無鉚釘鉚接的工藝研究

1、摘要無鉚釘鉚接的工藝研究摘要隨著家電及汽車等機械行業(yè)的發(fā)展和競爭的加劇， 這些領域越來越追求加工制造的 自動化及高效、快捷性， 家電和汽車等機械產(chǎn)品中有不少板料連接件， 而無鉚釘鉚接很 適合實現(xiàn)自動化， 以提高制造的高效、快捷性， 降低生產(chǎn)成本， 降低勞動強度。而且無 鉚釘鉚接疲勞強度比點焊高，對于汽車等處于振動工況的機械產(chǎn)品是一個必備的優(yōu)點。 要提高汽車的經(jīng)濟性， 可以采用鋁鎂合金等輕型材料， 常用的點焊難于連接， 而無鉚釘 鉚接能進行較好連接。本文首先利用 DEFORM-2D 有限元軟件建立無鉚釘鉚接有限元模型，對鉚接過程進行 有限元模擬， 分析鉚接成形過程中的五個階段。對模擬過程的應力應

2、變進行了分析， 結 果表明應力應變主要集中在凸模下面板料及上板料嵌入下板料的鑲嵌部分。研究了鉚接 成形過程中的載荷-行程變化趨勢。其次對不同厚度板料的組合進行模擬，對模擬結果分析，得到影響鉚接接頭性能主 要工藝參數(shù)： 凸模和凹模形狀及尺寸， 被鉚接的上、下板料的厚度， 上、下板料的材料， 被鉚接板料的機械性能等；并提出制定工藝時的注意事項。最后分析了凹模深度、凹模環(huán)形凹槽深度、凸模圓角大小、上下層板料放置順序（包 括厚度不同和材料不同） 對無鉚釘鉚接接頭性能的影響。提出在此情況下凸模和凹模形 狀的設計原則， 為實際設計模具提供了參考。利用多種組合的有限元模擬結果和實驗結 果， 對上、下板料厚度

3、改變情況下鉚接接頭性能缺陷進行分析和提出解決方案， 對無鉚 釘鉚接工藝的制定具有一定的指導意義。關鍵詞：有限元模擬，無鉚釘鉚接， DEFORMISTUDY OF CLINCHING TECHNOLOGYABSTRACTWith the development and intense competition of machinery industry, such as household appliances and automotive industries.It demands to manufacture more automationally and efficiently.There

4、are a lot of metal sheets connectors in the household electrical appliances, vehicles, and other machinery products, clinching is very suitable to achieve efficient manufacture, lower production costs, and less labor intensity. There is higher fatigue strength of clinching than the spot welding.It i

5、s a definite advantage to have the high fatigue shength for the automotive and other mechanical products that serve in the vibration condition. To improve the economics, lightweight materials such as aluminium-magnesium alloy are used in automotive industry, and the common spot welding is difficult

6、to connect them, clinching is the better choice.Firstly, finite element model of clinching is established on DEFORM-2D software. The finite element simulation of the clinching process is carried out, and five stages of forming process of the riveting are analyzed. Distribution of stress and strain d

7、uring forming process are analyzed.The results show that stress and strain are mainly concentrated on the sheet under the punch and the mosaic part that the upper sheet embedded into the bottom sheet. This paper has studied trendency ofthe load-stroke curve.Secondly, the specimens with different thi

8、ckness sheets (upper sheet and lower sheet) are simulated, and the simulation results are analyzed. The main technology parameters which influence the performance of riveted joint are obtained, these parameters are the shape and size of punch and concave mold, the thickness of the upper sheet and bo

9、ttom sheet ，the material ofthe sheets，the mechanical properties ofthe riveted metal sheet，and so on. And the attention matters of the technology are proposed.Finally, the effect of the depth of the concave mold, the groove depth of the ring in the concave mold, punch fillet size and laying order of

10、the matal sheets (different thickness and different material) that influence joint performance of clinching are analyzed. Moreover, the principles of designing punch and concave mold shape are proposed. This can provide some references for mold design.Making use of the finite element simulation resu

11、lts and the experiment results of the many kinds of combinations, the performance flaws and the solutions of clinching are forecasted. This can provide certain references to the practical application of clinching.Key Words: numerical simulation, clinching, DEFORM第一章 緒論第一章 緒論1.1 引言隨著機械工業(yè)的發(fā)展， 對機械產(chǎn)品的經(jīng)濟

12、性得到越來越高的關注， 對機械產(chǎn)品的工 藝性也要求可靠、高效、快捷、可實現(xiàn)自動化等等。相應的機械產(chǎn)品如汽車中板料連接 的經(jīng)濟性、高效和自動化等工藝性能也得到越來越高的重視。由于當代機械產(chǎn)品的生產(chǎn) 往往是大規(guī)模大批量， 因為這樣才能取得規(guī)模效應， 才能取得較好的經(jīng)濟比較效益， 要 大批大量生產(chǎn)機械產(chǎn)品， 就要實現(xiàn)機械化、自動化的生產(chǎn)， 這樣才能實現(xiàn)產(chǎn)品的快捷生 產(chǎn)。而且實現(xiàn)機械化、自動化能實現(xiàn)質(zhì)量的穩(wěn)定、可靠和減輕勞動強度。板料的連接也 不例外，實現(xiàn)機械化、自動化也很有現(xiàn)實及長遠意義。而且據(jù)研究表明，當整車質(zhì)量減輕10時，燃油經(jīng)濟性提高3.8，加速時間減少8 ， 制動距離減少5， 轉向力減小6，

