文獻(xiàn)綜述-馮模盛

1、科學(xué)技術(shù)前沿講座論文報(bào)告薄板材料連接新技術(shù)壓印連接技術(shù)姓 名馮模盛專 業(yè)機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究方向薄板材料連接新技術(shù)攻讀學(xué)位碩士時(shí) 間 2010年10月5日壓印連接接頭疲勞性能研究馮模盛摘要：壓印連接是實(shí)現(xiàn)對薄板材料連接的一種新技術(shù)。本文介紹壓印連接的成形原理及其連 接工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了近幾年壓印連接技術(shù)的理論研究，指出了壓印連接的應(yīng)用前 景。關(guān)鍵詞：壓印連接薄板連接機(jī)械性能有限元分析1.引言近年來，隨著能源加劇地消耗和家電及汽車行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的制 造業(yè)要求自動(dòng)化，高效、降低成本而采用新輕型材料。而這些新材料的特性決定 了其不能用傳統(tǒng)的點(diǎn)焊或鉚接技術(shù)，壓印連接技術(shù)成功的解決了這一難

2、題，成為 未來機(jī)械連接技術(shù)發(fā)展的新趨勢。壓印連接技術(shù)是機(jī)械壓力連接技術(shù)的一種。它是專用的壓印連接模具在外力 的作用下，迫使被連接材料組合在連接點(diǎn)處產(chǎn)生材料流動(dòng)，形成一個(gè)相互鑲嵌的 塑性變形的連接過程，該連接點(diǎn)具有一定的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。這種技術(shù)可以 廣泛應(yīng)用于鋼板、不銹鋼、鋁板及非金屬復(fù)合板材，表面有噴涂層、油漆層的金 屬板件的連接，有其點(diǎn)焊和鉚接等傳統(tǒng)連接方法不可替代的優(yōu)點(diǎn)。工序簡單、高 效、環(huán)保、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了連接點(diǎn)焊不能或難以連接的輕型薄板材料，實(shí)現(xiàn)連接的快速性、自動(dòng)化 等，壓印連接技術(shù)的應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的連接工藝比如點(diǎn)焊、鉚接、 螺紋連接等工藝均存在諸多缺點(diǎn)和使用上的

3、缺陷。以點(diǎn)焊為例，點(diǎn)焊過程能耗高、 成本高、效率低，發(fā)光發(fā)熱，有廢棄物等，不僅會(huì)造成工件變形，還會(huì)損傷工件 表面，尤其對有鍍層的工件，嚴(yán)重破壞了其連接點(diǎn)處的耐腐蝕性，降低了連接點(diǎn) 的使用壽命，同時(shí)由于連接點(diǎn)處存在熱變形而引起應(yīng)力集中，極大的降低了連接 點(diǎn)的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度。此外，對有鍍層的板件、板厚差異過大、或材質(zhì)相異的板件、 新型非金屬材料，以及三層以上的多層板件，很難或根本無法實(shí)行點(diǎn)焊。壓印連 接技術(shù)以獨(dú)有的特點(diǎn)完全適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)對機(jī)械連接的要求。直到20世紀(jì)80年代，壓印連接技術(shù)才被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。1986年，BTM公 司在美國引Tog-L-LocW標(biāo)，Trumpy GmbH和TOX Gmb

4、H在 1987年開始生產(chǎn)壓印 連接設(shè)備。一年后，AttexorEquipments S.A.在瑞士開始生產(chǎn)壓印連接設(shè)備。這種 裝備是BTM公司在1993年在美國獲得“板件連接設(shè)備”專利。1996年悉尼大學(xué) 為“冷成形剛結(jié)構(gòu)”制訂了澳大利亞/新西蘭標(biāo)準(zhǔn)AN/NZS4600，標(biāo)準(zhǔn)中闡述了壓 印連接及其他單緊固件連接的測試1。對于壓印連接技術(shù)最初的研究是隨著昆明 理工大學(xué)-囹、帕德伯恩大學(xué)-】11】、愛丁堡大學(xué)-費(fèi)和拉普蘭塔科技大學(xué)19】-24 的研究而發(fā)展的。壓印連接的成形原理2.1壓印連接的工藝過程壓印連接技術(shù)是利用一套簡單的圓形凸模和凹模，在專用的壓力裝置上通過 一個(gè)沖壓過程，將被連接的板件擠

