摘" 要： 為了研究預制孔無鉚連接的工藝參數(shù)對鉚接質(zhì)量的影響，設計了預制孔無鉚連接模型，以板厚、沖頭半徑、預制孔半徑、倒角尺寸等為變量，分析得到了無鉚連接中一種變量組合對應的該種組合下預制孔尺寸的最佳取值。建立了預制孔無鉚連接的有限元模型，通過DEFORM-2D軟件模擬預制孔無鉚連接過程，控制鉚接成形后的鉚接頭底厚值為0.2 mm，在預制孔半徑范圍計算公式所確定的范圍內(nèi)選取預制孔最佳尺寸參數(shù)，研究了預制孔倒角尺寸對鉚接頭成形質(zhì)量的影響。結果表明，預制孔的半徑、倒角尺寸等直接影響鉚接頭質(zhì)量，上、下板材厚度均為2 mm，預制孔半徑選用4.01 mm，倒角尺寸為1.2×45°時，鉚接質(zhì)量最好；鉚接速度影響鉚接頭的頸厚值，鉚接速度越大，頸厚值越小。

關鍵詞： 預制孔無鉚連接；模具尺寸關系；數(shù)值模擬；鉚接質(zhì)量

中圖分類號： TG386

文獻標識碼： A" 文章編號： 2096-3998（2024）02-0009-09

收稿日期：2023-09-07" 修回日期：2023-11-18

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2023-JC-YB-452）

*通信作者：趙永強（1976—），男，陜西扶風人，博士，教授，主要研究方向為特種成形及精密制造技術、液壓傳動及控制技術。

引用格式：劉石，趙永強，王大海，等.預制孔式無鉚連接尺寸關系對鉚接質(zhì)量的影響研究.陜西理工大學學報（自然科學版），2024，40（2）：9-17.

無鉚連接技術是板材在模具的作用下產(chǎn)生局部塑性變形而形成“互鎖”結構，并具有可靠的連接強度。無鉚連接技術最初是由德國TOX公司開發(fā)，并獲得專利。為滿足不同應用場合板材無鉚連接的需要和接頭強度等，國內(nèi)外學者對無鉚連接工藝做了大量研究，主要圍繞減少無鉚連接產(chǎn)生的凸點，降低凹模加工難度和加工成本，實現(xiàn)塑性較差的金屬板材連接等問題。

韓慧彥等研究了底厚值對平底無鉚連接強度的影響，發(fā)現(xiàn)控制合理的底厚值可保證接頭的連接強度；張鵬等提出了失效鋁合金平底無鉚連接接頭的原位固相修復方法，為失效的鉚接接頭修復提供了一種新方法；Stephan Busse和Chan-Joo Lee等提出預制孔無鉚連接方式，實現(xiàn)了鋁合金與高強鋼板的連接，通過接頭剪切試驗驗證了接頭的連接強度；黃倩等提出了一種平底帶錐孔的無鉚連接技術，對接頭的軸向拉伸強度進行數(shù)值模擬及試驗，分析得出預制孔無鉚連接方式能夠獲得更大的連接強度；劉鑫等對5052鋁板和HC420LA高強度板的無鉚連接件做拉伸試驗，研究了不同拉力和拉伸速度對接頭質(zhì)量的影響，得到不同板材厚度和成形力組合獲得高鉚接強度的方法。

上述無鉚連接的相關研究實現(xiàn)了不同板厚和異質(zhì)金屬板的連接，分析了無鉚接頭的失效形式和連接強度等，但在鉚接沖頭尺寸與板材預制孔尺寸的關系方面，以及無鉚連接模具設計及其制造方面未見研究。本文以5052鋁合金板為研究對象，建立了預制孔無鉚連接的幾何模型，進行預制孔無鉚連接仿真研究，模擬無鉚連接的過程和工藝參數(shù)對鉚接頭質(zhì)量的影響，設計出了無鉚連接的模具。