13、 CO排放減少4.5， 輪胎壽命提高7 1,33。實 現(xiàn)汽車的輕量化就可以大量采用輕金屬， 而在汽車中有大量的板料連接件， 如汽車覆蓋 件、座椅、內(nèi)飾件等， 這些都可以采用鋁合金或鋁鎂合金等材料。點焊對于黑色金屬之 間的連接是可靠的， 可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)， 故現(xiàn)在點焊連接法廣泛應用于這些黑色金屬 板料的連接，但對于那些鋁合金或鋁鎂合金材料的連接是很困難的 。為了連接點焊不能或難于連接的那些輕金屬材料， 以及實現(xiàn)板料連接的快速性、自 動化等， 無鉚釘鉚接技術得到越來越多的關注。而且無鉚釘鉚接可以和粘接聯(lián)合使用形 成高強度、高剛度的連接，無鉚釘鉚接還可以不破壞鍍層或存在夾層的板料，不發(fā)熱， 不發(fā)光

14、， 鉚接設備和模具可以重復使用， 只要設備、模具設計和使用得當， 它們可以有 很高的使用壽命， 特別是對于鋁合金或鋁鎂合金等輕金屬材料。無鉚釘鉚接還不需要輔 助材料，故工藝也很經(jīng)濟，沒有廢料、沒有廢渣、沒有廢氣等產(chǎn)生，故還很環(huán)保。 無 鉚釘鉚接（TOX 連接）的連接強度可進行無損檢測，這是無鉚釘連接所獨具的質(zhì)量檢測 方法， 完全適應了現(xiàn)代化工業(yè)對連接加工過程自動化的要求。極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量及 生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。普通螺紋聯(lián)接連接費用較高，而且費時、費工，還常容易因振動而松動。采用傳統(tǒng) 的鉚接工藝都要求先對鉚接材料進行預沖孔, 然后再用鉚釘進行連接, 鉚接工藝復雜、 外觀差、效率低且不易

15、實現(xiàn)自動化2。而無鉚釘鉚接就有利于實現(xiàn)機械化和自動化。在家電制造業(yè)和汽車工業(yè)等， 使用的板材將朝著輕量、涂層材料的方向發(fā)展， 然而 對于連接這些材料傳統(tǒng)的點焊連接工藝就無能為力4。因此近幾年發(fā)展起來了一種新的 優(yōu)于點焊工藝的無鉚釘鉚接工藝。本課題來自于江西省教育廳項目： 無模沖鉚連接技術 研究。本文應用 DEFORM 軟件對無鉚釘鉚接過程進行了有限元模擬，通過改變各種工 藝參數(shù)的數(shù)值模擬， 得到各種應力、應變及載荷變化曲線， 得出模具設計的原則和注意1第一章 緒論事項。通過實驗研究， 改變模具的尺寸、凸模形狀與行程以及改變板料的厚度、材料搭 配和上、下板料疊放次序的數(shù)值模擬來得出影響無鉚釘鉚接

16、接頭的因素， 并通過測量鉚 接接頭成形后的剖面形狀得出鉚接接頭的自鎖性能。1.2 無鉚釘鉚接（TOX）技術的概況1.2.1 無鉚釘鉚接的工藝過程無鉚釘鉚接也叫作 TOX 連接， TOX 連接來源于 TOX 公司名， TOX 板料連接技術 為德國 TOX 公司在八十年代末研發(fā)的， 并獲得了國際專利技術， 還獲得德國 RUDORF EBERLE 技術革新大獎。這項技術是一種逐步取代傳統(tǒng)落后連接工藝的新型連接方法。無鉚釘鉚接技術利用 壓力設備和連接模具， 通過一個瞬間強高壓加工過程， 依據(jù)板件本身材料的冷擠壓變形， 形成變形點， 即可將不同材質(zhì)不同厚度的兩層或多層板件連接起來。無鉚釘鉚接技術對 板件

17、表面無任何要求， 連接點處板件表面原有的鍍層、漆層不受損傷。連接過程自動化 程度高， 可單點或多點同時連接， 并能進行無損傷連接強度檢測及全過程自動監(jiān)控， 生 產(chǎn)效率極高。(a) (b) (c) (d)圖 1-1 無鉚釘鉚接示意圖36Fig.1-1 an Illustration of Clinching1.2.2 無鉚釘鉚接的特點無鉚釘鉚接技術和點焊等傳統(tǒng)連接方法相比更顯其獨特優(yōu)勢:它在相同或不同的金屬 材料間連接,它能連接 3 層鋼板,還能連接中間有夾層(如紡織物、塑料、薄膜、紙、絕緣 材料等) ,另外它還能連接有鍍層的及有噴漆面的,而不破壞表面鍍層和油漆,這些都是點 焊等連接無法比擬的。

18、在連接強度上,經(jīng)試驗測得TOX單點連接靜態(tài)強度是點焊的70 % , 但如用雙點連接可與點焊相等,而在動態(tài)強度上比點焊要高,也就是說,TOX 連接點的壽 命比焊點長3。TOX 沖壓連接的出現(xiàn)還改變了傳統(tǒng)的板件加工工藝流程，減少了加工工序和物料轉 運， 大大降低了生產(chǎn)成本。 TOX 連接作為一種冷沖壓加工， 還可以根據(jù)實際工件的具體2第一章 緒論要求， 方便可靠地進行多點連接， 即可以同時幾個， 十幾個甚至幾十個點的連接。 TOX 連接模具也可以和工件折彎成型模具組配構成復合模具， 一次沖壓加工即可同時完成工 件的折彎成型與連接，生產(chǎn)率極高3。無鉚釘鉚接基本上是一個冷成型而且比較安靜的 過程， 不

