基于正交试验的铝钢材料自冲铆接成形质量的多指标优化

以某汽车上材料厚度分别为1 mm的6016铝合金与1.5 mm的ST13结构钢的自冲铆接作为研究对象,借助正交试验设计方法,利用Deform-2D数值模拟软件,对6016/ST13铝钢异种材料自冲铆接成形质量的多指标进行了工艺参数优化。以模具宽度、模具凸台高度和模具深度作为正交试验的影响因子,以剩余厚度、底切量以及钉头高度作为正交试验的评价指标。利用矩阵分析法对正交试验的结果进行分析,得出6016/ST13铝钢自冲铆接的最优方案为:模具深度为1.5 mm、模具宽度为9 mm以及模具凸台高度为0 mm,剩余厚度、底切量以及钉头高度的模拟值分别为0.487,0.602与0.059 mm。利用自冲铆接设备及安装模具对优化方案进行试验验证,剩余厚度、底切量与钉头高度的有限元模拟值与试验值之间的相对误差分别为12.12%,8.97%与13.56%,从而验证了正交试验及有限元模拟应用于铝钢异种板材自冲铆接成形工艺参数优化的正确性。     

特厚板冲裁技术

冲裁加工中,常用的最大板厚为几毫米。对板厚大于110mm 的冲裁加工,则很少介绍.笔者积累了厚度为10～25mm 特厚板材冲裁加工的经验和数据,现对此做一介绍。1.特厚板冲裁的机理与冲裁力的计算众所周知,一般冲裁时,为了获能良好的冲裁断面,需选取合适的凸凹模间隙。该间隙一般是随板材厚度增加和板料强度的提高而增大。但对于普通板厚来说,该间隙值总是很小的。因此一般以为,冲裁时的板料处于单向应力状态(图1)。即认为在冲裁力的作用下,冲裁面上受到单向剪应力σ的作用。当σ的值达到材料的抗拉强度极限σ_b 时,材料即被冲离.由此得出冲裁力的计算公式为:     

5052铝合金空心铆钉与半空心铆钉的自冲铆接强度对比研究

分别采用高度为7和8 mm的空心铆钉和半空心铆钉对厚度为3 mm+3 mm的5052铝合金板料进行了铆接实验,并通过接头表面和接头截面对各自连接接头质量进行了分析;利用万能实验机对铆接件进行了拉伸实验,并分析其接头失效形式。实验结果表明:半空心铆钉铆接接头质量优于空心铆钉铆接接头,随着铆钉高度的增加两者的接头质量也更接近;半空心铆钉铆接静强度大于空心铆钉铆接静强度。当铆钉高度由7 mm增加到8 mm时,空心铆钉铆接件承受的最大载荷由半空心铆钉铆接件的85%提高到了87%,失效位移由半空心铆钉铆接件的50%提高到了80%。     

无铆和自冲铆在汽车行业中的应用

采用不同厚度板材对自冲铆铆接和无铆钉铆接进行两种连接方法试验。通过拉伸试验测定接头抗剪强度,并结合接头失效形式、接头剖面形貌对铆接接头进行综合评价分析。结果表明:板材越厚,无铆和自冲铆接头失效过程中需要吸收更多能量,因而有更高的连接刚度和抗剪强度;无铆接头常见失效形式为上下板材拉脱失效;自冲铆接头常见失效形式为板材撕裂失效和铆钉腿部拉脱失效。     

