分体式下模压印接头成形的有限元模拟及接头微观组织

郑俊超，何晓聪，邢保英，丁燕芳，曾 凯

（昆明理工大学机电工程学院，昆明650500）

0 引 言

出于降低成本和保护环境等方面的考虑，汽车的轻量化结构设计得到了越来越多的重视，铝合金以及高强度钢等轻量化材料在汽车车身上的应用越来越多，进而对这些材料或异种材料间的连接提出了挑战。压印连接技术因为具有工序简单、高效、环保，且能连接那些难以用焊接等传统方式连接的新材料，易实现生产自动化等诸多优势，将成为未来先进汽车制造业中一项重要的连接技术。该技术通过压印连接模具对金属板件实施冷挤压变形，将两层或多层金属或非金属板件连接起来，形成一个具有较高强度的压印接头。

从这项技术诞生至今，国内外许多学者对其进行了多方面的研究，并产生了一系列研究成果。何晓聪［1-2］从工艺参数、动态工艺模拟、接头强度和振动特性等方面综述了压印连接技术的发展状况，并研究了变差系数法在预测压印接头强度方面的应用，认为变差系数法在产品质量评估等方面具有重要意义；Hamel等［3］在整体式下模压印连接过程模拟中发展了有限元程序中的自动重划分网格技术；De等［4］通过有限元模拟研究了模具几何尺寸参数对颈厚和互锁嵌入量的影响；Mucha［5］研究了模具几何尺寸以及压印连接过程中冲压力等参数对连接接头强度的影响，同时通过金相试验从微观角度确定了接头处塑性应变区域的应力分布；Varis等［6-8］研究了在板料尺寸不同的情况下，应如何选择模具类型（圆模或方模），并利用有限元分析方法提出并验证得到了一种选择合适模具的程序；Oudjene等［9］为提高压印连接接头的强度，用田口方法研究了冲头和底模各几何尺寸对压印接头的影响，并用响应面和最小二乘拟合方法对直接影响接头强度的模具尺寸参数进行了优化；Lee［10-11］建立了模具各尺寸参数和强度的数学模型，使得根据所需强度来得到模具尺寸成为可能，这对于指导设计和生产具有重大意义；冯模盛等［12］用有限元软件对整体式下模压印连接的动态过程进行了数值模拟，并分析了连接成形过程、应力应变和时间的变化趋势。在前人的研究中，几乎所有的学者都采用整体式下模进行有限元模拟，而分体式下模压印连接的模拟还未见报道；同时，在压印接头的显微组织分析方面还远不够成熟，特别是对冲压过程中金属的流向并未进行相关研究。所以，从这两方面着手进行研究颇有意义。

因此，作者采用有限元方法模拟了分体式下模压印连接的成形过程，并从微观角度观察、分析了压印过程中金属的流向和形态等特征。

1 分体式下模压印连接的成形原理

压印连接的下模分为分体式和整体式两种，如图1所示，分体式下模由固定的下模座和活动的下模环组成，活动部分靠弹簧支撑，并安装在保护套内以防止脱落。在实际应用中，下模活动部分可以选择2瓣、3瓣或4瓣；而整体式下模为一个整体，没有活动部分。与整体式下模相比，分体式下模的尺寸更小，一个直径为6mm 的分体式下模与直径约为8mm 的整体式下模形成的连接点直径相当，所以在实际工作中大多数设备都采用分体式下模进行压印连接。

图1 压印连接的不同下模形式Fig.1 Segmented（a）and integrate（b）dies of clinching

分体式下模压印连接原理如图2所示，首先随着上模下行，板料接触下模后，在上模的作用下材料在下模内开始变形，同时下模的活动部分向外张开，以使材料充分在下模的型腔内变形，形成一个紧密的连接点；然后使上模返程，下模的活动部分随弹簧一起回到原始位置。这个过程可以使材料局部变形形成一个紧密的摩擦连接点。

图2 分体式下模压印连接原理示意Fig.2 Abridged general view of segmented die clinching

2 有限元模型的建立与模拟

2.1 有限元模型的建立

用ANSYS／LS-DYNA 软件建立分体式下模压印连接模型，由于其具有几何对称性，将其简化为二维轴对称模型，如图3所示，模型尺寸与实际试样及设备的尺寸完全相同。试样为2 mm 厚的5052铝合金板，其材料参数见表1。