1" 預制孔無鉚連接工藝的機理

1.1" 預制孔無鉚連接過程

預制孔無鉚連接與傳統(tǒng)的凹模式無鉚連接相似，雙層或多層板材受到?jīng)_頭的沖壓力發(fā)生塑性變形，板材之間發(fā)生內(nèi)嵌，形成互鎖的鉚接頭，從而實現(xiàn)連接的一種板材連接方法。與傳統(tǒng)的凹模式無鉚連接不同的是，預制孔無鉚連接在板材鉚接前，需要在被連接的下板預制底孔并倒角；其次，鉚接過程中僅有上板受到?jīng)_頭擠壓產(chǎn)生塑性變形，參與變形部分的金屬流入下板的預制孔和倒角空腔內(nèi)，形成互鎖鉚接頭，實現(xiàn)上、下雙層板的無鉚連接和平底無鉚連接的效果。在此過程中下板未產(chǎn)生塑性變形，也未受到?jīng)_頭沖壓力的作用，鉚接過程中的工作載荷大幅下降。整個鉚接過程中主要涉及沖頭、壓邊圈、上板材、帶預制孔的下板材、平底模。預制孔無鉚連接過程如圖1所示，其中，F(xiàn)為鉚接時沖頭的成形力。

預制孔無鉚連接的具體工藝過程如下：

1）沖頭預緊。將上下板材疊放在鉚接模具中，沖頭和壓邊圈由上向下運動與上板接觸位置，壓邊圈壓緊雙層板材，同時保證沖頭與下板的預制孔的軸線對中，板材預緊完成。

2）初始壓入。沖頭向下運動，上板材受力發(fā)生塑性變形的部分逐漸被沖頭擠入下板預制孔中。

3）互鎖成形和保壓。沖頭繼續(xù)下壓，直至預設底厚值的位置時停止，此時，上板沖壓變形的金屬填充了下板的預制并被倒角的孔中，形成互鎖鉚接頭；鉚接頭成形后，沖頭需保持壓力并持續(xù)一段時間后再向上返回，以保證互鎖鉚接頭的連接強度。

4）退模。保壓過程結束后，沖頭向上回退至初始位置，將板材從模具中取出，鉚接工作完成。

1.2" 預制孔無鉚連接模具設計理論

如圖2所示，理想狀態(tài)下，上板受到?jīng)_頭擠壓后，將下板預制孔完全填充，上下板無間隙且板材無裂紋產(chǎn)生。板材成型部分呈軸對稱形狀，形成“墩實”的鉚接狀態(tài)。鉚接強度由鉚接頭抗剪切強度、軸向抗拉伸強度表示，取決于鉚接頭的頸厚值Tn與互鎖值Tu。模具幾何參數(shù)中沖頭半徑RP、預制孔半徑RH、倒角長度l、角度θ等關鍵參數(shù)對Tn與Tu有決定性影響。

在推算預制孔半徑RH時，依據(jù)的原理是理想狀態(tài)下鉚接過程完成后，沖頭進入下板孔內(nèi)的體積Vpunch與上板嵌入預制孔內(nèi)的體積Vup之和等于預制孔的體積Vhole，即

Vpunch+Vup=Vhole。（1）

因預制孔無鉚連接的模具采用軸對稱結構，為了方便體積計算，選取模型的1/4截面為研究對象。由于在板材受到壓縮的過程中，整體壓縮性較小，導致部分位置存在空腔及局部變形，故將截面部分分割成多個小體積，分別記為V1、V2、V3、V′1、V′3，如圖3所示。

鉚接過程中，上板的金屬材料產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部晶粒扭曲，金屬的收縮率δ計算公式為

δ=（E+p）/E，（2）

式中，E為材料的彈性模量，p為材料發(fā)生彈塑性變形時的流動應力，p≈8ReL，ReL為金屬材料的下屈服強度。

由于金屬板材的流動收縮特性，在雙層板材無鉚連接成形后，在上板沖頭沖入位和下板倒角位會形成一個空腔V′1與V′3。由于V′1與V′3的存在，鉚接頭位置板材的體積轉移。則鉚接頭的變形體積關系為