下板厚度对钢/铝自冲铆接接头单搭剪切强度的影响

以CR590钢/AA6022-T4铝合金以及CR590钢/S-6000-IH铝合金单搭剪切接头作为实验对象,借助有限元仿真研究了下板厚度对钢/铝自冲铆接接头单搭剪切强度的影响规律。分别建立了2D自冲铆接过程以及3D自冲铆接接头单搭剪切的有限元仿真模型,并通过自冲铆接接头实验的失效模式与载荷-位移曲线验证了仿真的准确性。分析结果表明：当AA6022-T4铝合金下板与S-6000-IH铝合金下板的厚度由1.2 mm增加至3.0 mm时,SPR接头的单搭剪切强度开始由3.7与2.8 MPa增加至4.5与4.2 MPa,而后趋于稳定。并研究了不同铝合金下板厚度对SPR接头关键尺寸(底切量、剩余厚度和垂直互锁值)的影响,进而揭示了下板厚度对SPR接头单搭剪切强度的影响机理,发现：对于两种SPR接头,接头剩余厚度均随着下板厚度的增加而线性增大,但该尺寸不影响铆钉的锁合性能;而底切量随下板厚度的增大保持在0.5 mm不变;垂直互锁值则随着下板厚度的增加先线性增加,当下板厚度大于2.0 mm时则基本保持不变,对于S-6000-IH铝合金下板以及AA6022-T4铝合金下板,其饱和值分别为1.2以及1....     

镁合金板材制备及零件塑性成形技术

介绍了优质细晶镁合金薄板制备技术的研究概况,讨论了挤压板材制备工艺、轧制板材制备工艺和挤压-轧制板材制备工艺的研究进展.研究了镁合金薄板热拉深成形技术,获得了最佳成形温度范围及成形条件.研制了热成形模具装置,系统研究了成形温度、模具表面质量、摩擦润滑和润滑剂的影响、模具间隙、材料各向异性等问题.研究结果表明在温热拉深成形技术时,如果其它成形条件合适,温度在105～170℃范围时,板材性能优良,170℃时极限拉深比可以达到2.6;薄板厚度突破0.4 mm.     

TA1钛合金自冲铆接与点焊连接抗拉剪性能的对比

采用自冲铆接(SPR)和电阻点焊对厚度为1.5 mm的钛合金板材进行了连接试验。通过剖面直观检测法分析了自冲铆接头成形质量并获得板材的最优铆接参数;利用超声波C扫描法对点焊接头进行了超声成像检测,获得其熔核直径;对试件进行拉伸-剪切试验并比较了两种接头的静力学性能。结果表明:自冲铆连接工艺可以在不预先热处理条件下对钛合金同种板材进行有效连接;在点焊接头的熔核直径与铆钉钉腿直径接近的条件下,点焊接头比自冲铆接头的静失效载荷高,点焊接头的能量吸收能力更强,适用于对缓冲吸震性能要求较高的结构。     

汽车6016-T4铝合金板材成形性能实验及数值模拟

利用实验与数值模拟结合的方法研究6016-T4铝合金板材室温下材料的成形性能。通过铝合金板材室温拉深实验,得到极限拉深比为1.913;针对铝合金板材成形实验过程,采用DYNAFORM有限元分析软件进行模拟分析,得到极限拉深比为1.925。实验结果与模拟结果表明,随着板料尺寸的增加,成形板料圆角区域的厚度逐渐减小,凸模行程曲线、拉深深度和板料厚度分布对比的结果显示,模拟结果与实验结果具有良好的一致性,进一步为汽车铝合金覆盖件成形工艺研究分析提供参考。     

镀层金属板冲压成形断裂失效的有限元模拟

镀层金属板在加工过程中,由于工艺参数、模具几何参数的影响,经常会出现裂纹,并最终导致板材的断裂。以双面电沉积镍的低碳钢板为研究对象,采用基于连续介质损伤有限元模拟以及冲压成形实验相结合的方法对镀层金属板在冲压过程中的失效问题进行了研究。结果表明:随着冲压深度的增加,杯形件中的等效塑性应变与损伤值均增加,当冲压深度达到10mm时,在杯形件冲头圆角处出现断裂现象。通过冲力冲程曲线与成形件形状的比较和损伤变量分布、等效塑性应变分布以及厚度减薄的分析发现,有限元模拟结果与冲压成形的试验结果符合得较好,证明了有限元模拟的正确性。     

板厚对冲裁力影响规律的研究

理论分析和生产实践表明，在一定范围内，间隙对冲裁力的影响是很小的，而板材相对厚度是影响单位厚度上冲裁力的主要因素。当材料性能等其它条件一定时，冲裁力随着板厚的增大而增大，但单位板厚上的冲裁力则随着板厚的增加而减小，在有限元模拟和实验分析的基础上，提出了计算冲裁力的新方法，对揭法剪切加工机理及正确确定冲裁力有理论和实际意义。     