5、壓進(jìn)凹模，通過板件之間的鑲嵌實(shí)現(xiàn)連接。如 圖1，首先隨著上模下行，板料的作用力下，材料在下模內(nèi)開始變形，同時(shí)下模 的活動(dòng)部分向外張開，以使金屬材料充分的在下模的型腔內(nèi)變形，形成一個(gè)緊密 地連接點(diǎn)，然后上模返程，下模的活動(dòng)部分隨彈簧力一起回到原始位置。壓印連 接的過程可以分為以下四個(gè)過程：定位階段壓入階段深壓階段成形階段圖1壓印連接點(diǎn)可以分為圓形連接點(diǎn)和矩形連接點(diǎn)。金屬板件在圓形模具的作用 下，發(fā)生內(nèi)部形變，形成無損傷的連接點(diǎn)，外形比較美觀。矩形連接點(diǎn)是結(jié)合切 割和變形工藝過程的連接，主要適用于硬質(zhì)材料和不銹鋼板件。2.2壓印連接的優(yōu)缺點(diǎn)壓印連接技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn):1）可以無損傷檢測連接點(diǎn)強(qiáng)度2）沒

6、有原料消耗和不需要輔材3）連接區(qū)域沒有熱應(yīng)力4）不會(huì)損壞工件表面的保護(hù)層5）允許有夾層或多層連接6）不需要預(yù)先或事后處理7）抗疲勞性能好8）工作環(huán)境好，沒有煙塵排放、沒有噪聲污染9）使用費(fèi)用低廉10）連接快速，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化壓印連接技術(shù)的主要缺點(diǎn)：與點(diǎn)焊相比較，靜態(tài)強(qiáng)度沒有點(diǎn)焊高，不能對高硬度 或經(jīng)過熱處理硬化的鋼材直接進(jìn)行壓印連接；與普通鉚接比較，壓印連接不能連 接器塑性差的兩塊或多塊非金屬板材。壓印連接連接點(diǎn)強(qiáng)度的檢測可以從一下三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)：1）靜態(tài)強(qiáng)度（連接點(diǎn)的抗拉、抗剪、抗剝離強(qiáng)度）2）疲勞強(qiáng)度（振動(dòng)載荷、連續(xù)的震動(dòng)測試）3）抗沖擊強(qiáng)度（沖擊負(fù)荷、沖擊檢測）壓印連接點(diǎn)的連接質(zhì)量

7、和成型的幾何形狀、尺寸直接相關(guān)，因此可以通過目測 連接點(diǎn)外觀，測量尺寸，得出連接點(diǎn)的質(zhì)量?？梢酝ㄟ^檢查連接點(diǎn)底厚值ST無 損傷的檢查連接強(qiáng)度。壓印連接常見的失效形式：剝離和斷裂。2.3壓印連接模具結(jié)構(gòu)及連接板主要參數(shù)25選配板厚組合和模具時(shí)要保證一定的側(cè)向過盈量 d,即組合板總厚度與凸、 凹模單邊間隙值的差為： d=（t+t）-（d-d）/2。還要選擇適當(dāng)?shù)陌寄Ｉ疃龋?這樣在壓印連接過程中才有充足的材料產(chǎn)生徑向塑性流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)相互鑲嵌。模具設(shè)計(jì)如圖3所示圖3壓印模具結(jié)構(gòu)及主要參數(shù) TOC o 1-5 h z 圖中：t 上板厚度；t 下板厚度；d 凸模直徑；d 凹模直徑；h 1、2 1 21.凸模

8、高度；h凹模深度；ai凸模錐度ri凸模圓角半徑；X連接點(diǎn)底部厚 度；r 凹模圓角半徑；b 環(huán)行槽開口寬度，n頸部厚度，t鑲嵌量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：20.3NX/ （t + t ）N0.2, h Nt + t + h -X, h 忍d /3, t 忍b , r t121122222211凸模錐度a的選擇應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：有利于形成可靠的連接圓點(diǎn)有 利于連接板件脫模。2.4經(jīng)典疲勞失效機(jī)理理論26疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和疲勞失效等幾個(gè)大的階段。2.4.1疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理大量實(shí)驗(yàn)研究表明，疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引 起，主要有表面滑移帶開裂紋；第二相，夾雜物或其界

