韓善靈，王化楠，王志勇，王建松，李 勇

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590)

隨著全球能源危機的加劇，汽車節(jié)能減排對汽車輕量化提出了更高要求。大量使用輕量化材料是實現(xiàn)汽車輕量化的一個主要途徑[1]。采用鋁合金、鎂合金與高強鋼等材料代替低碳鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)材料制造汽車零部件可明顯減輕汽車自重，但鋁合金板材在高溫下化學穩(wěn)定性較差，傳統(tǒng)的電阻點焊工藝難以保證其連接質(zhì)量，急需新的板材連接技術(shù)替代電阻點焊。

無鉚沖壓連接是一種用于汽車輕質(zhì)板料的機械連接工藝，該技術(shù)采用專用的模具對被連接的板材進行沖壓變形，利用板材的塑性使板材之間內(nèi)嵌形成互鎖，具有可以連接異種板料、連接兩層及以上的板料、無熱輸入、對材料表面無工藝要求、不破壞連接表面等優(yōu)點[2-3]，現(xiàn)已被廣泛用于汽車制造行業(yè)中[4]。與半空心自沖鉚接相比，無鉚沖壓連接不需要額外的鉚釘，減少材料的使用，具有輕量化的優(yōu)勢，對整個制造行業(yè)都具有重要意義[5]。

傳統(tǒng)無鉚沖壓連接工藝的一個缺點是接頭底部有較高突起，影響了連接件的應用范圍和美觀性。陳超等[6]提出一種適用于汽車鋁合金板材的平壓整形無鉚連接技術(shù)，通過分瓣式模具產(chǎn)生的接頭經(jīng)過平底模具整形可顯著降低突起高度并提高頸厚值和嵌入量。Wen等[7]通過更改反壓模具的形狀，在減小接頭凸起高度的同時提高了接頭強度。平模無鉚沖壓連接是無鉚連接技術(shù)的一種，Sabra Atia等[8]采用平模無鉚沖壓連接實現(xiàn)了AA7075鋁板的連接，將有限元結(jié)果與實驗對比，探究了有限元模型參數(shù)的設(shè)置對誤差的影響，證明了對平模無鉚沖壓連接進行有限元分析的可行性。韓曉蘭等[9]采用正交試驗對輕質(zhì)板材平模無鉚沖壓連接的模具進行了優(yōu)化，得到模具參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響規(guī)律。Sabra Atia等[10]對使用兩層不同回火狀態(tài)的AA7075鋁板進行平模無鉚沖壓連接研究，分析了壓邊圈形狀和成形力等工藝參數(shù)對材料流動行為與接頭強度的影響，為平模無鉚沖壓連接的模具設(shè)計和材料選擇提供了參考。

以上研究主要針對傳統(tǒng)無鉚連接的反壓整形和平模無鉚沖壓連接，至今未發(fā)現(xiàn)通過壓邊圈的移動與限位控制材料流動的無鉚沖壓連接的報道。本研究提出一種Al5052板材的壓邊圈隨動無鉚沖壓連接工藝，通過壓邊圈的運動與限位控制材料的流動，采用田口試驗方法優(yōu)化壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的工藝參數(shù)，利用極差分析法得到最佳接頭成型質(zhì)量的工藝參數(shù)組合。

1 壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的原理與建模

1.1 壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的原理

壓邊圈隨動無鉚沖壓連接是在給定壓邊圈壓邊力的作用下，通過壓邊圈的上移和限位來控制鉚接過程中板材的流動，得到互鎖接頭的過程，壓邊圈的壓力和限位位置影響接頭質(zhì)量。根據(jù)成型過程中沖頭和壓邊圈的運動位置不同，可將該過程分為四個階段，如圖1所示。圖1(a)板料定位階段：上下板料疊放在平底模具上并由壓邊圈壓緊固定，沖頭向下運動預壓緊板料；圖1(b)板料初始變形階段：沖頭壓入板料，當材料對壓邊圈向上的推力大于壓邊圈向下的壓力時，壓邊圈開始隨材料向沖頭運動的相反方向移動；圖1(c)接頭成型階段：壓邊圈隨材料向上運動一段距離后遇限位塊停止移動，沖頭繼續(xù)下壓，材料在壓邊圈的阻礙下徑向流動，接頭互鎖形成；圖1(d)退模階段：接頭成形后模具退出。

