大厚度差及异质板间的平底带孔冲压连接技术研究

摘要

塑性成形连接因具有独特的优势而在近年来广受关注，但对于异质材料以及厚度差较大的板料，现有方法仍存在很大局限。针对异质和大厚度差板料间的连接需要，本文基于冲压变形连接技术提出了一种平底带孔冲压连接方法（ Flat Hole-clinching，FHC）。该方法利用简单模具对上板施加压力，使材料流入下板的预制孔中形成“嵌套”结构，不仅能够满足力学性能与厚度相差较大的板料之间的连接要求，而且在连接处无凸点。以厚度为0.8mm的两层Al6063铝合金板，以及厚度分别为0.8mm、1.0mm的Al6063铝合金板、AZ31镁合金板为对象，利用物理实验、有限元模拟，研究了带倒锥形预制孔的FHC，结合响应面方法（RSA， Response Surface Analysis）方法，分析了材料特性、相对厚度以及模具几何参数对轴向剥离强度的影响。主要结论如下：
　　① FHC可以实现异质材料以及厚度相差较大板料之间的连接，甚至获得比传统冲压连接方式更大的连接强度。FHC成形阶段中上模行程较短，且在轴向分离过程中具有更长的分离距离。
　　② FHC成形过程的下板变形较小。但是随着上板强度的增加，下板倒锥孔的变形程度会有所增加，直至发生塌陷，使得轴向剥离力明显降低；当下板相对厚度增加，连接点材料会内陷形成“空洞”，使得连接强度减小，轴向剥离力呈先升高后降低的变化趋势；当下板厚度大于1.5倍上板厚度时，采用平砧下模很难形成有效的“嵌套”结构，此时可采取带圆形凸台的下模；减小下板的相对厚度，轴向剥离力逐渐降低。
　　③ RSA分析结果表明，各模具几何参数对轴向剥离强度的影响顺序由大到小分别为：下板圆锥孔斜度β、上模直径dp、上模外倾角α、上模圆角半径R。对于0.8mm的Al6063铝合金以及1.0mm的AZ31镁合金板料，当下板倒锥孔小端直径d H?6.6 mm，最优的参数组合为β=25°, dp=5.6 mm,α=3°, R=0.5 mm，此时利用回归方程、有限元模拟以及物理实验得到的轴向剥离力分别为584N，580N，570N。
　　④根据平底带孔冲压连接的结构特点，且成形后连接点颈部厚度值tN≤0.5t1时较容易产生颈部断裂失效，而颈部厚度值tN＞0.5t1时较容易发生整体脱离失效，建立了FHC的参数化设计流程。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 冲压连接技术简介

1.3 新型冲压连接技术

1.4 课题研究内容

2 平底带孔冲压连接成形研究

2.1 平底带孔冲压连接技术特点

2.2 有限元模拟与实验准备

2.3 结果及讨论

2.4 不同板料相对厚度及材料性能的连接对比

2.5 与传统冲压连接的对比

2.6 本章小结

3 轴向剥离强度影响因素的响应面分析

3.1 响应面方法简介

3.2 响应面分析模型

3.3 响应面结果分析及参数优化

3.4 本章小结

4 平底带孔冲压连接的参数化设计

4.1 有限元模拟的失效分析

4.2 主要失效模式

4.3 平底带孔冲压连接的参数化设计

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利和参与的项目