摩擦大小、厚度、沖頭壓力和行程等。在連接過程等方面，用Deform-2D 對汽車后翼子板拐角連接件沖壓連接成形過程進(jìn)行了模擬，并討論了關(guān)鍵仿真參數(shù)的設(shè)置。

沖壓連接相當(dāng)于是一個(gè)塑性變形過程。在這一過程中，材料的性能對模擬結(jié)果有很大的影響。為了獲得材料的基本力學(xué)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)部分為雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)用AL6016板材，讓有限元模擬模型中使用的材料接近描述所選材料的塑性應(yīng)變行為，并添加至Deform材料數(shù)據(jù)庫中。

2 汽車后翼子板拐角連接件沖壓工藝仿真模型的建立

在Deform-2D中采用二維軸對稱模型，導(dǎo)入模型圖，并建立有限元模型。其有限元模型和具體參數(shù)如圖1所示。

圖1 連接件尺寸及有限元模型

其中，A處為分析連接件所在位置，圓角半徑0.5mm，凸模直徑Dp=5.4mm；凹模直徑Dd=8mm，凹槽半徑0.5mm深度Hd=1.4mm，單層板料厚度1mm，凹模底部圓角半徑0.5mm。

2.1 材料模型

因材料實(shí)驗(yàn)機(jī)獲取的僅僅是理論上的應(yīng)力應(yīng)變曲線，為了確保應(yīng)力應(yīng)變曲線在Deform中進(jìn)行材料模型的定義時(shí)的真實(shí)性，需對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，基于公式（1）、（2）能夠?qū)φ鎸?shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

2.2 有限元網(wǎng)格優(yōu)化

在進(jìn)行網(wǎng)格數(shù)量的確定時(shí)，要求對計(jì)算時(shí)間和模擬精度進(jìn)行分析。最小網(wǎng)格尺寸和顯式算法的時(shí)間步長之間存在一定的聯(lián)系：

由于該模型，板料在成形過程中擠壓嚴(yán)重，塑性變形大。因此，需要對于不重要的區(qū)域和小變形區(qū)域，選擇粗網(wǎng)格，對大變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格精細(xì)劃分。將凹模內(nèi)腔半徑作為邊界，板整體上下上劃分成兩個(gè)區(qū)域。使用細(xì)網(wǎng)格在半徑內(nèi)，使用稀疏網(wǎng)格在半徑外。設(shè)置大網(wǎng)格和小網(wǎng)格的比例為3：1，最小網(wǎng)格長度約為0.06mm。

2.3 有限元接觸條件優(yōu)化

接觸主要包含有法向接觸作用和切向接觸作用。

（1）法向接觸。通常情況下，主要通過罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法以及直接約束法來對法向接觸力進(jìn)行處理。下式為接觸力大小和邊界穿透量之間的關(guān)系：

（2）切向接觸。其作用主要取決于摩擦，其中庫倫摩擦和常系數(shù)摩擦屬于計(jì)算摩擦力最常見的方法。

被加工金屬的剪切屈服強(qiáng)度與K觸面上的摩擦切應(yīng)力之間呈正相關(guān)關(guān)系的表示，見下式：

通常情況下，基于有限元法分析塑性成形過程時(shí)，會利用常系數(shù)摩擦來進(jìn)行表示，從而免去計(jì)算在接觸面上正壓應(yīng)力分布的情況。本文采用常系數(shù)摩擦，其中板料件自身的摩擦因子設(shè)為0.4，板料和連接件之間的摩擦因子設(shè)為0.12。

3 汽車后翼子板拐角連接件沖壓工藝的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 沖壓連接實(shí)驗(yàn)

連接件在沖壓連接過程中經(jīng)歷了多次的沖壓鐓擠，對韌性和耐磨性要求很高。因此，需選用高韌性和抗沖擊性較強(qiáng)的模具來實(shí)施沖壓實(shí)驗(yàn)，保證耐磨性需要靠較高的硬度。因此采用模具鋼Cr12，淬火處理硬度可達(dá)HRC50-55。仿真結(jié)果中厚度為0.8mm和1mm的板料為最優(yōu)尺寸參數(shù)。

由于空腔直徑只有8mm，在車削過程中操作困難，難以確保加工精度，出于對加工便利性和成本的考量，將整體式凹模改成鑲塊式。修改后的內(nèi)鑲塊轉(zhuǎn)動更加方便，方便在不同凹槽半徑和高度的內(nèi)鑲塊加工。通過改變內(nèi)鑲塊的凹槽半徑和高度，使更為便利的達(dá)到改變槽寬和凹腔深度Hd的目的。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表1能夠得知，在相同物理實(shí)驗(yàn)及有限元模擬條件下，沖壓連接的軸向剝離力與切向剝離力大于焊接，且該連接方式自身的切向剝離力大于其軸向剝離力。

表1 連接強(qiáng)度分離試驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為有限元模擬中沖壓連接與焊接成形力的對比。因下模的沖壓連接是平面結(jié)構(gòu)，連接成形過程中不用從上模進(jìn)入下模，因此，在同樣情況焊接的上模行程大于下沖壓連接的上模行程，并且兩種方式的成形力相差較大。在軸向分離過程中具有更大軸向剝離力的為沖壓連接，并且在軸向分離的過程中有相比焊接連接更長的分離距離，這些都說明沖壓連接比焊接具備更多優(yōu)勢，值得廣泛應(yīng)用推廣。

4 結(jié)語

圖2 沖壓連接與焊接成形力-位移圖

本文對汽車后翼子板拐角連接件的焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，探討了汽車后翼子板拐角連接件的沖壓工藝，研究結(jié)果如下。

第一，在同樣的有限元模擬條件和物理實(shí)驗(yàn)中，軸向剝離力與切向剝離力沖壓連接都大于焊接，而沖壓連接的切向剝離力大于其自身軸向剝離力。第二，沖壓連接在軸向分離過程中有著更大的軸向剝離力，在軸向分離過程中分離距離更長，表明沖壓連接具備較為良好的性能，比焊接具備更多優(yōu)勢，工藝穩(wěn)定可靠，值得在實(shí)踐應(yīng)用中進(jìn)行廣泛的推廣。