9、面開裂紋；晶界或亞晶界 開裂等，對于滑移開裂產(chǎn)生裂紋，大量研究資料指出：金屬在循環(huán)應(yīng)力長期作用 下，即使應(yīng)力低于屈服應(yīng)力也發(fā)生循環(huán)滑移形成滑移帶，并有一些是無法用電解 拋光去除。2.4.2疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段。根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展分 為兩個(gè)階段：第一階段從侵入溝或擠出脊先形成裂紋，隨后，裂紋沿主滑移系方 向，以剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展。但有缺口等缺陷的試樣，可能不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展第一階 段。當(dāng)?shù)谝浑A段裂紋擴(kuò)展時(shí)，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直 于拉應(yīng)力方向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。在室溫及無腐蝕條件下疲勞裂紋擴(kuò)展是穿晶 的。這個(gè)階段的大部分循環(huán)周期內(nèi)，裂紋

10、擴(kuò)展速率大約10-510-2mm，第二階段 的斷口特征是具有略呈彎曲病相互平行的溝槽花樣，即疲勞條帶。它是裂紋擴(kuò)展 時(shí)留下的痕跡，每一條帶可視為一次應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向和條 帶垂直。要提高此階段疲勞強(qiáng)度就要通過強(qiáng)化晶粒的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)或者通過選用更 優(yōu)良材料等來實(shí)現(xiàn)。2.4.3疲勞失效的特點(diǎn)疲勞強(qiáng)度是指材料經(jīng)過無數(shù)次交變載荷而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值。（1）疲勞失效時(shí)，零件內(nèi)部的工作應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至遠(yuǎn)低材料的屈服強(qiáng)度。（2）疲勞失效一般要經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和斷裂等幾個(gè)階段。（3）疲勞斷口具有明顯宏觀形貌特征，疲勞發(fā)展區(qū)是光滑的，脆性斷裂區(qū)時(shí)粗糙的。對于同一種材料，在

11、對稱循環(huán)載荷下疲勞的應(yīng)力值最小，常以 此作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則27。壓印連接機(jī)械性能的國內(nèi)外研究狀況隨著新型材料廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品中，壓印連接技術(shù)作為一種前沿的連接引 起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視，相繼出現(xiàn)了一些研究成果。有限元模型的建立和分析能夠快速掌握壓印連接過程中的很多重要的信息， 比如：金屬的流動(dòng)及在下模型腔內(nèi)的填充。在國外文獻(xiàn)中何曉聰在論文壓印連接 接頭扭轉(zhuǎn)自由振動(dòng)特性中指出懸臂式單搭接接頭的固有頻率、模型形狀對變形的 影響，得出懸臂式單搭接接頭楊氏模量的增加會(huì)相應(yīng)引起變形量的增加，而在論 文單搭接接頭懸臂梁動(dòng)態(tài)性能中，以有限元軟件預(yù)測了單搭接接頭懸臂梁的固有 頻率，模型形狀，頻率響應(yīng)函數(shù)等參數(shù)，

12、并通過實(shí)驗(yàn)來分析對比2-3。另外何曉 聰還概括了近期用有限元分析壓印連接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，主要在動(dòng)態(tài)的工藝模 擬，接頭強(qiáng)度，振動(dòng)特性等方面的研究囹。J.P.Vari等指出通過建立壓印參數(shù)利 用有限元程序?qū)河∵^程進(jìn)行仿真和測試，并基于這些仿真給出了一些模具組合 的壓印參數(shù)28。M.Carboni,S. Beretta,M.Monno等指出對壓印連接接頭進(jìn)行拉伸試 驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和殘余強(qiáng)度測試，結(jié)果顯示壓印連接接頭具有良好的疲勞特性。用 顯微鏡進(jìn)行觀察得出，疲勞破壞存在著三種破壞形式，這些取決于加載的最大力 和疲勞試驗(yàn)應(yīng)力比，通過有限元分析可以驗(yàn)證壓印連接接頭疲勞破壞區(qū)域出現(xiàn)在 應(yīng)力集中的地方。P.