板材零件局部体积成形技术研究

板材局部体积成形技术,或称为板材热冲锻成形技术,为近年来提出的一种板材零件成形方法,其特点是板材冲压成形时不但完成板材零件形状的成形,还兼有局部结构的体积成形,例如局部凸柱、凸台、凸筋等结构的成形,适合于成形镁合金、铝合金等金属的成形,尤其适于替代一些电子器件外壳的铸造加工产品。文章介绍了板材热冲锻成形技术的原理、主要工艺控制参数,并对镁合金盒形件的热冲锻成形过程进行了实验研究和计算机模拟分析。针对带有螺丝柱的典型AZ31B镁合金方盒件,通过实验和有限元模拟,研究了其热冲锻成形工艺。实验表明,在再结晶温度以上冲锻2mm或3mm厚的镁合金板材有很好的成形能力,盒形件的周边和内部凸柱都能同时成形。研究结果表明,合理的模具结构、摩擦润滑条件和加热温度等参数,可以获得侧壁高度均匀、凸柱高度合适、无吸孔和凸柱断裂等缺陷的工件。     

TA1钛合金异种板自冲铆接头剪切-剥离性能研究

采用自冲铆接技术(SPR)对厚度1.5 mm的钛合金(TA1)与1420铝锂合金(1420)以及铜合金(H62)异种板材组合进行了连接试验,并对制成的单搭和T型接头进行了剪切与剥离试验,分析了各组接头的失效模式以及静力学性能。结果表明:单搭接头组的静失效载荷均值明显高于T型接头组,但前者的能量吸收均值小于后者,接头形式及失效模式对能量吸收值有很大影响;TA1钛合金异种自冲铆接头拉伸剪切的失效模式取决于塑性变形后铆钉脚的强度、铆扣强度及下板接头处的材料强度。     

5083铝合金自冲铆接成形机理与失效分析

采用不同材质的铆钉及不同规格的下模具研究了5083铝合金自冲铆接头的工艺特点，基于有限元及力学试验结果分析了接头的成形机理、力学性能及失效行为。结果表明，采用36MnB4硼钢铆钉和平模制备的接头成形质量更高。铆钉材质和模具规格均会影响5083铝合金自冲铆接头的成形质量，铆钉材质的优化对成形质量具有更为显著的提升效果。有限元模拟的接头成形截面参数与实际试验截面参数基本一致。成形过程中，铆钉腿与钉头过渡区域为铆钉上的应力集中区域，而被连接板材上的应力集中主要处于塑性变形区域。接头应力集中区域与实际失效特征区域相吻合，5083铝合金自冲铆接头失效形式均为下板与铆钉分离，且接头承载能力越强，失效后的破坏特征越明显。采用36MnB4硼钢铆钉和平模的接头综合性能更优，能够满足相对较高的承载需要，适用于对抗冲击性能要求较高的结构。     

航空连接件冲锻成形数值模拟及优化

为了研究各工艺参数对凸台成形的影响,根据航空用关键连接件的结构特点,制定出了冲锻成形工艺方案,同时设计出了一副落料冲孔复合模,利用有限元模拟软件对凸台冲锻成形进行了模拟分析,并通过正交实验对工艺参数进行优化。结果表明,影响凸台成形的因素按影响效果强弱依次为冲头的高度、宽度、摩擦因子、长度,当冲头尺寸为5．5mmX2．5mm×1．2mm,摩擦因子为0．2时成形效果良好。     

板材冲挤复合成形模拟与裂纹预测

板材冲挤复合成形是一种厚板近净形成形工艺,在汽车零部件精密成形制造中有着广阔的应用前景。文章采用刚塑性有限元法对板材冲挤成形工艺进行了模拟,确定了板材冲挤变形的速度场、等效应力场和等效应变场,揭示了板材冲挤工艺的成形特点。基于J.W.Hancock与A.C.Mackenzie提出的断裂判剧和数值模拟分析,预测了板材冲挤成形裂纹产生位置和主要影响因素。通过实验测定板材冲挤成形中裂纹产生情况,验证了模拟分析结果,对于板材冲挤复合成形工艺设计有指导意义。     

