基于Simufact Forming的半空心铆钉自冲铆接参数对铆接成形的影响研究

doi ：10．16576/j．cnki．1007－4414．2016．01．002基于Simufact Forming 的半空心铆钉自冲铆接参数对铆接成形的影响研究*张雨桐，刘瑞军*（北华大学汽车建筑工程学院，吉林吉林132013）摘要：以1．5mm+1．5mmA6062铝合金为研究对象，结合单一变量设计法进行参数组合，使用Simufact forming 有限元软件对铆接过程进行模拟仿真，主要研究了凹模深度、凹模凸台高度、冲头速度3个工艺参数对半空心铆钉自冲铆接成形的影响，及参数对几何特征量的影响趋势，为半空心铆钉自冲铆接工艺参数进一步优化提供有益的借鉴。

关键词：数值模拟；自冲铆接；Simufact forming ；工艺参数中图分类号：TG938文献标志码：A文章编号：1007－4414（2016）01－0004－04Impact Ｒesearch on Self－Piercing Ｒiveting Parameters of Half－Hollow Ｒivet onＲiveting Forming Based on the Simufact Forming SimulationZHANG Yu－tong ，LIU Ｒui－jun（School of Car Construction Engineering ，Beihua University ，Jilin Jilin 132013，China ）Abstract ：In this thesis ，taking 1．5mm+1．5mm A6062aluminum as the research object ，the single variable design method is used for parametric combination ，and the infinite element software Simufact forming is used to simulate the process of self－piercing riveting．The influences of the three technological parameters which are the depth of the die ，the die projection height and the punch speed on the half－hollow rivets forming are mainly researched ，the effect trend of the parameters on the geomet-ric characteristics is also studied ，thus it would offer some beneficial reference for further process optimization of half－hollow rivets parameters．Key words ：numerical simulation ；self－piercing riveting ；Simufact forming ；process parameters0引言汽车轻量化实现的有效途径之一是在车身上大量使用铝合金轻质材料，而在汽车上应用铝合金会给连接技术带来难题，近年来，一种能够连接有色轻型金属的自冲铆接技术出现在汽车车身制造上，极大的改善了现有的困难，但其应用还受到一些限制，对它的工艺参数及成形规律的研究，将有很大的指导作用。

冷作自冲铆接工艺参数分析作者：郭延刚来源：《中国科技博览》2013年第29期摘要：根据冷作自冲铆接原理并结合自冲铆接的工艺性特点对铆接过程中模具设计与参数选择、铆钉尺寸选择和板材尺寸选择等进行了分析，根据铆接测试结果提出了提高铆接质量的合理参数选择。

关键词：铆接冷作自冲工艺参数中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-076-01一.冷作自冲铆接基本原理自冲铆接用于连接两种或两种以上金属板材的冷连接。

特制铆钉在铆接机的作用下穿透顶层板材之后，下部铆模作用于铆钉尾部的中空结构，使得其扩张刺入底层板材，从而形成牢固的铆接点，自冲铆接的特点是铆钉刺入底层板材而并不刺穿，如图一所示。

根据铆钉的特点，自冲铆接可以分为半空心自冲铆接和实心铆钉自冲铆接，其中半空心自冲铆接由于具有良好的工艺性，在实际生产中比其他铆接形式具有优越性，从而得到了广泛的应用。

由上图可以看出，半空心铆钉自冲铆接工艺类似于金属冲压成型原理，特别是对于几种复合结构的板材铆接，其工艺性参数要求较高：铆接模具设计要合理；铆钉的形状、尺寸和材质性能要合理；铆接板材的材质性能和尺寸要合理等。

本文主要对以上三个方面的工艺参数进行分析。

二.冷作自冲铆接主要工艺参数选择根据自冲铆接原理，为了提高铆接质量和铆接后的外观要求，铆接后的铆钉应完全进入铆接板材。

铆钉头部材料应该压齐于上层板料的上表面，铆钉尾部材料应恰好充满于模具型腔。

按照这种设计原则，将会出现模具、板料组合、铆钉的唯一性，即一种铆接模具对应一种铆钉和一种板料组合。

而在实际应用中，为了提高铆接效率，减少铆接工装的更换，往往是用一种模具，同时铆接两种或两种以上不同型号的铆钉，同时铆接不同厚度组合的铆接板料。

针对这种情况，必须对模具的型腔设计进行一定的圆整，使得其满足上述要求。

1.自冲铆钉尺寸的选择原则铆钉的尺寸包括直径和长度。

一般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度。

半空心台阶铆钉是一种常用的铆接方法，常用于连接金属零件。

其标准包括以下方面:
材料选择:半空心台阶铆钉通常使用钢或铝等金属材料。

铆接参数:包括铆接压力、铆接温度、铆接时间等参数，需要根据金属材料和零件结构进行合理设置。

铆接工具:半空心台阶铆钉需要使用特殊的铆接机具，如铆钉枪、铆钉锤等。

铆接质量检查:需要进行严格的铆接质量检查，确保铆接接头的强度和密封性能。

总之，半空心台阶铆钉是一种重要的铆接方法，需要按照标准进行操作，以保证铆接接头的质量和可靠性。

304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉翻铆成形机理研究304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉翻铆成形机理研究摘要：铆连接技术在工业生产中广泛应用，其中304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉是一种常见的连接元件。