圖1 壓邊圈隨動無鉚沖壓連接過程示意圖

1.2 有限元模型的建立

為了對壓邊圈隨動無鉚沖壓連接進行研究，使用DEFORM-2D進行數(shù)值模擬，建立壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的有限元模型，由于該模型的形狀、載荷、接觸條件等都關(guān)于中心軸對稱，為了簡化計算、節(jié)省時間，本模擬采用1/2模型建模，如圖2所示。其中，v為沖頭下壓速度，rp為沖頭圓角半徑，dp為沖頭直徑，t1和t2分別為上下板材的厚度，α為沖頭拔模斜度。模型的幾何參數(shù)如表1所示。

圖2 壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的有限元模型

表1 模型的幾何參數(shù)

有限元模型包含沖頭、壓邊圈、上下板料和平面模具，上、下板材料選為Al5052并設(shè)為塑性體，其余模具設(shè)置為剛體。Al5052因具有較高的強度與良好的成型加工性能，是輕量化車身的主要材料之一，其主要物理參數(shù)見表2[11]。連接過程中，上下板材塑性變形較大，因此采用DEFORM-2D軟件中的自適應網(wǎng)格重劃分技術(shù)，網(wǎng)格重劃分的干涉深度取最小網(wǎng)格邊長的1/2，設(shè)為0.03 mm。按變形量定義各個模具之間的從屬關(guān)系，模具與板材之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.15；板材之間的摩擦類型為庫倫摩擦，摩擦系數(shù)為0.35。設(shè)沖頭向下的運動速度v為0.5 mm·s-1，板料的溫度取室溫20 ℃。成型后，接頭質(zhì)量的評價參數(shù)主要包括頸厚值Tn、嵌入量Tu以及底部突起高度H，如圖3所示。

圖3 接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表2 Al5052材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同壓邊力下成型接頭的參數(shù)分析

壓邊圈隨動無鉚沖壓連接的下模為平面模具，壓邊圈的壓邊力及其限位位置決定了材料的流動方向。為了對比分析不同壓邊力對接頭質(zhì)量的影響，將壓邊力Fn分別設(shè)為1、2、3、4、5、6、7、8、9 kN，進行壓邊圈隨動無鉚沖壓連接模擬，觀察成型接頭的頸厚值和嵌入量，分析不同壓邊力時材料的流動情況，得到接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

為直觀地分析不同壓邊力下成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，將不同壓邊力下成型接頭的頸厚值Tn與嵌入量Tu繪制于同一圖中，如圖4所示，隨著壓邊力Fn的增加，接頭的頸厚值Tn呈上升趨勢，嵌入量Tu則呈先上升后下降的趨勢。不同壓邊力下成型接頭的底部突起高度H如圖5所示，隨著壓邊力的增大，底部突起高度H逐漸減小。

表3 不同壓邊力下成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 接頭的頸厚值Tn與嵌入量Tu

圖5 接頭的底部突起高度H

圖6為接頭在不同壓邊力下成型時的材料流動情況。如圖6(a)所示，當壓邊力Fn為1 kN時，隨著沖頭下壓，在壓邊力和材料向上推力的共同作用下，壓邊圈向上移動，壓邊圈和下模之間的距離隨之增大，使得沖壓過程中材料沿軸向向上的流速較大，減小頸厚值Tn的同時明顯增加了底部突起高度，同時也會導致上下板材之間在互鎖區(qū)域的上部產(chǎn)生接觸縫隙，而沖頭圓角處只有小部分材料沿徑向流動，不利于接頭互鎖的形成；如圖6(b)所示，當壓邊力Fn為5 kN時，壓邊圈與底模之間的空間使得在沖壓成形時上板料主要向上流動，沖頭圓角處的上下板料沿徑向流動速度加快，有利于在保持頸厚值Tn的同時增加嵌入量Fn；如圖6(c)所示，當壓邊力Fn等于9 kN時，過大的壓邊力導致壓邊圈向上的移動量減小，壓邊圈和底模之間的距離減小，限制了材料向上流動的空間，使得沖壓時材料向上流動變緩，材料徑向流動速度增大，有利于頸厚值Tn的增加和底部突起高度H的降低，其上板材徑向流速的增大不利于嵌入量Tu的增加。