19、產(chǎn)生煙霧和污濺。鉚接過程簡單， 一步完成， 因其是機械連接而不是熔化， 故 可用于多種原料（鋼板、鋁、銅等， 夾層中還可以有塑料等非金屬材料） 的連接?？傊?無鉚釘鉚接具有如下優(yōu)點:1）適合于許多不同金屬原料間的連接(包括不同材料和不同厚度)； 2）使連接兩種不同金屬板料成為可能； 3）連接快速，可實現(xiàn)機械化自動化； 4）對于有涂層的材料無損害或損害極??； 5）過程簡單，一步完成且不需要象普通鉚接預先打孔；6）不散發(fā)煙霧和熱量，噪音低；7）所使用的工具壽命長；8）能量消耗低；9）可用過程監(jiān)測設備進行監(jiān)測；10）抗疲勞性能好；11）可以和其他工藝如粘接結合形成混合連接；12）連接前后無需處理材

20、料，不會對材料造成破壞。13）可以連接多層板料14）可以把非金屬放在夾層進行連接與點焊相比較，無鉚釘鉚接的缺點有：靜態(tài)強度沒有點焊高，不能對高硬度或經(jīng)過 熱處理硬化的鋼材直接進行鉚接。與普通鉚接比較，無鉚釘鉚接的缺點有：無鉚釘鉚接時不能連接塑性差的兩塊或多 塊非金屬板料。無鉚釘鉚接工藝的連接成功率要比普通鉚接低， 因為無鉚釘鉚接的工藝 條件要求較高。3第一章 緒論表 1-1 無鉚釘鉚接的應用范圍42名 稱特 征實 例板件材 料相同或不相同的金屬汽車儀表框架、車門、排氣管、搖窗機板件厚 度最小單板厚度約為 0. 3 mm 最大組合板厚為 8 mm微波爐波導管、汽車保險杠板件表 面狀況無鍍層的單面

21、或雙面鍍層噴漆覆塑料薄膜有油污或干燥表面發(fā)動機支架牙醫(yī)機器外殼洗衣機殼體冰箱門風機殼體板件層 數(shù)2、3、4層中間夾層(紡織物、塑料、薄膜、箔、紙等)辦公椅椅架、汽車油箱由于特有使用環(huán)境， 就要求制造質(zhì)量有較高的疲勞強度。然而， 無鉚釘鉚接工藝連 接質(zhì)量的抗疲勞強度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接工藝。 TOX 連接與點焊連接在設備投資、工裝 模具費、加工運轉費等的比較，可以得出 TOX 連接技術與點焊相比，在經(jīng)濟方面也具 有極強的競爭力。大量生產(chǎn)實踐統(tǒng)計表明， TOX 連接費用大約是點焊連接費用的 40%-70%3。除此外，與電焊相比無鉚釘鉚接工藝還有其它優(yōu)點如表 1-2 所示5。4第一章 緒論表 1 2

22、無鉚釘鉚接與焊接的比較使用標準無鉚釘鉚接點焊環(huán)境影響較小產(chǎn)生煙霧和污濺靜應力單點約點焊單點連接的 70%，高模具壽命高2500密封效果與粘接配合效果更好一般連接技術最大厚度鋼材與鋼材 8mm （總厚度） 鋁與鋁 11mm約 6mm連接層數(shù)2 4 層2 層安裝液壓、氣動壓縮空氣電流水效率（次/分）20 6020 40非金屬材料可以放在夾層不可以能量消耗小大場地要求小大多種材料可以運用多種金屬只適應鋼料連接類型機械方法無熱量轉化， 通過壓力變形連接有熱量轉換， 通過金屬鍍層金屬可以不可以1.2.3 無鉚釘鉚接工藝的應用由德國 TOX 公司八十年代末研究開發(fā)的 TOX 板件連接技術為國際專利技術，

23、在國 外薄板無鉚釘連接技術被很多行業(yè)廣泛應用?，F(xiàn)在被很多國外的汽車制造商所采用， 在諸如汽車天窗， 引擎蓋， 行李箱蓋， 搖窗 機，座椅，安全氣囊等部件中，甚至將 TOX 連接工藝作為標準工藝。近幾年隨著國外 車型不斷引到國內(nèi)， TOX 連接技術也被大量帶入到中國汽車制造業(yè)中，如富康、奧迪 A6、帕薩特、寶來、廣州本田等， 特別是上海大眾 2002 年與世界同步推出的 POLO 轎 車， 更首次在白車身上將 TOX 連接工藝大規(guī)模的帶到中國。 作為全球同步技術的 POLO 轎車， 除了發(fā)動機罩殼和行李箱蓋外， 還在汽車座椅、儀表盤支架、安全氣囊殼體等眾 多部件上采用了 TOX 板料連接技術。

24、POLO 轎車后行李箱蓋由箱蓋外板+箱蓋內(nèi)板+加 強筋均采用雙面鍍鋅板，共 79 個 TOX 連接點相互連接而成。此外在上海大眾的 TouranA-MPV 、PassatB6,一汽大眾的 Golf-5 、Audi A4 、Audi C6 、Audi A6 以及東風雪 鐵龍的標志 307 、BMW5 系列等均大量采用了 TOX 連接技術3。上海上菱電器有限公 司采用 TOX 連接工藝制作的燃油式取暖器的燃燒室(不銹鋼板與鍍層板連接)。許多汽車 部件， 如汽車搖窗機、頂窗、汽車尾燈導板等， 以及家電制造業(yè)、特種機床制造業(yè)還有5第一章 緒論一般工業(yè)等，都已將 TOX 連接作為標準工藝。例如日本美能達

25、的復印機機座；德國 Ziehl-Abegg 的風機殼體； 美國Apple 計算機殼體； BMW 汽車的制動器罩殼、車門、儀 表柜架； Bosch-Simens 微波爐導管、干燥機頂蓋等工件的連接5。德國大眾公司即采用 了 TOX 連接工藝進行車身連接的無人生產(chǎn)線； 山東巨力集團采用 TOX 技術用于農(nóng)用車 箱板連接6。飛彩集團在農(nóng)用運輸車貨廂廂板生產(chǎn)中應用了無鉚釘鉚接（TOX）技術， 并取得良好的經(jīng)濟效應7。廣州機床研究所在為“美的”風扇廠制造的落地式風扇圓筒 支架與法蘭件的動壓連接專機中，采用了一種先進的以氣液增力缸為動力的托克斯 （TOX）動壓連接新技術8。(a)POLO 轎車后行李箱蓋3