本文通过实验研究，探讨了304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉在不同工况下的翻铆成形机理。

实验结果表明，铆钉翻铆成形的主要工艺参数包括力、速度和时间。

同时，通过断口分析和拉伸试验，发现翻铆成形对铆钉的机械性能具有一定的影响。

因此，在实际应用中，应根据具体工况调整相关工艺参数，以确保翻铆连接的可靠性和稳定性。

关键词：304不锈钢；扁平头半空心厚壁铆钉；翻铆成形；机理研究1. 引言铆接是一种常用的非焊接连接技术，广泛应用于航空航天、汽车、机械等行业。

铆接连接可实现零部件的快速组装和拆卸，具有连接强度高、不会削弱基体材料及适应高温、高压等特点。

目前，市场上常见的铆接元件之一是304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉，其结构复杂，用于连接有较高要求的工件。

2. 实验设计及方法本研究的实验对象为304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉。

实验采用了冲击实验和断口分析的方法，研究铆钉在不同工况下的翻铆成形机理。

2.1 冲击实验采用冲击实验装置，对304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉进行翻铆成形实验。

实验中设定了不同的冲击力、速度和时间参数，观察和记录铆钉的变形情况。

2.2 断口分析实验后，通过对翻铆后的铆钉进行断口分析，观察铆钉的微观形貌和断口特征。

采用光学显微镜和扫描电子显微镜等仪器对断口进行观察和分析，以获得铆钉翻铆成形的机理。

3. 结果与讨论3.1 冲击实验结果实验结果显示，在相同的冲击力和时间参数下，较大的冲击速度可以促进铆钉的快速翻铆成形。

而在相同的冲击速度和时间参数下，增加冲击力有利于增加铆钉的成形力度。

3.2 断口分析结果通过断口分析，观察到翻铆后的铆钉断口呈现出典型的韧性断裂特征。

铆钉的断裂面呈现出明显的裂纹和变形区，证明铆钉在翻铆成形过程中受到了较大的力和应变。

基于数值模拟的半空心铆钉自冲铆接工艺研究的开题报告一、选题背景及意义铆接是一种传统的机械连接方法，主要用于各种工业设备、汽车、航空航天和建筑工程等领域的组装和修理。

为了提高产品的质量和效率，半空心铆钉自冲铆接工艺已成为铆接中的一种先进技术。

半空心铆钉自冲铆接工艺可以大大优化传统铆接工艺中的一些问题，例如热损伤、粗糙度、表面性能和连接性能等。

同时，该技术可以提高产品的可靠性和寿命，提高使用效率和安全性。

因此，研究半空心铆钉自冲铆接工艺具有重要的实际意义和工业应用价值。

二、研究目的本文旨在开展半空心铆钉自冲铆接工艺的数值模拟研究，探究工艺参数对铆接质量的影响，并分析不同铆接质量下的力学性能和腐蚀性能。

研究结果可为该技术的优化和推广提供有力的理论依据。

三、研究内容1. 研究铆钉、板材和成型模具的材料参数及工艺数据，进行模型建立；2. 建立半空心铆钉自冲铆接的数值模拟模型；3. 分析半空心铆钉自冲铆接工艺参数对铆接质量的影响，包括铆钉直径、板厚、冲孔直径、缺口长度和压缩力等；4. 评估不同铆接质量下的力学性能和腐蚀性能，并与传统铆接工艺进行对比分析；5. 提出优化半空心铆钉自冲铆接工艺的建议。

四、研究方法本研究采用有限元模拟方法对半空心铆钉自冲铆接工艺进行数值模拟研究。

主要步骤包括：建立模型、设置边界条件、选择材料参数、分析工艺参数对质量的影响、评估铆接质量和力学性能、提出工艺优化建议等。

五、预期结果通过数值模拟研究，本文预计得到以下结果：1. 建立半空心铆钉自冲铆接的数值模拟模型；2. 分析不同工艺参数对铆接质量的影响；3. 评估不同铆接质量下的力学性能和腐蚀性能；4. 提出优化半空心铆钉自冲铆接工艺的建议。

六、研究意义本文的主要意义在于：1. 对半空心铆钉自冲铆接工艺进行深入研究，为工程领域提供新的精准铆接解决方案，有助于提高产品质量和使用寿命；2. 进一步完善并推广工艺技术的应用，推动中国金属加工行业的创新发展；3. 为相关企业提供有价值的技术支持，拓展市场竞争优势。

