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作者：Marc Reinstellel, Reinhard Mauermann 来源：德国BLECH InForm 杂志
内容提要：十多年以来，诸如咬口连接和冲铆这样的成形连接工艺已是有限元计算的应用对象。目前，例如开发半空心冲铆连接的新的、复杂的几何形状，或者在需要进一步开发如像咬口铆接的连接工艺，以至于可以同粘结工艺进行组合，对于这些技术的发展，有限元是作出了相当的贡献。
二十多年以来，车身已是广泛采用数字技术进行设计了。模拟的目的旨在掌握加工过程和在不同类型负载的情况下识别应变时的薄弱环节。在制造单个构件时，就其加工过程来说，成形过程长期受到了重视。当今，应用于板料成形的诸如Autoform和Pam Stamp有限元软件是不可缺少的，以便在对拉深模进行昂贵的试验之前，就能对新结构作出可行性评估，例如可能出现的收缩和起皱。十多年以来，诸如咬口连接和冲铆这样的成形连接工艺已是有限元计算的应用对象。通过正要处理的三坐标应变状态和变形状态，可以把成形连接工艺列入实心成形工艺。所采用的如像 Superform和Deform有限元软件，除了用弹性力学理论来描述材料的特性外，并常常用来描述如像温度影响和组织结构转变等其他物理效应，并广泛应用于挤压工艺。就在世纪交替后，成形连接技术在虚拟技术的基础上取得重要进展。然而，特别是当基于通过实验来进行工艺开发是很费钱——例如一个新的半空冲铆几何构形的开发，就转向采用有限元工具。这种趋向将以较强的势头继续下去，并强烈地激发着开发活力。
冲铆模具的几何形状影响到构件的功能
下面的三个实例表明，在不利用有限元的情况下，要解决问题或许是非常费时和费钱的。冲铆模的几何形状对连接的质量有很大的影响，并由此影响到构件的功能。例如，宝马集团的汽车制造厂（www.bmw.de）,对铆接的几何形状是有明确规定的，而规定冲铆刃边这样的几何形状是比较困难的，因为在冲铆时，生产技术上不可避免会出现尺寸公差。因此，就存在需要研讨的问题，这样的公差是否会影响到连接的质量，例如影响到铆接时的侧凹或侧凹的高度。
在进行实际研究时不可能只是影响一种参数，因为，改变一种参数会导致其他参数的变化。所以，例如具有不同刃边和相同硬度的两种铆钉是很难制造出来的。在这里，而对于模拟技术就有明显的优点，要解决这种问题不存在什么困难，因为人们可以精确地调节所选择的参数。根据计算可以分析整个成形连接过程和弄清楚在较小铆钉刃尖半径情况下材料早期的机械分离过程。所计算得到的连接结构能很好地反映（描绘）出通过试验所得到的结果。在这个基础上就可以通过数字仿真，明显以较快的速度来识别参数间的关系，不会出现在试验室里由工艺过程产生的公差问题，并拟订出预标准。
在脆性零件中的应力只能通过有限元来分析
众所周知，生产技术上可以实现的刃边几何形状同理想的半径是有偏差的。对于一个半空心铆接的多级成形来说，模具影响到在铆钉底部上工件材料的自由流动。因此，重视多级冲击、铆接和连接负荷这样的整个工艺过程是有意义的。因为，在冲击之后进行的热处理会大大地改变内应力和冷作硬化状态。所以，生产和铆接这道工序可分开进行。当要达到设定的工况时，除了要考虑几何形状外，还必须要考虑内应力和冷作硬化状态，以便可以例如以3D模型预报剪切情况，这样也就可以直接预报强度特征值和刚度特征值。
对于半空心冲铆，凹模的几何形状是一系列几何形状参数的合成体。在加工诸如铝合金压铸件或镁这样的脆性材料时，一个重要的方面是拉应力，这个拉应力在连接过程中是在凹模的作用下在板件毛坯表面上由于局部的蠕变而产生的。
要求造成较小的裂纹（例如基于较小的凹模深度）和较好的成形铆钉连接（例如基于较深的凹模深度）常常是截然不同的要求。
在连接过程中，掌控出现在脆性材料中的应力只能通过有限元工具方可实现。采用支撑铆钉主销的凹模底部拱顶，以便为进行不同的连接任务而简化几何形状和以便多次利用凹模。因此，为进行研究，这里仅仅采用了平顶的顶模。为了对模拟的结果进行检验，往往需要通过试验的结果来进行比较。其它的诸如铆钉材料和板料坯件的应力—应变曲线这种边缘条件是前提条件。利用数字仿真就可以通过改变凹模几何形状参数来达到最低程度地减小局部拉应力的目标。在这方面得到优化的凹模已在新的宝马X5上获得采用。凹模的直径、深度和凹底半径要相应适配，以便最大程度地减小铆钉底部和铸件中应力。
咬口铆接工艺可以同粘结工艺很好地进行复合
在进行冲铆粘结时，由于尚未硬化的粘结剂的吸入效应会形成气隙，这种气隙在今后构件的使用中可能产生腐蚀问题。因此，封接是必要的。这是开发新的咬口铆接的主要原因。在通过多次试验测试的过程中，利用系统的构成连接的数字图象与铆钉几何形状参数的关系可导致一个连接的多方面优化。例如对铆钉刃边的尖角半径的优化。这样，获得一个随着铆钉刃边尖角半径的增大而咬口铆接成形侧凹不断减小之间的密切关系。因此，要通过铆钉的适配，来达到平底厚度和侧凹的最佳值。
与半空心冲铆相比较，咬口铆接技术有下列优点：同粘结剂有较好的联合使用性（可避免产生典型的气隙，较好的排挤效果）；平砧台作为顶模与成形凹模相比具有低价格的优势；没有同轴度要求（对于具有较大悬伸距离的弓形连接钳，这是重要的要求）；有很好的周期性负载强度，不发生调整费用；最低程度的模具磨损；较高的过程可靠性；简单的清理和涂装；较小的设备作业高度（在进行连接作业时能便于接近设备和在完备的结构中设备排列距离较窄小）以及脆性材料的无裂纹加工。与半空心冲铆相比，应注意下列限制：
◆ 较小的工艺范围（对于厚度较薄和相同厚度的板料，厚度的成对匹配受到限制）
◆ 较高的连接力和较小的铆钉头抗拉强度
◆ 对于脆性材料需要较大的边缘距离
作为结论可以认为，在检验成形的连接工艺时，成形连接过程的数字描述是用来进行有效分析和优化的重要工具。尤其是对于耗费很大的连接工艺是有利的，例如对于开发新的铆钉几何形状。其它可能的应用是验证连接工艺过程中的关键性参数并由此可以进行可靠的超灵敏度分析。
目前，在仿真中还没有考虑粘接剂的影响。在这方面，还有待进行研究。 (end)
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