26、（b）POLO 轎車后行李箱蓋加工工位3圖 1-2 無鉚釘鉚接工藝在汽車車身制造中的應用 Fig.1-2 Application of Clinching in Automobile Body Manufacture1.3 無鉚釘鉚接工藝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀只要測得無鉚釘鉚接點的底厚值“X”,即可知道改點的抗拉強度，利用這一特性可 以簡便可靠的地將無鉚釘鉚接加工過程自動化， 實現(xiàn)全過程自動檢測， 嚴格保證每一點 的連接質(zhì)量3。托克斯(中國)沖壓技術有限公司研究人員指出，由于 Tox 連接技術自動 化程度極高， 可同時多點連接， 并可無損傷地檢測連接強度， 嚴格保證了連接質(zhì)量， 極 大地提高了生產(chǎn)效

27、率，降低了生產(chǎn)成本，其連接費用僅為點焊的 40%-70%12。無鉚釘 鉚接還可多點同時連接，效率極高。無鉚釘鉚接不會出現(xiàn)應力集中5。匡錫紅等指出， 在連接強度上， 經(jīng)試驗測得到 TOX 單點聯(lián)接靜態(tài)強度是點焊的 70%， 但如用雙點連接可以與單點相等， 而在動態(tài)強度上比點焊要高， 也就是說， TOX 連接點 的壽命比點焊的壽命長9。李勇等通過 TOX 連接圓點金相照片得出：板件材料在擠壓 形成的 TOX 連接圓點處，其內(nèi)部晶粒結構被細化且有序化排列，材料硬度得到提高， 而且在最薄弱的部分，其硬度值提高最大6。這說明在 TOX 連接點處板件材料的機械 性能不僅沒有受到損害，反而有了很大提高。此外

28、，在 TOX 連接圓點處，材料均是塑 性范圍內(nèi)變形，其內(nèi)部晶粒本身及晶粒之間基本無撕裂損傷，由此保證了 TOX 連接圓6第一章 緒論點處無應力集中。故 TOX 點不僅通過其板件材料的互相鑲嵌而具有足夠的靜態(tài)抗剪、 抗拉連接強度，而且還具有極佳的動態(tài)疲勞連接強度9。韓向東等指出，板料的原始組織為細晶粒結構, 在板料的初壓入階段基本不變。但 進入沖壓連接點前期成型階段后, 頸狀部位的的材料組織受到很強的擠壓作用, 晶格被 壓縮, 顯微硬度提高, 表面得到強化 10。無鉚釘鉚接連接處材料由于擠壓產(chǎn)生塑性變形,其金屬顆粒沿著受力方向被拉長為 纖維狀組織,所以金屬的力學性能呈現(xiàn)各向異性. 而金屬力學性能

29、變化最突出的是:隨著 變形程度的增加, 出現(xiàn)強度、硬度提高;塑性、韌性下降的加工硬化現(xiàn)象12 。經(jīng)測定,變 形處各點的硬度值是未變形材料的約 1. 5 倍 11。一般說來, 被連接的板料的韌性越好, 連接的強度越好。沖壓力、沖壓速度的大小 和被連接的材料以及沖壓連接圓點的直徑有關。沖壓連接圓點直徑、深度、沖壓連接點 底部厚度。一般來說, 連接點徑越大, 其連接強度越高13。李勇和夏元海等指出， TOX 連接點的形成歸功于 TOX 沖壓設備， 其動力執(zhí)行缸采 用 TOX 氣液增壓原理，其在整個過程空氣耗量極少，大大節(jié)省了能量，與一般的沖壓 設備相比，最高節(jié)能可達到 90%14?？镥a紅等指出， 板

30、件沖壓和液壓系統(tǒng)相比, TOX 沖壓通過軟到位(即在模具接觸工件 前系統(tǒng)內(nèi)只有低壓) ,可在快進行程中保護模具,保證工件無沖擊、無噪聲,極大地提高了 工件的加工質(zhì)量。接觸工件后,通過油壓開關和壓力表控制沖壓力。而液壓系統(tǒng)中模具與 工件高壓碰撞,只有通過附加設施才能加以避免 15。通過冷擠壓而實現(xiàn)的 TOX 點連接技術，其適應范圍極廣，理論上講只要能發(fā)生塑 性變形的金屬板材都可以采用 TOX 連接， 即使對不銹鋼這種塑性較差的材料， TOX 連 接同樣可以達到相當好的效果 8。用 TOX 沖壓連接代替點焊， 效率提高 12 倍， 凸點均 勻整齊，連接可靠，質(zhì)量穩(wěn)定，更有利于后續(xù)漆前處理和電泳底漆

31、9。TOX 連接技術對板件表面無任何要求，不需除油處理，即使在極狹窄的法蘭邊上 或很小的安裝空間里，也可以成功地進行 TOX 連接。連接點處板件表面可以有薄的鍍 層、漆層、覆蓋的塑料膜， 連接板之間還可以用紡織品、塑料、箔、薄膜、紙作為中間 夾層，在進行 TOX 連接時都不會被破壞，也不會影響其抗腐蝕性能和防銹性能16。TOX 連接要求所連接構件的材料需具有一定的延伸率，因為連接過程中材料在被 連接部位劇烈變形及塑性流動， 塑性差的材料在連接過程中往往被拉斷。試驗中發(fā)現(xiàn)具 有一定延伸率的不同材料板件之間的連接一般都能取得理想的連接效果， 但板件材料強 度或延伸率相差過大的不同材質(zhì)的組合沖壓連接