圖6 不同壓邊力時材料的流動情況

圖7 壓邊圈限位位置示意圖

2.2 壓邊圈不同限位位置成型的接頭參數(shù)分析

在沖頭下壓的過程中，壓邊圈在壓邊力和材料推力的共同作用下產(chǎn)生一定的向上隨動位移，設(shè)沖頭當前的下壓量為s，下壓量s與原始板厚(t1+t2)之比為壓下率ε，即壓下率ε=s/(t1+t2)，以xε表示壓下率為ε時壓邊圈的限位位置，即沖頭下壓量為s時壓邊圈到達限位位置并停止移動，如圖7所示。取Fn為4 000 N，ε分別為57.5%、62.5%、67.5%、72.5%、77.5%、82.5%、87.5%、90.0%，其接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 壓邊圈不同的限位位置成型的接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

隨著壓邊圈限位位置xε的上移，材料軸向所受較大流動阻力的時間就越少，材料的軸向流動越多，因此，頸厚值Tn逐漸降低，底部突起高度H逐漸增加，但頸厚值Tn值均保持在0.42 mm以上。隨著壓邊圈限位位置xε的上移，嵌入量Tu先增大后減??；如圖8(a)所示，當壓邊圈限位位置xε低于x62.5%時，此時互鎖還未形成，沖頭側(cè)的材料徑向流動速度增大，導致頸厚值Tn增大，由于下板料的阻礙，沖頭圓角處材料流動速度增長幅度較小，不能形成互鎖；如圖8(b)所示，當壓邊圈限位位置xε在x77.5%左右時，限位之前接頭互鎖已經(jīng)形成，壓邊圈的限位能使沖頭圓角處材料的徑向流動速度增加，有利于嵌入量Tu的增大；如圖8(c)所示，當壓邊圈限位位置xε高于x82.5%時，雖然互鎖已經(jīng)形成，但材料大部分時間主要沿軸向流動，導致徑向流動的材料過少，不利于嵌入量Tu的增大。

圖8 壓邊圈在不同限位位置下材料的流動趨勢

圖9為壓邊圈在不同限位位置下模擬的接頭形狀圖，圖中的數(shù)字代表組號。組1和組2中，壓邊圈限位位置過低，基本沒有形成互鎖；組4、組5和組6中的壓邊圈在互鎖形成后遇到限位裝置停止移動，材料的徑向流速增加，嵌入量Tn增加；組7和組8中壓邊圈限位位置過高，導致材料軸向流動較多，減少頸厚值Tn的同時也不利于嵌入量Tn的增加。

3 田口試驗方案設(shè)計

3.1 試驗影響因素和水平

在壓邊圈隨動無鉚沖壓連接工藝中，壓邊力、壓邊圈限位位置以及沖頭的幾何參數(shù)是影響接頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素，由于接頭成型過程中受到多個因素和多個水平的影響，逐一分析繁瑣復雜。因此，本研究采用田口試驗來對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。壓邊圈隨動無鉚沖壓連接接頭的主要失效形式一般是因互鎖不夠而導致的拉脫失效，所以采用極差法以接頭的嵌入量Tu為評價指標，選取沖頭直徑dp、壓邊力Fn、壓邊圈限位位置xε、沖頭速度v和沖頭圓角半徑rp為試驗的5個因素，每個因素具有4個水平，做L16(45)正交表，其因素水平如表5所示[12]。