铆钉对TA1与1420自冲铆接工艺及失效行为的影响0 序言随着国内航空航天领域更加注重新型铝合金和钛合金及其制造技术的研发，同时提出要加强铝锂合金的应用研究，不断扩大铝锂合金和高强新型铝合金的使用量[1].因而钛合金与铝锂合金由于自身特有的优异性能被越来越广地应用于航空航天制造业中；钛合金在飞机机身和发动机中的使用率更是成为衡量飞机用材先进性的重要指标[2]，铝锂合金则被认为是21世纪航空航天工业最理想的轻质高强结构材料[3].而目前对航空材料的连接方式以焊接和传统铆接居多，亟需探索新型连接技术以满足对新型航空材料的应用需求.《联合国气候变化框架公约》的近200个缔约方2015年12月在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》，鼓励使用低碳能源来减少温室气体排放，长远目标是确保将全球平均气温较工业化前水平的升高控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内付出努力。

根据国际能源署(IEA)提供的信息，目前全球约70%的电力来自化石燃料，如果想在2050年实现上述目标，80%的电力需要来自低碳能源。

近年来兴起的自冲铆接是一种快速机械冷成形工艺，主要依靠机械内锁来实现对同质或异质薄板材料的连接，且无需对板材进行预处理，铆接过程简单方便[4]，是迄今极具潜力的一种航空材料连接技术.目前国内外学者针对自冲铆接技术的大量研究工作主要集中在铝合金与钢材自冲铆接头的机械性能、自冲铆接头的失效及微动磨损机理、铝合金自冲铆接头的腐蚀性能、基板搭接形式对自冲铆接头性能的影响、自冲铆接头的强度预测模型等方面[5-9].而将自冲铆接技术应用于航空材料的连接还未见诸报道.文中以钛合金及铝锂合金薄板为研究对象，运用自冲铆接技术采用不同规格铆钉研究不同薄板组合的连接工艺，通过拉伸-剪切和高周疲劳试验测试各组接头的失效模式，进而利用高真空电子扫描显微镜(SEM)分析铆钉对自冲铆接头失效行为的影响.以期为自冲铆接技术的应用、航空材料的连接技术储备及工艺开发提供相关支持.1 铆接工艺以TA1钛合金与1420铝锂合金薄板作为铆接对象，二者尺寸均为110 mm × 20 mm × 1.5 mm，利用材料试验机进行引伸计试验获得基板性能参数如表1所示.自冲铆接试验采用德国Böllhoff RIVSET VARIO-FC (MTF)型自冲铆接设备，铆接工具[10]选用常规冲头、凹槽平模以及长度为5和6 mm的半空心自冲铆钉(图1)，其中5 mm铆钉的硬度为H4 (44 HRC± 2 HRC)，6 mm铆钉则分为H4(44 HRC± 2 HRC)和H6 (48 HRC± 2 HRC)两种硬度规格.表 1 板材及铆钉性能参数Table 1 Property parameters of sheet materials & rivet断后伸长率A(%)142069364.6— 29514.2 TA195355—32949铆钉 189 — 1720 1520 22材料弹性模量E/GPa抗拉强度Rm/MPa抗压强度R/MPa屈服强度ReL/MPa图 1 铆钉尺寸示意图 (mm)Fig. 1 Schematic diagram of SPR tools自冲铆接试验过程中采用剖面直观检测法[11]，基于领域内常用的三个检测参数：钉脚张开度、钉头高度和残余底厚来检验异质板材单搭接头的成形质量.采用长5 mm铆钉进行TA1与1420异质单搭自冲铆接试验时，发现铆钉均严重墩粗，其能够刺穿上板但不能刺入下板形成合格的机械内锁结构.进而采用6 mm铆钉(H4)，发现铆钉虽存在不同程度的墩粗现象，但能够实现对TA1与1420异质薄板的有效连接，如图2a，2b所示.为改善铆钉的墩粗现象，进一步采用6 mm 铆钉(H6)进行试铆，发现铆钉墩粗现象明显减轻，但钉脚张开度较小；其能够实现对TA1-1420组合薄板的有效连接，但对于1420-TA1的组合薄板，铆钉已经完全刺穿上下板，下板底部已经脱落，如图2c，2d所示.由图2可知，各接头成形截面并非完全对称，检测参数数值存在一定的差异. 采用H4铆钉的接头截面，由于铆钉墩粗，残余底厚明显较大，使得接头铆钉脚尖区域的壁厚偏薄(图2a中椭圆标注)；而采用H6铆钉的接头截面，由于铆钉硬度提高，残余底厚明显偏小(图2c中椭圆标注). 综合来看，图2a，b，c中异质薄板组合的自冲铆接成形质量合格. 通过对比试验获得两种异质薄板搭接形式：TA1-1420和1420-TA1的最优自冲铆接工艺参数如表2所示，以此分别铆接TAF，TAS和ATF三组接头以备后续研究，各接头搭接长度均为20 mm.图 2 自冲铆接头截面示意图(mm)Fig. 2 Cross sections of different SPR joints表 2 最优自冲铆接工艺参数Table 2 Optimal processing parameters of SPR接头命名搭接形式铆钉TAF TA1-AL1420 行程131.2 mm，预紧压强5 MPa，刺穿压强19 MPa，整形压强11 MPa H4 TAS TA1-AL1420 行程131.2 mm，预紧压强5 MPa，刺穿压强19 MPa，整形压强11 MPa H6 ATF AL1420-TA1 行程131.6 mm，预紧压强5 MPa，刺穿压强21 MPa，整形压强11 MPa H4铆接参数2 试验过程各组接头的拉伸-剪切试验在美国MTS电液伺服材料试验机LANDMARK 100上进行. 试验过程参考GB/T2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》，设置拉伸速率5 mm/min，在试样两端分别加持尺寸25 mm × 20 mm × 1.5 mm的垫片以减小接头受力不对中导致的影响，对每组接头进行10次重复性试验，获得失效试样如图3所示.通过拉伸-剪切试验获得各组接头的静失效载荷均值依次为TAF接头 5.68 kN，TAS接头6.10 kN，ATF接头4.88 kN，基于此对各组接头进行高周疲劳试验.具体疲劳试验方法如下. 在单向拉-拉疲劳模式下对接头施加正弦波形载荷，载荷比R = 0.1，加载频率f = 10 Hz；同样在接头两端分别加持尺寸为25 mm × 20 mm × 1.5 mm 的垫片；将疲劳循环次数超过200万或试样出现明显裂纹作为该试件的失效判据；采用4级载荷水平下的常规成组疲劳试验方法来研究各接头的疲劳失效行为，且每级载荷水平下测试3个试样. 其中，依据预备疲劳试验结果，采用50%，30%，20%和18%的4级载荷水平测试TAF和TAS接头，采用60%，50%，35%和25%的载荷水平测定ATF接头. 获得各组接头的疲劳失效试样如图4所示.如果只是用50℃左右的温水加热酸奶，并不会杀死这些益生菌种，晃匀后感觉温温的就好了，或者放在暖气附近缓慢温热一下，即可饮用，对里边的乳酸菌等影响不大。