TA15钛合金超塑成形/扩散连接的可行性研究

采用厚度为2、4 mm的TA15钛合金板材,通过超塑成形/扩散连接的方法制备TA15钛合金重要承力壁板。经宏观及显微镜观察、超声波无损检测发现,该壁板质量良好。制备与超塑成形/扩散连接壁板的材质、厚度、成形工艺及成形过程完全一致的试验件,考核其拉伸性能、疲劳性能、剪切性能。结果表明,采用该种工艺制造的TA15钛合金壁板的力学性能满足设计要求,同时也指出TA15钛合金超塑成形/扩散连接的工艺参数有待进一步优化。     

极限半锥角及层间距对板料渐进成形质量影响的研究

金属板料渐进成形工艺是一种基于数控技术,靠逐点成形板料零件的柔性加工工艺。通过实验分析,以及对金属板料渐进成形工艺的变形机理、极限半锥角等方面的研究,提出金属板料靠逐次的变形累积产生整体的变形,极限半锥角不仅与材料有关而且与材料厚度有关;层间距对极限半锥角影响不大,而与零件表面质量有关,层间距越小,零件表面越光滑。     

5052H32铝合金薄板自冲铆接和无铆连接对比研究

对厚度为1.2 mm的汽车用5052H32铝合金薄板自冲铆接和无铆连接进行了对比研究。结果表明:铆钉长度为4 mm时,SPR接头互锁值较小,接头强度及能量吸收值较低,受剪切拉伸时铆钉角易从底层板脱离;铆钉长度为6 mm时,SPR接头底层板的最小剩余厚度较小,有腐蚀风险;铆钉长度为5 mm时,SPR接头强度、能量吸收值及剖面金相参数值为综合最优;无铆连接时,铆点数与接头强度值呈线性关系,与能量吸收值的关系可以通过二次多项式进行拟合。不同铆接方式的接头在横向和纵向受力方向上的强度和能量吸收值基本无差异。无铆连接接头受剪切拉伸时,其失效形式有3种:上层板颈部位置撕裂失效,上、下层板互锁脱离失效,混合失效。单点SPR的静强度等效于2个Clinching铆点,单点SPR铆接能量吸收值等效于3.6个Clinching铆点。     

板料组合方式对铝/钢异种金属板自冲铆接头性能的影响

采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究了在铝/钢异种金属板自冲铆接中不同的板料组合方式下材料受力及变形情况,并通过拉伸-剪切试验测试了铆接接头性能。研究结果表明:数值模拟中铆钉腿尾部及与之相接触的下板区域应力应变较大,更容易发生失效;在板料放置顺序上,厚板应作为下连接板以获得较佳的结构特征参数,数值模拟与工艺试验的成形接头结构特征参数基本一致;采用接头特征参数评价自冲铆接性能是可行的,接头自锁强度与自锁量和底部剩余厚度成正相关,接头自锁量和底部剩余厚度越大,其自锁强度越高;在足够高的自锁强度下,适当增大板料厚度可提升成形接头的拉剪性能。     

响应曲面法优化钢铝异种材料自冲铆接工艺参数的研究

以电动汽车上钢铝异种板材的自冲铆接作为分析对象,利用Deform-2D软件建立1.5 mm料厚的DC03钢板与1 mm料厚的6016-T4铝板的自冲铆接有限元模型。将模具深度、模具宽度及铆接速度作为影响因素,以互锁长度作为优化目标,运用响应曲面法对钢铝异种板材的自冲铆接工艺参数进行优化。研究得知:铆接速度与模具宽度对互锁长度的交互式影响最大,模具宽度与模具深度的交互式影响次之,铆接速度与模具深度的交互式影响最小。DC03/6016-T4异种板材自冲铆接的优化工艺参数组合方案为:铆接速度为40 mm·s~(-1),模具宽度为9.77 mm,模具深度为1.69 mm,互锁长度的响应值为0.616 mm。通过对优化后的铆接工艺参数的组合方案进行实际验证,测量得出互锁长度的试验值为0.547 mm,响应曲面优化值与试验值两者之间的相对误差为11.2%,从而为企业的实际生产提供参考。