图3 分体式下模压印连接的几何模型示意Fig.3 Abridged genral view of geometry model of segmented die clinching

选用分段线性塑性模型作为5052铝合金的材料模型，该模型可用于模拟各种塑性硬化金属材料，采用Cowper-Symbols模型［13］考虑应变速率对屈服应力σy的影响：

表1 分体式下模压印连接模拟的材料参数Tab.1 Material parameters of segmented die clinching simulation

式中：σ0为常应变速率下的屈服应力；˙εt为有效应变速率；C，P 为应变率参数，是基于有效塑性应变的硬化系数，根据材料设定应变率参数C 为5 500，P为4.8，失效时等效塑性应变为默认值；εPeff为基于有效塑性应变的硬化系数。

根据弹簧参数，采用性质与弹簧极为相近的Mooney-Rivlin橡胶弹性模型作为弹簧的材料模型，定义为弹性材料；冲头、压边圈及下模在成形过程中保持刚性特性，均定义为刚性材料，其材料参数如表1所示。

选择LS-DYNA 中的平面单元2Dsolid162，采用ALE体积算法，对上、下板采用映射网格划分，其它部件采用自由划分得到有限元模型，如图4所示，总单元数为5 427个，节点数为5 905个。

图4 分体式下模压印连接的有限元模型Fig.4 Finite element model of segmented diel clinching

压印连接过程属于大变形过程，故选用LSDYNA 中特定的ASS2D 二维单面接触选项，接触中程序将自动判定模型中哪些表面发生接触，静、动摩擦因数均取0.1；在板料冲压过程中，会存在网格严重畸变或丢失的情况，为此采用ALE 网格自适应技术；载荷分别定义为施加于冲头上的时间-位移曲线，以及施加于压边圈上的时间-载荷曲线；根据压印连接设备参数，模拟时间t取1.2s。

2.2 模拟结果

将整个压印过程（1.2s）均分为三个阶段显示，如图5所示，铝合金板料随上模下行，同时下模活动部分张开，板料在下模型腔内充分变形，最后形成一个互锁的连接圆点。

图5 分体式下模压印连接过程中不同时刻的有限元模拟结果Fig.5 Finite element simulation results of segmented die clineching at different times

图6 分体式下模压印连接过程中不同时刻金属流向的有限元模拟Fig.6 Finite element simulation of metal flow at different times of segmented die clinching process

图6为分体式下模压印连接过程中在0.8s和1.2s时铝合金板料流向的局部放大图，将板料看成是一层层彼此相邻且平行的薄层流体，可以沿外力作用方向进行相对滑移。在下板料接触到下模底部时，下模活动部分在下板的挤压作用下向侧面滑开，随着金属板料被压薄，板料会流向摩擦阻力最小的方向，所以它向下模活动部分的空隙以及冲头两侧流动，在遇到阻力时会折回形成涡流区。从图中的箭头可以发现变形区域的金属流动很明显，也很充分。

对最大应力单元进行轨迹跟踪，可以了解其在连接过程中的运动规律。由图7可见，最大应力出现在1508单元，位于冲头与上板接触的倒角区域，其网格趋于运动方向明显被拉长变细。由图8 可见，1508单元在0.2s后开始受到冲头轴向压力的作用，应力随时间延长而不断增加，在1.02s左右时达到最大值，此时1508单元刚好位于冲头与上板接触的倒圆角处；冲头继续下移，板料不断发生塑性流动，1508单元从倒圆角处滑向孔壁，上模作用在1508单元上的力由原来的轴向力转变为径向力，所以可以从曲线上看到在1.04s后应力突然减小，随后1508单元的应力在冲头壁和下模活动部分的共同作用下再次增大，直至整个压印连接过程停止。