【doc】自冲铆接工艺的研究及改进措施自冲铆接工艺的研究及改进措施第21卷第5期2005年10月天津理工大学JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOF~OLOGYV01.21No.5Oct.20o5文章编号:1673—095X(2005)05—0061—04自冲铆接工艺的研究及改进措施李晓静,李双义,张连洪,毕大森,张健(1.天津大学机械工程学院,天津300072;2.天津理工大学材料工程学院,天津300191)摘要:采用3种不同尺寸的半空心铆钉,对4种不同材质,不同厚度的板料进行了自冲铆接试验;提供了铆接过程中的力一行程试验曲线和铆接的单位成形力,并进行了分析;展示出铆接试验结果;在分析影响铆接质量的诸因素的基础上,对铆钉和凹模的设计提出了量化指标和改进方案.关键词:连接工艺;自冲铆接;汽车轻量化中图分类号:TG4文献标识码:AStudyoftechnologyofself-piercingrivetingandimprovedapproachLIXiao—jing,LIShuang—yi,ZHANGLian—hong,BIDa—sen2,ZHANGJian2(1.SchoolofMechanicalEngineering,TiinUniversity,Tiin300072,China;2.SchoolofMaterialEngineering,TianjinUniversityofTechnology,Tiain300 191,China)Abstract:Thispaperdescribesself-piercingrivetingtestscarriedoutwithhalf-hollowrivetSofthreespecificationswithfourkindsofplatesofdifferentmaterialsandthicknesses.l’]aeload—strokecurvesandunitrivetingforceinrivetingwereobtainedandanalyzed.Experimentalresultswerepresented.Onthebasisofanalysingfactorseffecti ngonqualityofriveting,quantizedstandardandbeingimprovedschemesregardingthedesignofrivetsanddiewereprospected.Keywords:joiningtechnology;self-piercingrivetedjoints;lightweightofearbody随着汽车工业的发展,对汽车经济性要求越来越高,从而使汽车制造商更加重视车身总成的轻量化和连接的高质量,并寻求减少车身重量的办法,其中之一就是使用轻型材料,如铝,塑料等原料.迄今为止,点焊(电阻焊)是连接钢板车身结构的主要方法,但是对于黑金属与有色金属的连接,有色金属(如薄铝板)之间的连接,金属与非金属的连接,非金属之间的连接,点焊就很困难或无能为力了_1一.大批量生产的汽车,在车身零件粘接,焊接,铆接等连接中,为了连接不能进行点焊和难于进行点焊的材料,铆接特别是自冲铆接,越来越受到重视和青睐. 但对自冲铆接的研究我国目前尚处于空白.自冲铆接是一个在板料和铆钉之间形成连接而不需要预冲孑L的新工艺.使用的半空心或实心铆钉先作为冲孑L的冲头,而后与被铆接板料一起进行塑性变形以达到连接的目的L2~.自冲铆接有几种工艺类收稿日期:2005—01—10.第一作者:李晓静(1971一),女,硕士.通讯作者:李双义(1945一),男,教授,硕士生导师型E3一,其中,半空心铆钉自冲铆接工艺的铆接过程如下:首先压边圈和凹模用预紧力将板料夹紧,而后半空心铆钉被冲头压下,铆钉充当冲头作用穿透上层板料,同时进入下层板料,随着下层板料流入凹模,铆钉与下层板料一起扩张并产生塑性变形,在两板料问形成一个机械互锁机构,从而完成连接.1半空心铆钉自冲铆接试验1.1试验准备1)铆钉形状和尺寸的确定:参考国外自冲铆钉标准_3_3,作为工艺试验,尽量选择较简单的铆钉外形. 铆钉头部为平顶倒圆台,且所有铆钉头直径相同,以便于试验时定位对中,其形状,尺寸见图1.2)凹模设计尺寸见图2,材质为Crl2,硬度为62[4]. HRC58—3)按照尺寸,对铆钉和模具均采用机加工.?62?天津理工大学第2l卷第5期制作材料:35号钢硬度HHq54—56图l铆钉规格Fig.1Rivetspecifications图2凹模尺寸ng.2Diedlmensiotm4)试验方案的制定:经过对铆钉规格,凹模尺寸和将要进行铆接的材质及料厚等参数的分析,制订了试验方案.铆钉的规格有M1,M2和M33种,铆接板料有4种组合,见表1.