32、不理想。 TOX 連接點徑、組合板厚的 選擇與 TOX 模具相關連，必須很好選配，保證有適當?shù)膫认蜻^盈量，這樣在沖壓連接 的過程中才有充足的材料產(chǎn)生塑性流動而相互鑲嵌。不能任意組合， 否則輕則造成連接 不良，重則損壞模具或機床。鉚接點的直徑越大連接強度越高,TOX 設計時盡量避免使 用單點，單點在有較大扭矩時有轉動的趨勢 17。7第一章 緒論點焊連接技術的使用常常受到不同材料的限制。此外, 對于多層板件、復合板件、 不等厚度板件, 以及中間有夾層板件的連接, 這些方法就更困難。無鉚釘鉚接技術成功 地解決了以上問題 18,19 。楊小寧等指出， 無鉚釘鉚接強度主要包括剪切強度和剝離強度。剪切強度

33、主要由頸 部厚度值決定, 剝離強度主要由上板料嵌入下板料的厚度值決定。 而這兩個值與模具設 計參數(shù)以及工藝參數(shù)有著直接的關系19。J.P. Varis 指出， 當較厚的板料作為上板料時， 無鉚釘鉚接的接點抗剪力的能力大于 較厚板料放在下面時的接點抗剪力的能力。在相同的板料和相當?shù)某叽纾ǚ叫谓狱c的邊 長等于圓形接點的直徑）條件下， 方形接點的抗剪力的能力大于圓形接點抗剪力的能力。 而圓形接點能夠抵抗各個方向的剪力， 而具有較好的抗剪力性能， 而方形接頭在剪力方 向改變時， 其抗剪力的能力變化很大。在連接板料時如果需要抵抗方向不定的載荷， 就 可以選擇圓形接點20。M. Carboni 通過對無鉚

34、釘鉚接接頭的研究表明， 疲勞失效模式和鉚接接點的形狀關 系不是非常大。鉚接接點所受到的疲勞載荷的類型或者受到多個疲勞載荷時疲勞載荷之 間搭配形式、分布以及比例對鉚接點的影響較大。結果表明無鉚釘鉚接連接疲勞極限可 以達到材料強度極限的 50%，這比點焊的疲勞強度高得多， 經(jīng)顯微觀察知存在三種失效 模式， 一是經(jīng)長期的微動磨損引起得疲勞失效， 二是在鉚接接點的有壓痕的頸部發(fā)生疲 勞失效，三是在有應力集中的關鍵地方發(fā)生疲勞失效21。Juha Varis 通過對無鉚釘鉚接和自沖鉚接的經(jīng)濟性考察得出無鉚釘鉚接的費用的不 同在模具損耗上， 無鉚釘鉚接的模具壽命主要由模具材料、工藝、被鉚接的材料特性以 及其

35、它外部因素決定， 要提高無鉚釘鉚接的經(jīng)濟性就要提高模具的壽命。自沖鉚接的費 用在鉚釘?shù)某杀旧险剂撕艽蠓蓊~， 而自沖鉚接的模具壽命很高， 幾乎可以忽略模具的成 本。一般的說如果鉚接材料較軟則無鉚釘鉚接模具壽命高，則采用無鉚釘鉚接更經(jīng)濟， 反之亦然。在計算成本時還要考慮設備的添置的固定資本22。Juha Varis 指出，鉚接設備及模具要處在正確的位置，板料也要放置正確，模具不 允許彎曲， 要控制好凸、凹模之間得偏心現(xiàn)象。鉚接設備、滑塊和鉚接模具的工作條件 要得到良好的控制， 否則由于運動部件的磨損將導致模具運動不正常， 這將直接影響鉚 接接點的質(zhì)量23。A.A. dePaulaa 等發(fā)現(xiàn)凸模錐度

36、、凸模末端直徑、凹模直徑、凹模內(nèi)的 環(huán)形溝槽、凹模的形狀和凹模深度等會引起無鉚釘鉚接接頭頸部厚度的變化。其又指出 在拆解一個無鉚釘鉚接接頭時如果加入一個彎曲力， 那么接頭更容易拉脫， 拉脫的力量 將較小24。R.F. Pedreschia 等發(fā)現(xiàn)無鉚釘鉚接能用于冷成形鋼的結構桁架，并得出以下結論： 當鉚接的個數(shù)增加時桁架的強度也增加， 桁架失效時從鉚接點的失效到桁架桿件的失效 都發(fā)生了很大變化。由于載荷的增加導致發(fā)生鉚接接點的韌性破壞， 最終發(fā)生桁架的破 壞是在最大載荷時發(fā)生的，可以通過對個別接點進行少數(shù)屈服測試來預測25。8第一章 緒論R. Lennon 等研究發(fā)現(xiàn)， 方形的無鉚釘鉚接受到剪

37、力時， 其受載能力和載荷的方向 密切相關， 當受到的力和無鉚釘鉚接有自鎖的那條鉚接線垂直時， 其承載能力最高， 而 當受到的力和無鉚釘鉚接沒有自鎖的那條鉚接線垂直時， 其承載能力最弱。鉚接的失效 模式也和載荷的方向密切相關， 當載荷和自鎖的那條鉚接線垂直時， 鉚接點發(fā)生塑性變 形而破壞， 而如果載荷和鉚接自鎖邊平行時， 兩板在鉚接點處會發(fā)生滑移。無鉚釘鉚接 的承載能力和被鉚接的厚度密切相關， 當鉚接板料厚時， 承載能力強， 當板料薄時承載 能力弱26 。R. F. Pedreschi 等發(fā)現(xiàn)，無鉚釘鉚接的抗剪切能力小于自攻螺紋連接和普通 鉚接。無鉚釘鉚接接點還可以抵抗彎曲的作用， 當有一組鉚接