图7 分体式下莫压抑连接的等效应力云图Fig.7 Von MIses stress of segmented die clinching

图8 1508号单元的Von Mises应力-时间曲线Fig.8 Von MIses stress-time curve of unit 1508

3 试验验证

采用RIVCLINCH 1106P50型压印连接设备进行压印连接试验，上模型号为SR5007，下模型号为SR60314。上、下板料均为2mm 厚的5052铝合金，压印力50kN。压印完成后，沿压印接头对称中心切割得到压印接头截面试样，接头尺寸如图9所示，图中的t1，t2分别为上、下板料的厚度，x 为底部厚度，n为颈部厚度，t为镶嵌量。在显微镜下测得实际截面的尺寸参数，并在软件的模拟结果中标定点之间的距离，测出分体式下模压印过程和整体式下模压印过程模拟结果中的各尺寸参数，见表2。对比试验结果与两种不同下模压印连接的模拟结果的各尺寸参数不难看出，采用分体式下模进行压印连接，其模拟颈厚和镶嵌量更接近试验值，可以获得比整体式下模压印连接更好的接头质量，这同时也验证了模拟结果的正确性。

图9 压印接头的主要尺寸参数Fig.9 Main size parameters of Clinched joint

图10 分体式下模与整体式下模压印连接的模拟结果Fig.10 Simulated results of segmented（a）and integrate（b）dies clinching

表2 压印接头主要尺寸参数的模拟结果与试验结果Tab.2 Simulated and experimental results of main size parameters of clinched joint mm

4 接头的显微组织

由于5052铝合金用化学腐蚀的方法很难显示晶粒组织，所以采用阳极化覆膜处理试样，用微分干涉相衬法（DIC）进行观察。通过微分干涉进行反差增强，可以看到明场下所看不到的许多细节［14］。对压印接头端面试样进行机械抛光、电解抛光以及阳极化覆膜后，采用Axio Imager A2m 型智能显微镜于偏光下进行微观组织观察。电解液为10mL70%（体积分数）的高氯酸与90 mL 无水乙醇的混合溶液，覆膜液为5g氟硼酸与200mL 水的混合溶液；试样作为阳极，阴极为铅块。

图11（a）～（d）分别对应图9 所示压印接头上a，b，c，d四个位置处的显微组织。由图11（a）可见，变形前5052 铝合金呈均匀的等轴晶粒组织；由图11（b）可见，距板料与冲头接触区域稍远处的晶粒还保持着未变形时的形状，越靠近接触区域，晶粒尺寸的纵横比越大，各晶粒沿板料变形的方向定向延伸和扭曲，当变形量很大时，晶界变得模糊不清，由原来的块状晶粒逐渐变成扁平晶粒，最终被拉成条形纤维组织；从11（c）可以看出，板料在冲头的压力作用下随着凹模型腔的形状而发生塑性流动，和分体式下模压印过程中不同时刻金属流向的有限元模拟结果（图6）相近；由图11（d）可见，圆角处内部晶粒结构被细化，且有序排列，其原因就是对于铝合金这样的高层错能材料而言，塑性变形主要是由位错沿着滑移系滑移产生的，处于平衡状态的原子在冲压力作用下，会发生晶格畸变并错动，产生了不可恢复的永久变形。从整个冷挤压过程来看，5052铝合金在塑性变形时，其内部晶粒本身及晶粒之间平滑过渡，从而使得连接处不存在明显的应力集中；同时，晶粒被拉长并细化，出现了加工硬化现象，其结果使得这些部位的强度和硬度有所增加，进而保证了接头具有足够的抗拉强度和疲劳强度。

图11 5052铝合金未变形时以及压印接头不同位置处的显微组织Fig.11 Microstructure of undeformed 5052 aluminum alloy （a）and clinched joint at different positions：（b）at the edge of joint；（c）at the shoulder of lower sheet and（d）at the rounded coner

5 结 论

（1）采用有限元方法模拟了分体式下模压印连接过程，所获得的颈厚和镶嵌量比整体式下模压印连接的更接近试验结果。

（2）分体式下模压印连接能使板料在下模型腔内流动得更充分，形成更好的镶嵌；压印接头区域的组织由原来的块状晶粒变成了纤维状，晶粒被拉长细化。

（3）分体式下模压印连接过程中板料流动的试验结果与模拟结果相吻合。

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