原则上铆接较厚的板料需要较大的铆钉尺寸,相应的凹模尺寸也较大,而铆接板料较薄时正好相反.表l试验方案Tab.1Experimentalscheme5)试验模具:试验模具除了凹模外,还有冲头和压边圈,其闭合状态见图3.将冲头固定在上模部分, 凹模固定在下模部分,压边圈固定在下模座上,压边圈的作用一方面压紧板料,避免板料产生翘曲,同时还容纳铆钉,使其放正.使用标准模座,利用导柱导套对中.6)试验装置及数据采集:试验在WE一30型万能试验机上进行.采用自行设计和制作的数据采集系统E5,其中包括通用微机,传感器,信号调理器一A/D转换卡(测试卡)等硬件和测试系统软件组成.传感器输出的电压信号,经信号调理器放大,滤波后,由A/D转换为数字量;经计算机得到试验中载荷数据,并对试验数据自动处理.试验机微机测试系统的原理和组成如图4.图3模具工作部分g.3Diessetupforexperiments信模号数调转理换图4数据采集系统框图Fig.4Dataacquisitingsystemforrivetingload1.2空心铆钉自冲铆接试验1)试验的进行:将试验模具安装在试验机上,确保对中.试验时,先使板料置于压料板的下面,然后施加足够的压边力;选择相应规格的铆钉,平正放人压料板中心孔内;而后运行压力机进行成形,操作中需使滑块的运动速度尽量均匀,直到铆钉上端面与上层铆接板料铆平为止.计算机将数据采集结果显示为”时间——载荷”曲线;事先需人工设定”载荷比例” 及”采样比例”.载荷比例表示曲线纵坐标的比例,一般用预想的最大载荷值进行换算而设定,以保证采集到的曲线不会超出坐标范围.”采样比例”表示曲线的横坐标比例,同样为了便于观测,通过压力机的行程速度来设定合适的采样比例值.以上两个参数值的设定将利用试做确定之.显然,最后所采集到的数据为随着时间变化的载荷值.根据不同的采样比例,每个试验样本最后采集的数据至少为250个.2)数据的整理及曲线绘制:通过观察所采集的试验数据,试验之初由于消除间隙和摩擦等因素所致,有数据的波动,这些波动数据可略去不计.将载荷值开始稳步提高的第一个点作为统计的第一个点.当冲头行至终点时,为最大载荷值,此后所采集载荷数据也略去不计.由此可得到每个试验样本数据的统计数据,称为”有效点”.每个试验样本数据有效点个数不同.然后在有效点的范围内选取一定个数的点进行筛选.为便于比较,每一组试验所选取的数据20【)5年l0月李晓静,等:自冲铆接工艺的研究及改进措施?63? 点个数相同.将筛选后的数据分组编号,并将横坐标的时间数据折合成为行程数值(III1TI).利用MATLAB软件进行数据处理,将同组试验的行程一载荷曲线图列于同一图上以便于比较.由图中可以清晰地看到,在相同的凹模规格,铆钉规格和板料规格下,载荷的变化很有规律.同时可利用此程序得到每种试验的行程一载荷曲线,下面只选取试验方案的第一组试验曲线,见图5.图中的横坐标均为行程(ram),纵坐标均为载荷(kN). Z逗罐9钉’总行程:7inillf.均为1I?n铝+2I?1l铝l///,/2确.’#q图5第1组试验曲线Fig.5Load—strokecurvesofNo.12试验结果及分析2.1铆接力将测试记录的数据整理见表2.表中,铆接的最大单位压力P=P/(~d3/4),d3为铆钉腿外部直径,P为铆钉腿部(并非头部)承受的最大单位铆接力,P为最大铆接力.表2冲裁力和铆接力Tab.2Punchingforceandrivetingforce2.2铆接效果对铆接后试件用线切割沿子午面剖分,其结果见图6至图8.对表1的试验方案逐次观察其铆接效果,由此看出:1)0.4III1TI黄铜+1III1TI铝由于下层板料厚度过薄,而相应所采用的铆钉过长,而将两层板料均穿透, 导致铆接失效.2)1III1TI铝+2III1TI铝及2III1TI铝+2III1TI铝认真观察可发现,虽然铆接上了,铆接后凹模形腔并没有完全被充满;而且,包容变形后铆钉的下层板料的厚度太薄,甚至有的接近被穿透的状态.3)仔细观察图6可发现,在铆钉头部和腿部过渡区,外层金属与铆钉之间存在间隙.图6lInln铝+2Inln铝Fig.61InlnAL+2InlnAL图70.4Inln黄铜+2Inln铝Fig.70.4InlnCu+2InlnAL图82Inln铝+2Inln铝Fig.82InlnAL+2InlnAL2.3试验结果的分析2.3.1关于变形力由试验曲线可明显看出铆接过程有两个阶段:?铆钉穿透上层板料以冲裁为主的阶段;?铆钉进入下层板料并随下层板料一起扩张的扩张阶段.冲裁阶段所需要的力不大,扩张阶段所需成形力显着上升.2.3.2对铆接后形状的分析1)铆钉的长度与板料厚度应有良好的匹配.过长时容易全部穿透,过短时,铆钉和下面板料变形量不足同样使铆接失效.2)铆钉的头部尺寸过大.