38、接點時， 抗彎距的能力更 強。無鉚釘鉚接接點的轉動的行為和自攻螺紋以及普通鉚接的行為類似27。K. Taube 等研究了對模具進行鍍層或附膜處理，發(fā)現(xiàn)進行鍍層或附膜處理的模具 抗鋁合金以及鋼板等工件的粘接和磨損的能力有了很大提高。對板料進行接近實際工況 無鉚釘鉚接的原理研究表明， 由于會發(fā)生干摩擦， 導致模具磨損和粘接等現(xiàn)象， 故對無 鉚釘鉚接的模具進行碳氫化合物的加膜或附膜是有必要的28。1.4 課題的主要目的及其內(nèi)容無鉚釘鉚接技術在實際的生產(chǎn)應用中存在著極大的優(yōu)勢， 但是仍然存在著許多問題 有待于我們進一步研究。例如， 各種工藝參數(shù)對無鉚釘鉚接質(zhì)量的影響； 無鉚釘鉚接工 藝參數(shù)優(yōu)化，無鉚釘

39、鉚接設備及模具的設計等。本課題主要目的通過數(shù)值模擬方法研究無鉚釘鉚接工藝， 以及工藝參數(shù)對鉚接接頭 性能的影響。本文主要工作內(nèi)容如下：1）利用 DEFORM 有限元軟件對在 CAD 中建立的無鉚釘鉚接有限元模型，對鉚接過 程進行有限元模擬，分析鉚接過程成形過程、應力應變變化、以及載荷-行程變化趨勢 以及鉚接成形過程與載荷-行程的關系。2）對不同厚度鋁板和鋼板的組合進行模擬，分析在被鉚接板料厚度變化情況下影響 鉚接接頭性能主要工藝參數(shù)，并對提出模具的設計原則。3）分析模具形狀、板料厚度、材料硬度和上下層板料放置順序（包括不同厚度和不 同材料） 對無鉚釘鉚接接頭性能的影響， 最后利用多種組合有限元

40、模擬結果， 對鉚接接 頭性能缺陷進行預測。4）根據(jù)模擬的結果，進行無鉚釘鉚接的實驗，并根據(jù)模擬和實驗的結論提出防止無 鉚釘鉚接缺陷的方法，為無鉚釘鉚接模具設計和工藝制定提供參考依據(jù)。9第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究2.1 無鉚釘鉚接的幾種形式無鉚釘鉚接不需要預先鉆孔， 是通過凸模的擠壓在凹模內(nèi)使上板料嵌入下板料的一 種高速機械連接工藝。圓形無鉚釘連接依據(jù)其所使用模具的不同接頭形式是多樣的， 圖 2-1 所示為無鉚釘連接模具的三種形式35。圖 2-1(a)是凹模分離式無鉚釘連接，這種連 接的特點是其模具的凹模由 2 個或者 3 個可動部分組成， 當板件加工時，

41、可動部分聚攏 形成模體， 當連接點形成后， 可動部分打開將板件移出。其特點是模具的結構相對復雜， 但連接點強度較高。圖 2-1(b)是直壁整體模式無鉚釘連接，這種連接的特點是模具是一 整體， 模具的結構簡單， 制作方便， 壽命長等， 適合于大批量加工。這種形式適合于板 厚小于 4mm 的板件連接。圖 2-1(c)是平點無鉚釘連接， 對于某些零部件， 圓點的凸出形 狀可能會有所妨礙， 此時采用平點無鉚釘連接。平點無鉚釘連接的加工過程分兩步： 第 一步先形成凸起的圓形無鉚釘連接點； 第二步是取平砧座， 取圓柱沖頭， 將凸出的連接點壓回去。加工后無鉚釘連接的高剪切幾乎不受影響。(a) 分模式無鉚釘鉚

42、接(b)直壁整體模式無鉚釘鉚接 圖 2-1 無鉚釘鉚接的三種形式 Fig.2-1 Three Forms of Clinching(c)平點無鉚釘鉚接無鉚釘鉚接根據(jù)其外部形狀又分為圓形和方形無鉚釘鉚接。其中圓形無鉚釘鉚接是 軸對稱的， 其用于使上、下板料相互鑲嵌的凹模底部凹槽是軸對稱的， 鉚接點中上、下 板料互相嵌入的部分也是軸對稱的環(huán)形,如圖 2-2（a）所示。方形的鉚接接頭只有兩個邊 中有上、下板料相互嵌合現(xiàn)象， 這兩個邊是平行的， 另兩個邊沒有板料的嵌合， 在受載 時只有嵌合的兩個邊有承載能力， 故受到剪切作用時載荷要垂直于相嵌合的兩邊， 承載 能力才最大， 當平行于此兩邊時， 承載能力

43、最小， 圖 2-2（b）所示為方形的無鉚釘鉚接 接頭的沒有相互嵌合的兩條邊。10第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究（a）圓形無鉚釘鉚接 （b）方形無鉚釘鉚接圖 2-2.無鉚釘鉚接剖面圖Fig.2-2 Profiles of Clinching2.2 無鉚釘鉚接成形過程和連接機理由于直壁整體模的無鉚釘鉚接和分模式無鉚釘鉚接在成形過程中前者是金屬向下 流動， 而后者向外流動， 但是就其原理來說是非常近似的， 只是后者在成形時分體模象 整體模一樣工作， 而成形完成后分體模要分開， 以利于凸模的上行， 進行脫模， 這是輔 助工作， 但成形的主要工作原理是一致的， 由也不影響對凹模的分模式鉚接成形原理的