13、Bcllini等指出利用計(jì)算機(jī)視覺、軟件工程、程序模型和通 過面向?qū)ο蟮哪Ｐ完U述了一種壓印連接技術(shù)的質(zhì)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對復(fù)雜 的壓印連接區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)評估30。90年代Liebig等也研究了另一種壓印連接接頭 質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)31-33。Juha Varis對比了壓印連接技術(shù)和自沖鉚技術(shù)，他研 究得出兩種技術(shù)的生產(chǎn)成本和連接的數(shù)量成正比，模具在成本中的影響很小，甚 全可以忽略，還提出了一種對比每一種連接方法的成本的一般程序34。另外,Juha Varis還對壓印連接的方形接點(diǎn)和圓形接點(diǎn)進(jìn)行了對比研究切。在國內(nèi)，對于壓印連接技術(shù)的研究起步的比較晚，但也取得了一些重要的成 果。韓向東，王存堂

14、等在其論文中介紹了壓印連接技術(shù)及其機(jī)理，并對壓印連接 處的金相組織進(jìn)行了分析35。邵兵，白創(chuàng)明等以洗衣機(jī)鋁箱體的模具設(shè)計(jì)為例， 闡述壓印連接成形原理在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并給出了模具設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置 36。楊小寧，佟錚等以有限元軟件ANSYS為平臺，對金屬板件壓印連接過程中 的應(yīng)力場和應(yīng)變場進(jìn)行計(jì)算，通過模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較，研究了影響連接強(qiáng)度 的模具設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)，證明了可以通過數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以 提高連接的經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性22。孫希延，李泉永，楊連發(fā)對板料的拉伸成形過 程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合ANSYS有限元軟件給出而來模型的幾何描述、接觸算 法選擇、接觸摩擦模型的建立等具體方法

15、37。劉亞麗，張益華等分析了機(jī)械壓 力連接幾何參數(shù)對連接點(diǎn)強(qiáng)度的影響，并以有限元軟件模擬了壓印連接的成型過 程38。盡管在壓印連接的研究上已經(jīng)取得了諸多的研究成果，但對與接頭的動(dòng) 態(tài)性能和疲勞壽命的基礎(chǔ)理論研究還沒有涉及到，本次設(shè)計(jì)主要針對壓印連接接 頭的結(jié)構(gòu)性能和疲勞性能進(jìn)行研究。4.結(jié)束語目前，在這國內(nèi)壓印連接技術(shù)的研究還處在起步階段，但在工業(yè)欠發(fā)達(dá)國家 得到了非常廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)異的靜態(tài)力學(xué)性能以及動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度，低能耗、高 效率、安全方便的加工特性尤其受到國際汽車工業(yè)、電器工業(yè)等生產(chǎn)廠家的廣泛 重視。隨著汽車制造業(yè)競爭的日益劇烈，汽車制造廠商都不斷向市場推進(jìn)新款車型。 新車型，除了突出質(zhì)

16、量好、價(jià)格低、樣式新、功能全等特點(diǎn)之外，主要的競爭集 中在汽車行駛的經(jīng)濟(jì)性上。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用新材料，使用輕型材料實(shí)現(xiàn)汽車車身 的輕量化，改善汽車行駛經(jīng)濟(jì)性是行之有效的。通過降低整車質(zhì)量可使汽車的很 多性能得到改善和提高。研究表明，當(dāng)整車質(zhì)量降低10%時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)型提高 3.8%，加速時(shí)間降低8%，CO排放減少4.5%，剎車距離減少5%，輪胎壽命提高 7%，轉(zhuǎn)向力減少6%39，可見汽車輕量化的重要性。汽車輕量化的重要潛力是在 車身的制造中大量使用輕金屬和非金屬，例如：鋁合金，復(fù)合材料，高分子材料， 鍍層薄鋼板等。對于這些材料的連接仍然是一個(gè)難題，傳統(tǒng)的方法存在著很多的 弊端，甚至是不可行的。因此

17、提出了采用壓印連接技術(shù)來替代車身內(nèi)外的一些對 動(dòng)態(tài)性能要求不高的部位，壓印連接技術(shù)結(jié)合自沖鉚連接技術(shù)可以代替大部分車 體的大部分點(diǎn)焊。然而，我們國家在壓印連接工藝方面的研究才剛剛起步，還有很長的一段路 要走，因此，對壓印連接基本理論的研究就非常有必要，特別是對正在突飛猛進(jìn) 的汽車行業(yè)及白色家電產(chǎn)業(yè)影響深遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)：劉亞麗，等.機(jī)械壓力連接參數(shù)與有限元模擬.機(jī)械制造與研究,2005,34(3):9-13Xiaocong He, Shanfeng Gao, Wenbin Zhang . Torsional Free Vibration Characteristics ofHybrid Clinc

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