致使头部进入被铆接板料过多,使铆钉的腿部下移,有可能穿透下层板料, 至少会使下层板料包容变形后铆钉的厚度太薄,影响铆接的连接强度.3)铆钉的腿部尺寸偏小.完好的铆接后的铆钉形状应类似于”倒置高脚杯”,即变形后铆钉的逐渐扩张的侧壁应长一些,而后在最下部分开为八字状,而该结果类似于”倒置高脚碟”形状.4)影响铆接质量的主要因素是:铆钉尺寸,材质(机械性能),凹模的尺寸,形状,被铆接板料的材质(性能),料厚及其组合等.要得到良好的铆接质量, ?64?天津理工大学第2l卷第5期上述各参数之间应有良好的匹配关系.5)铆钉硬度也是一个重要的特征.铆钉必须有足够的硬度来穿透上层板料,同时也要有足够的塑性与底层板料一起向外扩张.若硬度太低,铆钉在冲裁过程中可能被”压塌”而无法进行后续的扩张;若硬度太高,将延迟”扩张阶段”,使底层板料包围铆钉的料厚太小甚至穿透底层板料,或者铆钉尾部在扩张时破裂(为此,我们曾做过多次不同温度的回火试验),或者扩张程度不够而影响铆接的连接质量.被充满.设计凹模时,凹模尺寸应使型腔体积与铆钉的体积相同或略大,铆接终止时使凹模处于”礅满”状态,以避免某些角部出现间隙(欠充满)问题,以确保铆接质量.3.3铆接板料的放置位置铆接两层不同板料时,应将塑性好的材料放在下层;铆接三层以上板料时,应将塑性好的放在中间;铆接相同材料而厚度不同的板料时,应将较厚的板料放在下层,较薄的板料放在上层.3改进措施4结论3.1铆钉的形状针对试验结果及其分析,对铆钉的形状应加以改进,减少头部直径及厚度.头部直径一般比杆直径大2,3nm】,而头部的厚度应在0.5,1n】n1,以铆住上层板料为宜.铆钉腿部长度很重要,它与被铆板料厚度有直接关系,其长度随着被铆接板料厚度的增加而增加.根据对现有的国外铆接图片分析,铆钉总长度应比被铆接板料的总厚度大2—2.5mxn为宜.腿部直径与被铆接板料的总厚度有关,铆钉腿部直径应比被铆接板料的总厚度大1,2nm.在实际生产中铆钉表面要有涂层或镀层,以达到抗腐蚀要求和外观要求.如果铆接板料总厚度为4.5一,本文建议使用图9所示的铆钉尺寸.图9改进后的铆钉尺寸Hg.9Improvedrivetdimensions3.2凹模的尺寸对于凹模的尺寸,已有一些国外文献的报道,本文的图3就是参考国外文献设计的.值得提出的是, 凹模中间的凸台尺寸更为重要些,凹模的口径应是在铆钉腿部直径的基础上,增加下层板料两倍的厚度值.凹模的深度将决定铆接后下面突出高度,应使铆接后的突出高度为1,1.5倍的下层板料的厚度值.若想使铆接后板料均匀地包紧铆钉,凹模型腔应1)通过初步试验证明,半空心自冲铆接工艺是切实可行的.2)由试验得出了半空心铆钉自冲铆接工艺所需要的最大单位铆接力,为自冲铆接机的设计提供了依据.3)半空心铆钉自冲铆接工艺,属于多种复合材料的塑性变形,从工艺原理上并不复杂,类似”钉书机” 的原理;而寻求各种变形材料(包括铆钉和被铆接的多层板料)的性能匹配,形状匹配,尺寸匹配等,尚需要做大量的试验和计算机模拟工作,本文的工作仅是一个初步探索.4)提出了铆钉,凹模尺寸设计的原则,量化指标和改进方案.5)自冲铆接工艺可用于不同材料之间的铆接,是除点焊工艺之外的行之有效的连接方法,在汽车车身轻量化发展中有良好的应用前景.自冲铆钉的制造(如采用冷镦工艺),自冲铆接机的设计和商品化等必须配套,才能真正应用于生产实际中.参考文献:l1LiebrechtF,BraunlingS.Self-piercingrivetedjointsandre—sistancespotweldedjointsinsteelandal~um[J].Intema—tionalBodyEngineeringConferenceDetroit,2002,10:3—5.2JMao~ngFu,MalliekPK.Fatigueofself-piercingrivetedjoints inaluminumalloy6111[J].InternationalJournalofFatigue, 2003.25:183—189.[3]刘瑞军,李双义,张连洪,等.自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用[J].汽车技术,2004,11:33—36.4MaofengFu,MalliekPK.Effectofprocessvariablesonthe staticandfatiguepmportiesofself-piercingrivetedjointsina—lumimmalloy5754[J.SocietyofAutomotiveEngineers,2001,2:1—13.5李双义,韩熙明,张连洪.材料试验机的微测控系统[J].自动化与仪表,1994,9(5):150—153.。