44、討論，故可以取直壁凹模作為代表討論無鉚釘鉚接的工作原理。（a ） （b） （c ） （d） （e）1.凸模 2.上板料 3.下板料 4.凹模圖 2-3.無鉚釘鉚接的過程Fig. Process of Clinching1） 板料準備壓入階段如圖 2-3（a），在這個階段先確定凸模復位到上止點， 先把下板料平正的放入， 使 要鉚接的地方盡量對準凹?；蛲鼓５妮S心線， 然后把上板料疊放在下板料上， 也要注意 使要鉚接的地方對準模具的中心。如果有自動定位裝置則要把上、下板料疊放好后再啟 動定位程序。2） 無鉚釘鉚接前期成形階段（彈性成形階段和初始拉伸階段）如圖 2-3（b），無鉚釘鉚接前期成形階段包括

45、初始壓入的彈性階段與初始拉伸成形 階段。板料初期壓入階段， 為從凸模接觸上板料開始,到上、下板料開始發(fā)生塑性彎曲為 止。這一過程中,在凸模的推力作用下， 上板料與凸模接觸的板料部分也發(fā)生彈性彎曲變 形現(xiàn)象， 會導致在凸模端面圓角環(huán)面處受到的力最大， 而由于板料上凹趨勢導致在凸模 的中心受到的力較小。無鉚釘鉚接初始拉伸成形階段是從上、下板料開始發(fā)生塑性變形11第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究起, 到下板料與凹模底部接觸為止。在這個階段，隨著凸模的下行，上、下板料受到凸 模端面及圓角、凹模內(nèi)側面和凹模端面的作用, 在彈性變形和塑性變形的綜合變形作用 下形成上部輪廓。在無鉚釘鉚接的前期成形階段,在與

46、凸模圓角接觸的上板料組織受凸模 和凹模的擠壓, 晶格被壓縮,組織被強化，而且凸模開始壓入上板料。無鉚釘鉚接初始成 形階段和普通拉深相似, 不同之處是在無鉚釘鉚接形成階段必須成形出壓入上板料的凹 陷輪廓31。3） 無鉚釘鉚接的板料金屬向凹模凹槽流動的填充階段如圖 2-3（c ），在無鉚釘填充階段, 凸模繼續(xù)下行,擠壓上、下板料,直到凸模到達 接近死點為止。在這一過程中, 由于凹模的環(huán)形凹槽對下部材料的圓角處無約束力, 材 料首先在擠壓力的作用下向環(huán)形凹槽處流動, 填充環(huán)形凹槽。隨著環(huán)形凹槽充滿的增多, 材料流向環(huán)形凹槽處的阻力逐步增大,而凹模最底部凹槽的阻力變得相對較小,上板料 中的材料開始同時

47、推動下板料向凹模底部環(huán)形凹槽流動。在這一過程中, 由于無鉚釘鉚 接初始成形階段形成了連接點的上部輪廓,且由于凸模是一個倒錐，這樣倒錐對板料有 一個向下的壓力。而且凸、凹模和上、下板料間的壓力很大， 導致摩擦力很大， 這樣材 料就不容易向上流動， 材料只能向外流動,從而形成上、下板料相互咬合而連接在一起。 最后當凸模 1 到達下死點時,無鉚釘鉚接接頭完全成形。4） 墩鍛保壓階段如圖 2-3（d），在墩鍛保壓階段,模具應繼續(xù)保持一定時間的防止板料回彈的壓力, 使上、下板料充分填充環(huán)形凹槽并保證壓無鉚釘鉚接接點完全定形。墩鍛保壓階段控制 得好壞直接影響產(chǎn)品的合格率。從以上工藝過程分析可以看出, 無鉚

48、釘鉚接是一種機械 連接, 它對材料的本來特性幾乎沒有損傷,反而在擠壓作用下, 晶粒細化, 承載能力提 高。上、下板料相互咬合部分(即無鉚釘鉚接接點) 是由模具擠壓而產(chǎn)生的,而且凹模內(nèi) 的板料受到一個三向壓力的作用， 因此塑性變形時, 在壓力的作用下 , 各組成部分形成 平滑過渡, 從而產(chǎn)生一個既無棱邊又無毛刺, 且不存在很大應力集中的圓連接點, 所以 無鉚釘鉚接圓點具有極好的連接疲勞強度。而且在整個圓點成形過程中沒有高溫和化學 變化, 無論材料有無鍍層、夾層或覆蓋物, 都可保留其原有性能不受損傷。相對而言。 普通鉚接和無鉚釘鉚接的受力反應性能基本相似, 但它需要額外鉆孔，增加了工序，另 外,

49、需要額外投入鉚釘?shù)仍牧? 也提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。且難以適應規(guī)模自動化化 生產(chǎn)的需求, 且質(zhì)量不穩(wěn)定, 工序多, 勞動強度大31。5） 退模階段如圖 2-3（e）， 在這個階段凸模上行， 由于凸模上是一個倒錐， 那么脫模較為容易， 只要凸模上行即可， 然后把鉚接好的板料取下來即可， 如果是連接多點的自動化的鉚接， 那么先要使整個模具與被鉚接板料脫離， 然后自動移動板料或者模具， 再進行新的鉚接。在以上成形的過程中被連接金屬“流動”時，鍍層和漆層也隨之一起“流動”，故 對有鍍層和漆層的板料進行連接后仍能保留其原有的防銹防腐特性。12第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究2.3 無鉚釘鉚接疲勞強度大于

