淺析模具工藝參數對自沖鉚接工藝過程及鉚接質量的影響

熊翰卿 左躍群

摘 要：本文對6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進行有限元模擬，筆者分析了模具凸臺高度、模具深度以及模具外徑圓角等三個工藝參數對自沖鉚接工藝過程及鉚接質量的影響。

關鍵詞：模具工藝參數；自沖鉚接；工藝過程；鉚接質量

自沖鉚接是一種新型的、不需要預沖孔的鉚接工藝。工人使用鉚釘作為沖頭，將鉚釘與板料進行塑性變形，實現二者的連接，其中模具工藝參數的合理設置是保證自沖鉚接工藝過程順利和鉚接質量良好的關鍵。

一、自沖鉚接的有限元模擬

對6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進行有限元模擬，有以下五有個過程：1.壓邊圈進行壓緊，此時凸臺的高出部分會產生對板料內側的應力，會壓緊工件的一部分。2.鉚釘進行壓緊，此時工件鉚接的整個部分已經呈現出完全壓緊的狀態，將上層板料與鉚釘進行接觸，之后進入到剪切的階段。3.剪切完成后，鉚釘腿出現微張狀態。上層板料受到沖擊后斷開，在鉚釘腿部的下方出現應力，同時模具與下層板料的接觸部分也出現應力。這說明，模具底部產生了作用力，并且此作用力通過下層板料傳遞給了鉚釘的腿部，鉚釘腿部受到此作用力之后會在后面的鉚接階段張開一定角度，且角度張開較大，從而實現鉚接。4.鉚釘叉開的階段，即鉚釘和模具對下層板料產生一定作用，下層板料完成金屬成形的過程，此時鉚釘的受力是十分復雜的，在復雜的應力環境之下，鉚釘會發生塑性變形，且塑性變形的程度較大，從而使鉚釘在下層板料中鑲嵌。5.鐓鍛的過程中，連接處的全部金屬會受到持續沖壓力的作用，在此作用下，金屬實現鍛壓，此時相較于上一階段來說，鉚釘與板料以及板料與板料之間的間隙消失，這說明已經達到了鉚實的狀態，從而實現整個自沖鉚接過程的模擬。

二、模具凸臺高度對鉚接過程及鉚接質量的影響

設置五種不同型號的模具，五種型號模具的尺寸基本一致，但凸臺的高度不一致，將五種型號的模具設計為A型、B型、C型、D型、E型。A型模具的凸臺高度At=0毫米，B型模具的凸臺高度Bt=0.025毫米，C型模具的凸臺高度Ct=0.05毫米，D型模具的凸臺高度Dt=0.125毫米，E型模具的凸臺高度為Et=0.25毫米。通過有限元分析可以得出，不同凸臺高度模具對自沖鉚接過程的影響，也就是模具凸臺高度參數對于自沖鉚接過程的影響，結果分析如下：

在上層板料的剪切有限元模擬過程中，凸臺高度越高，則沖壓力越大，二者呈現正相關的關系，但這種正相關的關系并不十分明顯，其中A型模具的沖擊力平均值為4.5kN，C型模具的沖擊力平均值為4.61kN，E型模具的沖擊力平均值為4.78kN。

在鉚釘腿叉開的有限元模擬過程中，五種不同凸臺高度的模具的數值從相同數值處分別呈現出增長的狀態。隨著凸臺高度的增加，沖壓力呈現略微的增長狀態，其中A型模具的平均荷載為9.06kN，B型模具的平均荷載為9.10kN，C型模具的平均荷載為9.23kN，D型模具的平均荷載為9.33kN，E型模具的平均荷載為9.46kN。

在鐓鍛的有限元模擬過程中，五種模具的沖壓力繼續增加。在末期，五種模具的載荷隨著凸臺高度增加而增加的趨勢更為明顯，凸臺高度和模具的容積有著一定的關系，凸臺高度越高，則模具的容積越小。容積的這種變化對于載荷有著一定的影響，且這種影響在末期表現得越來越明顯。此外，模具的圖臺高度對鑲嵌深度以及下層板料最小厚度也有著一定的影響，這種影響相對復雜。具體來說，當凸臺高度比-1.2毫米大的時候，下層板料的拉伸變形程度與凸臺的高度呈正相關，下層板料的拉伸程度越大，則板料的厚度越小，鉚釘更容易刺穿板料，尤其在凸臺高度為正的時候，這種影響十分明顯；而當凸臺高度較低的時候，板料與鉚釘的變形協調，此時下層板料最薄處的厚度最大，鑲嵌深度也較大。

三、模具深度對沖壓力的影響

通過有限元模擬，可以看出模具的深度對自沖鉚接工藝也有著一定的影響，這主要表現在沖壓力的變化上，且這種影響和變化較大。模具的深度越小，則沖壓力會出現明顯變小的趨勢，而下層板料的最小厚度則隨著模具深度的減小而增加，鑲嵌深度也隨著模具深度的減小而增加，出現了明顯的鐓粗趨勢。但當模具深度減小到1.35毫米的時候，型腔中有金屬溢出，這就不能夠保證沖頭側在沖壓之后的平整性。

四、模具外徑圓角對鉚接質量的影響

將模具深度設置為1.95毫米，設置外徑圓角不同的五種類型模具，分別是a型、b型、c型、d型、e型、f型、g型。a型模具外徑圓角為0.2毫米，b型模具的外徑圓角為0.6毫米，c型模具的外徑圓角為0.7毫米，d型模具的外徑圓角為0.8毫米，e型模具的外徑圓角為0.9毫米，f型模具的外徑圓角為1毫米，g型模具的外徑圓角為1.2毫米。通過有限元模擬分析可知，模具外徑圓角對于自沖鉚接工藝的影響主要集中在鐓鍛階段，通過模擬可知模具外徑的圓角越小，則工作壓力越小，因此其鉚接充型進行得就越不充分，在內部就會產生較大的縫隙，且會對外部鉚扣的形狀產生影響；模具外徑圓角越大，則會產生較大的工作壓力，鉚接充型進行得就比較充分，內部基本上沒有縫隙，且外部鉚扣的形狀齊整。

本文對6063鋁合金板料的自沖鉚接過程進行有限元模擬，指出了影響其自沖鉚接工藝過程和鉚接質量的模具工藝參數，旨在為相關自沖鉚接工藝實踐提供參考。

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