圖9 壓邊圈在不同限位位置下模擬的接頭形狀圖

表5 田口試驗因素-水平表

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗共16組，每組試驗8次取平均值，得到田口試驗結(jié)果如表6所示，得到的田口試驗接頭形狀如圖10所示。隨著沖頭直徑dp增大，沖頭下方材料增多，頸厚值Tn呈增大的趨勢，Tn的大小主要為0.35～0.75 mm，最小值為0.370 mm，將所得16個組的頸厚值與嵌入量繪于圖11中，從圖中所知，相比于嵌入量Tu，頸厚值Tn已經(jīng)足夠大，制約接頭強度的因素應主要考慮嵌入量Tu。圖10中組3、4、6、8、12、16幾乎未形成互鎖，這是因為壓邊力Fn過大，材料流動阻力過大導致徑向流動困難。隨著沖頭直徑dp增大，沖頭下方材料增多，嵌入量Tu總體呈增大的趨勢；隨壓邊圈限位位置的升高，嵌入量Tu先增大后減?。浑S沖頭圓角半徑rp增大，沖頭圓角處的材料被擠壓的程度越小，嵌入量Tu總體呈減小的趨勢。Ki為所對應的列因素i水平的指標均值，R為對應列因素的極差，R越大則表明該影響因素對接頭嵌入量Tu的影響越大。

表6 田口試驗結(jié)果

圖10 田口試驗接頭形狀

由表6可知，極差RB>RC>RA>RE>RD，說明對接頭嵌入量Tu影響最大的因素為壓邊力Fn，壓邊圈限位位置xε次之，隨后是沖頭直徑dp和沖頭速度v，沖頭圓角半徑rp的影響最小，其各因素水平對嵌入量的影響如圖12所示。由圖12可見，隨著沖頭直徑dp的增加，嵌入量總體呈增大趨勢；隨著壓邊力Fn的增加，嵌入量呈減小的趨勢，但當壓邊力Fn取2 kN以下時，部分成型接頭互鎖處兩板材之間產(chǎn)生較大縫隙；隨著壓邊圈限位位置xε的提高，嵌入量先增大后減??；隨著沖頭圓角半徑rp的增加，嵌入量逐漸減??；隨著沖頭速度v的增加，嵌入量先減小后增大。根據(jù)以上分析，5項工藝參數(shù)的最佳組合為A3B2C3D1E4，即沖頭直徑dp=5.5 mm、壓邊力Fn=4 kN、壓邊圈限位位置xε=x77.5%、沖頭速度v=12 mm·s-1、沖頭圓角半徑rp=0.05 mm，同時該方案形成的接頭底部突起較低，具有更廣泛的應用范圍。

圖11 接頭的頸厚值與嵌入量

圖12 因素水平對嵌入量的影響

4 結(jié)論

1) 隨著壓邊力的增加，接頭的頸厚值呈上升趨勢，底部突起高度逐漸降低。嵌入量在壓邊力增加到2 kN時先增大，然后保持穩(wěn)定，當壓邊力超過7 kN之后，嵌入量開始減小。壓邊力小于2 kN時將導致底部突起高度增大，接頭互鎖處板材產(chǎn)生較大縫隙；壓邊力大于8 kN時，將嚴重阻礙材料軸向流動并會導致板材之間產(chǎn)生縫隙，壓邊力過大和過小都不利于接頭互鎖的形成。

2) 合理的壓邊圈限位位置能夠增大接頭的嵌入量。當壓邊圈限位位置低于x82.5%時，隨著其限位位置的提高，嵌入量Tu逐漸增大；當壓邊圈限位位置高于x82.5%時，隨著其限位位置的提高，嵌入量Tu逐漸減小。限位位置過低時不能形成接頭互鎖，限位位置過高時也不利于嵌入量Tu的提升。

3) 接頭嵌入量的主要影響因素為壓邊力、壓邊圈限位位置與沖頭直徑，而沖頭速度和沖頭圓角半徑的影響相對較小，采用田口試驗能夠獲得的最佳工藝參數(shù)為A3B2C3D1E4，即沖頭直徑dp=5.5 mm、壓邊力Fn=4 kN、壓邊圈限位位置為x77.5%、沖頭速度v=12 mm·s-1、沖頭圓角半徑rp=0.05 mm。

4) 壓邊圈隨動無鉚沖壓連接成型接頭的底部突起高度大部分小于0.9 mm，較低的突起高度使其具有更加廣泛的應用范圍。