V2lt;V3lt;V1。（3）

為了進一步簡化模型，忽略沖頭的拔模角α、沖頭的圓角r和鉚接中產(chǎn)生的其他圓角影響，可得

V1=δπR2Pt1，（4）

V2=δπR2P（t2-X），（5）

V3=π3δltanθ+δπR2H（t2-ltanθ）-δπR2P（t2-X），（6）

將式（4）—（6）代入式（3）得

R2H（ltanθ+3t2）+RHtanθ（3l+1）-3R2Pt1+l3tanθ＜0，

R2H（ltanθ+3t2）+RHtanθ（3l+1）-6R2P（t2-X）+l3tanθ＞0。

（7）

將預設參數(shù)代入式（7）中以確定下板的預制孔半徑RH。本文針對2 mm厚的雙層5052鋁合金板開展預制孔無鉚連接工藝研究，假設沖頭半徑RP=3 mm、板材厚度t1=t2=2 mm、底厚值X=0.2 mm，依據(jù)鉚接前后體積變化關系求出預制孔半徑RH范圍。

參照無鉚連接的質(zhì)量評價標準，采用直接觀測的評價方法評價預制孔無鉚連接的質(zhì)量。在其他條件確定的情況下，RH越大，則Tu越小，Tn越大；RP越大，則Tu越大，Tn越小?？梢姏_頭及預制孔直徑間的配合尺寸是影響鉚接質(zhì)量的關鍵因素，在確定時要綜合考慮相關參數(shù)的影響。

1.3" 預制孔無鉚連接模具設計

根據(jù)計算的沖頭和預制孔尺寸設計的鉚接沖壓模具結構如圖4（a）所示。導柱用于鉚接過程中上模板與下模板定位，使上模板在受到壓力機下壓力作用時不會發(fā)生橫向偏移，保證沖頭、下板預制孔和下板預制孔定位銷軸線的對中（如4（b）所示）。上模板彈簧是在鉚接前將沖頭頭部頂出沖頭壓套；下模板中的彈簧將預制孔定位銷頂出下模板，對中下板的預制孔定位；沖頭限位套在將彈簧、沖頭、墊片環(huán)、墊片等連接在上模板，保證鉚接完成后取出鉚接件時沖頭不會從上模板中滑出；定位銷限位套保證彈簧不會將定位銷頂出位移過大導致下模板的上表面不平整，影響鉚接效果及質(zhì)量。鉚接結束后，定位銷回退到下模板中，下模板的上表面平整，抬起上模板將完成鉚接的鉚接件取出。

采用預制孔無鉚連接工藝，當沖頭由上向下運動時，被連接的金屬板不透明，上下板疊加之后，下板的預制孔變成了向下的盲孔，因此單側預制孔雙層板無鉚連接模具的設計必須解決兩個問題：一是下板預制孔的定位問題，二是如何確保沖頭與預制孔的軸線對中問題。如圖4（b）所示，若定位不準，鉚接過程中板材發(fā)生偏移，會導致下板預制孔結構破壞，影響鉚接質(zhì)量，嚴重時無法形成鉚接互鎖結構。定位銷對下板預制孔的定位作用保證了孔與沖頭始終在同一軸線上，預制孔在鉚接過程中不會被破壞，可以實現(xiàn)預制孔無鉚連接工藝過程，形成上下板材的鉚接互鎖結構。

2" 預制孔無鉚連接過程數(shù)值模擬

2.1" 數(shù)值模擬模型建立

板材厚度t1=t2=2 mm、底厚值X=0.2 mm時，分別選取沖頭半徑RP=2.90、3.00、3.10 mm，由式（7）計算可得預制孔半徑RH的取值范圍分別為3.70～3.92 mm、3.80～4.02 mm、3.90～4.12 mm，在每個范圍內(nèi)取三個具體的RH值，依次進行鉚接過程數(shù)值模擬。由于模型是軸對稱結構，為了簡化研究，減少數(shù)值模擬時間，建立模型時只建立真實模型的一半，對其進行模擬分析。分別在三維軟件UG中繪制并裝配好九組模型，導入DEFORM-2D軟件中進行鉚接過程的數(shù)值模擬工作，其幾何模型如圖1（a）所示。