半空心铆钉自冲铆接的研究进展赵新华; 姬琳辉; 孟宪明; 刘凉; 吴昊【期刊名称】《《新技术新工艺》》【年(卷),期】2019(000)010【总页数】6页(P1-6)【关键词】半空心铆钉; 自冲铆接; 铆钉和凹模; 工艺参数; 数值模拟; 质量评价【作者】赵新华; 姬琳辉; 孟宪明; 刘凉; 吴昊【作者单位】天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室机电工程国家级实验教学示范中心天津 300384; 中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院天津 300300【正文语种】中文【中图分类】TG938自冲铆接是一种冷成型技术，可以用于连接同种或异种、两层或多层材料。

半空心铆钉在冲头的带动下，刺穿上层板，进入到下层板，在冲头和凹模的共同作用下，与板料一起发生变形并与板料形成自锁结构[1-5]。

与传统的铆接过程不同，半空心铆钉自冲铆接不需要预打孔，铆接周期较短，约为1～4 s。

自冲铆接的工艺过程包括4个阶段[6-11]，具体如图1所示。

图1 自冲铆接的工艺过程自冲铆接越来越多地被应用于轻量化材料的连接，与连接的强度和可靠性有着必然的联系。

通过对比点焊、冲压、传统铆接和自冲铆接等连接方式的接头的力学性能，得出自冲铆接头的疲劳寿命比点焊长1倍[12]；薄铝板的自冲铆接头强度优于电阻点焊[13]；铝板-铝板的连接，采用自冲铆连接的接头具有最大失效载荷和位移[14]。

许竞楠等[15]得出自冲铆接头的抗剪切强度高于冲压连接的原因与晶粒的组织有关。

由铆接的工艺过程可知，铆钉、凹模、板料、压边圈和冲头的参数直接决定了自冲铆接的质量。

因此，国内外学者对自冲铆接的工艺参数与接头质量的关系做了大量的研究，研究内容主要分为如下4个方面：铆钉尺寸和凹模尺寸、铆接核心参数优化、铆接过程的数值模拟、铆接接头的质量评价。