50、焊接的的原因分析由以上分析的無鉚釘鉚接的工藝特點決定： 無鉚釘鉚接接頭的疲勞強度大于焊接的 疲勞強度。電焊是現(xiàn)在常用的黑色金屬板料的連接方式， 但它的疲勞強度不如無鉚釘鉚 接的。其原因為： 焊接區(qū)是融化后凝固的， 且冷卻速度較大且內(nèi)部和外部冷卻速度不同， 焊縫處應力集中較大且不均勻， 內(nèi)部和外部分別受拉、壓應力， 受拉應力的地方很有利 于裂紋發(fā)生和擴展； 焊縫質(zhì)量不易控制； 焊縫還有很多微小缺陷， 如夾渣、縮松、孔洞 等等， 這些地方是微裂紋擴展的重要來源之一； 焊接區(qū)各種相及雜質(zhì)等成分、形態(tài)復雜， 而且焊接熱影響應力、熱處理狀態(tài)區(qū)易出現(xiàn)微裂紋； 還有易出現(xiàn)大的片狀或網(wǎng)狀馬氏體， 而這種結構很

51、硬脆， 易破裂， 且破裂后就成了微裂紋發(fā)生、發(fā)展的一個重要隱患， 雖然 電焊條增加了一些改善焊縫有益的元素如鎳等， 但由于焊接時惡劣的發(fā)熱、變溫等條件， 一些焊縫缺陷是很難根除的； 易出現(xiàn)白口； 由于焊縫區(qū)存在大量應力， 故很易出現(xiàn)應力 腐蝕， 還有焊縫中存在大量不同的元素、相或者雜質(zhì)等， 故焊縫處易出現(xiàn)電化學腐蝕等 情況， 這些都將導致焊縫出現(xiàn)微裂紋、凹坑、孔洞或其他缺陷而導致疲勞壽命下降； 且 焊縫一般厚度不會太大， 則疲勞裂紋往厚度方向擴展的長度有限， 故焊接疲勞強度不會 太大， 且裂紋常在不同區(qū)域同時發(fā)生和擴展， 然后主裂紋之間互相連通， 到焊縫的疲勞 極限的尺寸的時候就發(fā)生了疲勞瞬斷

52、， 這就進一步減小了焊接的疲勞強度。而無鉚釘鉚 接是通過模具擠壓成形， 通過金屬的流動成形， 成形的接點處過渡較為平順， 沒有材料 的融化凝固影響材料的內(nèi)部成分，沒有象點焊一樣因為融化和熱變化造成大的應力集 中，故無鉚釘鉚接疲勞強度較高。2.4 無鉚釘鉚接接頭的剖面評價標準及造成原因在上述鉚接過程完成之后， 就要確定鉚接接頭的質(zhì)量。當確定一個無鉚釘鉚接連接 是否理想時，首先從外觀進行判斷。完好的連接形狀應滿足下列外觀條件：1）鉚釘?shù)淖冃谓孛鎽奢S對稱，且鉚接接頭要有向周向或者向下的突起，平點的無 鉚釘鉚接要在沒有壓平時候才可以看到突起， 有突起表明上、下板料很可能互相咬合形 成了機械自鎖。鉚接

53、后鉚接接頭要充滿或很接近充滿模具， 使鉚接接頭的形狀和模具的 形狀相同或者很相近， 這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)設計的意圖， 這主要由凸模的行程和模具的形狀 決定。2）鉚接接頭內(nèi)部的上板料不應有裂紋，如果有裂紋會使鉚接接頭的抗剪切能力以及 抗軸向拉脫能力降低， 而且在這個通過破損點的鉚接接點的圓周處的上板料金屬層都很 可能很薄， 因為模具是軸對稱的， 當然也可能因為材料的局部成分或局部摩擦不均等原 因造成局部破損。還有造成鉚接接頭內(nèi)部的頸部出現(xiàn)破損的原因是由于凹模的深度相對 較深， 導致在凸模下行行程較長， 在凸模的拉深和擠壓作用下上板料破損。在鉚接接頭 成形時凸、凹模間的徑向距離過小， 由于模具間的過度的

54、徑向擠壓也會造成上板料在鉚 接接頭的頸部處破裂， 無論哪種情況下的破損都有可能造成無鉚釘鉚接接頭的力學性能13第二章 無鉚釘鉚接技術的理論研究的下降。如圖 2-4 所示“1”位置就出現(xiàn)了破損。 3）在無鉚釘鉚接的頸部的下板料不應該破裂；如果破裂也會造成鉚接接頭抗軸向拉力 的能力下降， 但如果上板料在此頸部成形狀態(tài)較好、較厚， 那么成形接點抗剪力的能力 下降相對較少一點， 由于在鉚接點受剪切力時兩塊板料的作用力中心線不在同一條直線 上， 兩者有一個垂直距離， 故受到一個翻轉力矩， 那么受到剪應力時板料可能有稍微翻 轉現(xiàn)象，導致抗剪力能力也是下降的。4）鉚接接點中的上、下板料應該保持完好性，不要出

55、現(xiàn)沖孔現(xiàn)象。如果上、下板料 都被沖孔， 那么連接徹底失敗， 將完全不能受力。出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象的原因可能因為凸模和 凹模間的徑向距離過小， 或者凸模的行程過長， 或者凹模的深度相對于板料的厚度過深。5）鉚接接點的上、下板料的底部不應該壓得太薄或者壓破，如果太薄或者破裂，則 鉚接接點抗拉脫能力和抗剪力能力將大打折扣， 因為上、下板料互相嵌入部分在沒有鉚 接接點底部板料支撐的情況下容易脫開， 導致連接失效。鉚接點的底部的上、下板料壓 得太薄或者壓破的原因是凸、凹模間隙過大且凸模行程太大（相對于板料厚度及凹模深 度尺寸）。1-鉚接點頸部 2-鉚接點凸臺根部 3-上板料 4-下板料圖 2-4 無鉚釘鉚接接頭的截面圖Fig.2-4 Profile of Clinching Joint以上只是從外觀上對鉚接質(zhì)量進行了還不太全面的評價， 要想達到的鉚接質(zhì)量， 還 要