DEFORM-2D是實現(xiàn)金屬板材沖壓模擬仿真的工具，模擬所需的各項參數(shù)設置步驟如下：

1）材料屬性：沖頭、壓邊圈、平底模均設為剛體，上下板材選用5052鋁合金。

2）各部件設置及約束：模擬設置在常溫下運行，仿真溫度設置為20 ℃；沖頭作為主模具，在Y軸方向移動速度為2 mm/s，位移設置為3.8 mm；上下板材在X方向施加約束；設置各部件的接觸表面接觸關系，摩擦采用剪切摩擦，上下板之間的剪切摩擦值為0.3，其余接觸之間剪切摩擦值為0.15。

3）網(wǎng)格單元設置：因2D模型結構簡單，本文采用四面體網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格質(zhì)量和計算精度、速度的情況下，無需消耗大量的計算機內(nèi)存；同時，在對板材進行網(wǎng)格劃分的基礎上，針對形變量大的部分局部細化網(wǎng)格，以避免在鉚接數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格破壞。

4）材料的失效形式：板材由于變形量過大容易導致板材撕裂，板材出現(xiàn)斷裂則無法形成鉚接頭。

在UG中裝配好的幾何模型，將每個部件以IGS文件格式單獨導出，再將模型部件依次導入DEFORM-2D軟件中進行鉚接過程的數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬模型如圖5所示。

2.2" 鉚接過程數(shù)值模擬分析

常溫下5052鋁合金的主要物理參數(shù)見表1。分別對不同沖頭半徑RP與預制孔半徑RH的組合進行數(shù)值模擬，根據(jù)鉚接成形的結果分析得出最佳的參數(shù)組合。

參照表2的9組鉚接方案，模擬得到的結果如圖6所示。

從圖6可以看出，9組參數(shù)組合均可實現(xiàn)板材的預制孔無鉚連接互鎖成形，表明通過式（7）確定的預制孔的尺寸范圍合理，可用于計算確定預制孔無鉚連接的沖頭半徑與預制孔半徑尺寸關系。

觀察9組模擬結果發(fā)現(xiàn)，a、d、g三組在鉚接結束后，上下板的接觸位置產(chǎn)生空隙，且下板倒角位置板材變形較為嚴重；c、f組合情況下沖頭與上板間產(chǎn)生空隙。以上兩種情況均會造成頸部連接強度降低。以鉚接成形后頸部厚度的最小位置作為頸厚值的測量點；上板被擠入下板倒角內(nèi)與下板接觸的最底部作為互鎖值的測量點，如圖7（a）所示。9組參數(shù)組合得到的鉚接頭頸厚值、互鎖值變化如圖7（b）所示。從圖7（b）中可以看出，沖頭半徑RP不變，預制孔半徑RH增大時，鉚接頭頸厚值Tn增大，互鎖值Tu減小。頸厚值與互鎖值的變化相反，符合體積轉移的大小變化規(guī)律。以互鎖值優(yōu)先、鉚接頭形貌優(yōu)良為前提，觀察圖6中各參數(shù)組合的鉚接頭形貌，綜合考慮，選出最佳參數(shù)組合的鉚接成形效果如圖6（h）所示，其頸厚值為0.831 mm，互鎖值為0.764 mm。

3" 影響鉚接質(zhì)量的因素

3.1" 倒角尺寸對鉚接質(zhì)量的影響

在預制孔無鉚連接中，下板的預制孔尺寸直接影響鉚接質(zhì)量，不改變沖頭直徑與預制孔直徑，僅改變倒角長度l與倒角角度θ，探究倒角尺寸對鉚接質(zhì)量的影響。選取的倒角尺寸參數(shù)組合見表3。