1 铆钉尺寸和凹模尺寸铆钉尺寸和凹模尺寸作为最主要的参数之一，引起了大量学者的关注。

1.1 铆钉尺寸万淑敏提出选择铆钉尺寸的原则，并提出了设计铆钉结构7个参数的方法和原则。

基于有限元模拟的自冲铆接工艺参数优化徐利利;汪彬;陈光权;董卫平;张洪延【摘要】对2 mm+2 mm搭接的5052 H32铝合金板自冲铆接工艺进行数值模拟,采用L9 (34)正交表选取铆钉长度、铆钉直径及模具凹下面积3个因素的3个水平,以接头剪切强度最大为目标,首先模拟铆接接头形成的下压过程,并将模拟获得的接头形貌与试验结果对比一致后,再模拟三维剪切拉伸过程获得接头的剪切力学性能,通过方差分析得出最佳工艺参数为铆钉长度6.5 rnm,铆钉直径5.14 mm,模具凹部面积5.12 mm2.同时,将各尺寸因素对接头横截面形貌、下压过程及剪切拉伸过程的力-位移曲线、接头的等效应力和塑性应变的影响进行分析.对自冲铆接工艺过程建立了完善的有限元模型,该模拟方法可作为自冲铆接工艺设计及其工艺参数优化的依据.【期刊名称】《汽车工程学报》【年(卷),期】2019(009)003【总页数】7页(P175-181)【关键词】自冲铆接;有限元模拟;连接工艺;汽车车身【作者】徐利利;汪彬;陈光权;董卫平;张洪延【作者单位】浙江师范大学,浙江,金华321004;浙江师范大学,浙江,金华321004;浙江师范大学,浙江,金华321004;浙江师范大学,浙江,金华321004;托莱多大学,托莱多,OH 43606,美国【正文语种】中文【中图分类】U466为降低汽车的燃料消耗和尾气排放，车身轻量化已成为现代汽车工业发展的必然趋势，采用铝合金材质车身是实现轻量化最有效的途径之一[1-3]。

对传统的电阻点焊连接方法而言，由于铝合金材料本身的特性如表面生成氧化膜、高热传导率、高电导率等，铝合金电阻点焊接头会出现严重的裂纹、缩孔、喷溅等缺陷[4]。

近年来，汽车厂商广泛采用自冲铆接方法代替传统点焊工艺制造铝合金车身，自冲铆接工艺具有步骤少、操作过程简便及接头力学性能好的特点，特别是疲劳强度是传统电阻点焊接头的3倍[5]。

自冲铆接工艺的广泛应用需要对其连接过程和力学性能进行深入研究，黄志超等[6-7] 和PORCARO等[8]对自冲铆接工艺过程进行了数值模拟，结果表明在一定范围内增加模具凸台高度，能提高铆接接头的自锁性能，适当硬度的铆钉有利于获得高性能的接头。

半空心铆钉自冲铆接工艺及其质量评价研究摘要：自冲铆接作为一种新型的机械连接方式，不仅满足快速连接需求，而且可以用于两层或两层以上同质或异质材料的连接需要。

并且具备无烟雾，低噪音，无飞溅等优势。

为现代机械连接提供安全性更高，清洁性更好，伤害性更小的铆接工艺。

本文基于半空心铆钉研究自冲铆接工艺，指出半空心，铆钉工艺的具体参数以及在半空心铆钉自冲铆接工艺的质量评价方式，旨在为提升铆接工艺研究提供参考资料。

关键词：半空心铆钉；自冲铆接；铆接工艺；质量评价一、前言自冲铆接是在板料和铆钉之间形成连接而不需要预冲孔，冲和铆一步完成的新工艺。

由于自冲铆接是一种靠机械自锁连接的冷成型技术，在多层板的连接中应用效果很好。

随着制造业大规模自动化生产的发展，自冲铆接工艺也在更广泛地应用于实际产品的制造当中，并且对降低制造产品重量，提高装配效率意义重大。

半空心铆钉是在铆钉圆柱体的上、中部分为实心结构，尾部为空心结构，便于在受挤压向外翻边形成卡扣的连接件。

半空心铆钉一般应用于软线制造业中，近年来被广泛应用于汽车轻量化生产。

目前有些玩具已经用半空心铆钉代替了轴。

抽芯和击芯铆钉则多用于较为薄软材料的铆接。

二、半空心铆钉的自冲铆接工艺原理半空心铆钉自冲铆接工艺是通过压边圈先向下运动对铆接材料进行预压紧，防止材料在铆钉的作用力下向凹模内流动，然后冲头向下运动推动铆钉向下刺穿上层材料．在凹模与冲头的共同作用下，铆钉尾部在下层金属中张开，形成喇叭口形状以便锁止铆接材料，达到连接目的。

半空心铆钉自冲铆接工艺是在对半空心的铆钉头进行施压，使之嵌入第一层，然后钉体与第二层一起扩张并向四周翻开形成铆扣，从而形成一个紧固的连接。

虽然看起来较为简单，但是要求工艺却很复杂例如：模具几何尺寸要合理；要严格控制铆钉的形状、尺寸和材质的性能；板料的性能应与铆钉性能相匹配；板料的厚度应与铆钉的尺寸和模具的尺寸相匹配等。

半空心铆钉自冲铆接主要应用于汽车车身轻量化制造过程中，在同金属材质连接时较轻的在上，较重的在下；异质的金属，塑性不好金属在上，塑性好的金属在下好，金属与非金属铆接时，非金属在上，金属在下。