Automobile Technology & Material
半空心自冲铆接模具工艺参数优化研究
230009） （合肥工业大学 汽车与交通工程学院，合肥
Q235 5182
摘要：以 低碳钢和 铝合金为研究对象，采用有限元方法对自冲铆接工艺过程和接头拉伸剪切过程进行数值模拟，并与试验结果进行对比分析，模拟结果和试验结果吻合较好。在数值模拟的基础上，通过正交试验设计的方法研究了模具工艺参数对钢-铝异种金属自冲铆接接
1.5 mm Q235+
头几何参数和剪切强度的影响规律，分析了影响接头铆接质量的关键因素以及在
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板材组合下模具的最优工艺参数组合，为半空心自冲铆接模具优化设计提供有益的参考。
关键词：自冲铆接 数值模拟 模具工艺参数 铆接质量 正交试验设计中图分类号：U466 文献标识码：A Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190049
1 前言
使用高强度钢板代替普通钢板是汽车轻量化设计的一个重要手段。然而，单纯采用高强度钢进行车身轻量化的空间已十分有限，随着新材料的不断发展，多材料结构设计已成为今后汽车车
[1]。多材料结构设计为汽车
身轻量化设计的趋势轻量化提供了更多的选择，同时也对车身制造技术尤其是连接技术提出了新的挑战。目前，采用半空心铆钉的自冲铆接已经成为钢铝混合车身及
全铝车身装配时采用的主要的连接工艺[2]
。半空心自冲铆接的铆接质量与众多因素有关，
[3]。
如铆钉尺寸、模具尺寸、冲头压力、铆接速度等目前关于模具工艺参数变化对铆接质量影响的研究主要集中于一到两个参数，刘秀全、黄志超等研
[4,5]，万
究了凸台高度对铆接接头自锁性能的影响淑敏、金鑫等研究了凸台高度和模腔深度对铆接
质量的影响[6,7]
。
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对 低碳钢和 铝合金板材组合的自冲铆接及拉伸剪切过程进行了数值模拟，并与试验结果进行对比。在数值模拟的基础上，通过正
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交试验，设计 组不同尺寸参数的模具，研究凸台
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角度、凸台高度、模腔直径、模腔深度 个工艺参数对半空心自冲铆接质量的影响规律，为模具优化设计提供有益参考。
2 铆接质量评价方法
自冲铆接也叫自穿刺铆接，是一种使用实心或半空心铆钉连接两层或多层板材的冷成形连接
工艺[8]。半空心自冲铆接工艺过程可分为压紧、剪
4 1
个阶段[9]，如图
切、展开、回程 所示。
自冲铆接质量可以通过准静态强度试验和接
[10]。研究表明自冲
头几何参数两种方法进行评价铆接接头十字拉伸强度和对接剥离强度与搭边剪
切强度成一定正比关系[11]，因此主要研究接头剪切
强度。而接头几何参数包括底切量、底部厚度和
2
剩余厚度，如图 所示。其中，U为底切量，B为底
部厚度，R为剩余厚度。底切量越大，说明铆钉与
[12]，同
下层板所形成的自锁程度越大，接头越可靠时接头底部厚度和剩余厚度不宜过小，否则容易
导致下层材料铆穿或脱落[7]
。
3.1 自冲铆接
自冲铆接属于典型的金属塑性成形过程，具有大位移、大变形的特点，在求解过程中板材和铆钉均发生较大的塑性变形，为了避免在计算中因材料变形过大而产生网格严重畸变影响计算效率
LS-DYNA R-adaptive
和精度，借助 的 自适应网格方法对变形较大的网格进行自适应细分来提高模型的仿真精度。
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针对实际工艺中 低碳钢和
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铝合金板两种材料自冲铆接过程进行数值模拟。模型由冲头、铆钉、压边圈、上下板料和凹模六部分组成，因为模型为轴对称，取模型一半进行分
3 1，其中，铆钉和
析，如图 所示。材料力学参数如表LS- DYNA
上 下 板 料 为 塑 性 体 ，选 择 中的
MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY
材料属
0.1 mm，其余部件视作刚形体，选
性，网格尺寸设为
MAT_RIGID 0.4
择 材料属性。冲头网格尺寸设为
mm，压边圈和凹模网格尺寸设为0.2 mm。采用CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 定义各接触面之间的接触特性，通过库伦摩擦模型描
0.2。整
述各接触面之间的摩擦特性，摩擦系数设为
6.0 mm，铆接时间0.01 s。
个过程冲头的位移量为4
铆接过程中铆钉和板料的塑性变形情况如图
所示（h
为冲头行程），可以看出仿真模型能很好的模拟出自冲铆接各个阶段铆钉和板料的变形情况；
5为数值模拟和试验结果载荷-行程曲线，可以看图出仿真曲线在整个自冲铆接过程均能较好的与试验曲线相吻合，证明了模型的有效性。
3.2 拉伸剪切
自冲铆接接头存在两种不同的失效模式，即铆钉脱出失效和母材失效。铆钉脱出失效是指铆钉在拉剪力的作用下从接头处完全被拉出，造成接头失效；母材失效是指在拉剪力的作用下，铆钉仍嵌在接头处，而铆钉所接触的母材因为发生较
[13]。自冲铆接接头
大的塑性变形而造成接头失效
Abaqus/explicit
的拉伸剪切过程采用 进行数值模拟。由于在自冲铆接接头拉伸剪切过程中，材料发生变形的能量来自于外加载荷，而能量的传递和消耗是靠材料间的接触和摩擦完成的，因此为了简化模型，模拟过程只考虑外界施加的载荷、材料间的接触情况和摩擦因素，不考虑接头成形时产生的预紧力等因素的影响。
按照自冲铆接完成后的接头横截面形状，建立自冲铆接接头有限元模型，模型的几何尺寸如
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图 所示。考虑到模型沿板料轴向方向对称，故取二分之一模型进行计算。模型由上层板料、下层
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板料和铆钉三部分组成，接触类型使用接触关系中的通用接触；设定钢-钢之间的摩擦系
0.15，钢-铝之间的摩擦系数为0.17[14]；边界条
数为
0.05 mm/s，
件的设置与拉伸试验一致，拉伸速度为
4mm。
拉伸距离为通过数值模拟分析可以得到自冲铆接接头的- 7 8失效形式和载荷 位移曲线分别如图 和图 所
4 模具工艺参数优化4.1 模具工艺参数
铆钉选择的主要依据是待铆接板料的厚度，本
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文选用 低碳钢和 铝合金
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板材的铆接组合，参考文献 提出的方法，选用腿
5.3 mm，长度为6mm
部直径 的半空心自冲铆钉。模具设计的关键是模腔设计。模腔主要由内9壁、中间凸台和下底组成，模腔尺寸如图 所示。