選取的沖頭半徑為3.10 mm，預制孔半徑為4.01 mm。當?shù)菇浅叽缃M合不合理時會造成板材不良變形，圖8（a）為表3中的組合方案1得到的鉚接模擬結果，圖8（b）為組合方案9得到的鉚接模擬結果。從圖8（a）中可以看出，當l與θ較小時，形成的鉚接質(zhì)量較差，雖然鉚接互鎖結構也能形成，但下板變形嚴重，倒角角度變大，該種不良變形會導致鉚接頭軸向抗拉伸強度降低，頸厚值、互鎖值均會受到影響；從圖8（b）可以看出，當l與θ都較大時，上板在受到?jīng)_頭擠壓后，在沖頭附近發(fā)生冗雜堆積，上板為完全進入下板倒角內(nèi)，互鎖值大大減小，且鉚接頭形貌畸形，嚴重影響鉚接質(zhì)量。

模擬倒角變化的鉚接成形質(zhì)量如圖9所示。分析圖9可得，θ不變，l增大時，頸厚值無顯著變化，θ=40°時，隨著l的增大，互鎖值增大；θ=45°、50°時，隨著l的增大，互鎖值先增大后減小，由此證明小倒角角度有利于上板材料擠壓進入下板的預制孔中，但小的倒角角度更容易導致下板變形，影響鉚接頭的抗拉強度。l不變，θ增大時，頸厚值減小，互鎖值先增大后減小，在l不變的情況下，θ=45°時鉚接頭的互鎖值最大。因此，下板的預制孔倒角應優(yōu)先考慮θ=45°。

從上述分析可知，倒角的長度與角度對鉚接質(zhì)量的影響不是一個單因素問題，在進行倒角時需要綜合考慮其對鉚接頭頸厚值與互鎖值的影響。圖9中第1組與第9組連接質(zhì)量分別對應圖8中所示的兩組鉚接頭形貌，在兩種倒角尺寸參數(shù)組合下，板材發(fā)生不規(guī)則畸變，造成互鎖值過小，這也表明了倒角尺寸對互鎖值的影響較大，l較小時，應盡量選擇大的θ值；同理，l較大時，應盡量選擇小的θ值，保證板材不會發(fā)生畸變，從而形成鉚接頭。綜上，以互鎖值優(yōu)先、鉚接頭形貌優(yōu)良為前提，鉚接質(zhì)量最好的一組為第5組，此時，沖頭的半徑為3.10 mm，預制孔的半徑為4.01 mm，倒角的角度θ為45°，倒角的長度l為1.2 mm。

3.2" 沖頭速度對鉚接質(zhì)量的影響

預制孔無鉚連接模具與設備確定后，沖頭速度即為鉚接速度，它是影響鉚接頭質(zhì)量的最直接參數(shù)，也是最容易控制的工藝參數(shù)。選取最佳沖頭半徑與下板預制孔的尺寸參數(shù)，上下板厚均為2 mm。沖頭的速度分別設置為1、2、3、…、9 mm/s的9種情況進行數(shù)值模擬。鉚接速度對鉚接質(zhì)量的影響如圖10（a）所示，鉚接速度對模具最大載荷的影響如圖10（b）所示。

從圖10（a）可以看出，頸厚值隨鉚接速度的增大而減小?；ユi值未有明顯變化，證明鉚接速度對預制孔無鉚連接頸厚值影響較大，對互鎖值影響較小。分析其原因發(fā)現(xiàn)，在20 ℃時5052鋁合金板材的塑性成形能力較弱，鉚接速度越大，鉚接頭在上板頸部變形嚴重，導致頸厚值減?。欢T接頭的互鎖是由上板嵌入下板的預制孔倒角而產(chǎn)生，主要受倒角尺寸的影響，且在沖頭擠壓上板過程中下板幾乎不參與變形，因此，改變鉚接速度對互鎖值的影響不明顯。又如圖10（b）所示，沖頭擠壓板材的速度增大時，模具受到的載荷不斷增加，導致上下板材間出現(xiàn)變形不充分的現(xiàn)象，這與金屬板材的塑性變形規(guī)律一致。綜上所述，在常溫下進行預制孔無鉚連接時應選用較低的鉚接速度，結合前述研究結果，本文選取的鉚接速度為2～5 mm/s。

通過上述分析，可知，板材預制孔半徑和與沖頭半徑、板厚、沖頭位移等參數(shù)緊密相關，下板預制孔半徑的確定要合理，且倒角尺寸也要合理；無鉚連接應選用常溫下塑性較好的金屬板材；為了防止板材發(fā)生不規(guī)則的變形，保證鉚接頭的互鎖值大小。鉚接時，鉚接速度不宜過高。

4" 結論

通過對5052鋁合金層疊板材進行預制孔無鉚連接研究，設計了鉚接模具參數(shù)，給出了板材預制孔半徑確定方法，運用DEFORM-2D軟件進行鉚接過程的有限元數(shù)值模擬。驗證了方法的有效性，得到了鉚接模具尺寸參數(shù)、鉚接工藝參數(shù)等之間的影響關系。

1）預制孔無鉚連接時，沖壓上板在下板上表面預制孔周接觸區(qū)域發(fā)生不規(guī)則變形，產(chǎn)生空隙，從而降低鉚接頭的連接強度，選取合適的鉚接模具參數(shù)可以避免該種情況的發(fā)生。

2）預制孔的倒角尺寸是影響鉚接互鎖值的關鍵因素，根據(jù)沖頭半徑確定好預制孔半徑后，再根據(jù)板厚確定倒角的尺寸。當上下板厚均為2 mm，倒角尺寸為1.2×45°時鉚接質(zhì)量較好。

3）鉚接速度對鉚接頭頸厚值的影響較大，鉚接速度越大，鉚接頭頸部變形越嚴重，頸厚值越小。因此，為保證良好板材互鎖情況，在常溫下進行預制孔無鉚連接時應選用較低的鉚接速度，既可以防止板材發(fā)生不規(guī)則畸變，又提高了鉚接強度。

［" 參" 考" 文" 獻" ］

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［責任編輯：魏 強］

Study on the effect of dimensional relationship on riveting quality of preformed hole type rivetless joints

LIU Shi1，" ZHAO Yongqiang1，2，" WANG Dahai1，" MEI Miaoyuan1，" HOU Hongling1，2，" LI Jielv1

1.School of Mechanical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China;

2.Shaanxi Key laboratory of Industrial Automation， Hanzhong 723000， China

Abstract：" In order to study the influence of process parameters on riveting quality of rivetless connection， a model of rivetless connection of prefabricated holes was designed to analyze and obtain the optimal values of prefabricated hole dimensions under one combination of variables corresponding to the combination of plate thickness， punch radius， prefabricated hole radius， and chamfering dimensions， etc， with plate thickness， punch radius， prefabricated hole radius， and chamfering dimensions as variables in the rivetless connection. A finite element model of rivetless connection with preformed holes was established， and" the software DEFORM-2D was used to simulate the process of rivetless connection with prefabricated holes. The bottom thickness of the riveted joint was controlled at 0.2 mm. The optimal size parameters for the prefabricated holes were selected within the range determined by the calculation formula for the radius of the prefabricated holes. The influence of the chamfer size of the prefabricated holes on the forming quality of the riveted joint was studied. The results show that the radius of the preformed hole， chamfer size， etc. directly affect the quality of the riveted head， the upper and lower plate thickness of 2 mm， preformed hole radius selection of 4.01 mm， chamfer size of 1.2×45°， the best riveting quality; riveting speed affects the riveted head of the neck thickness value， and the larger the riveting speed， the smaller the neck thickness value.

Key words：" preformed hole rivetless riveting; mold size relationship; numerical simulation; riveting quality