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基于有限元模拟的通讯机箱板冲铆工艺与质量研究

日期：2023-08-15 20:30:56 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：30 评论：0

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1 冲铆工艺有限元建模

1.1 冲铆几何模型建立

某通讯机箱板中某钣金件的铆接点如图1所示，该铆接点的上板材为镀锌板，下板材为铝板，铆钉材料为钢。根据上、下板及铆钉的参数建立有限元模型并设计模具参数。

图1 通讯机箱钣金件铆接点

在冲铆过程中，由于铆钉和板料的受力、变形以及结构都对称，基于Abaqus的建模功能，建立剖面二维轴对称模型后再进行旋转即可得到冲铆模型，如图2所示。图2中h为模具深度，r为凸台底部半径，R为模具零件半径，t为凸台高度，L为铆钉长度。

图2 冲铆几何模型

1.2 材料设置

现主要研究凹模参数对冲铆质量的影响，以凹模参数为变量，其它部件参数不变，其中铆钉长度为6 mm，内径为φ2.68 mm，外径为φ3.90 mm；上板长度和宽度均为20 mm，厚度2 mm；下板长度和宽度均为20 mm，厚度为1.3 mm。

冲铆过程中由于凸模、压边圈和凹模不产生变形，三者产生的影响可以忽略，在有限元建模时可以将其设置为刚体。变形过程中板件和铆钉为弹塑性变形，因此采用JC模型，模型参数设置如表1所示，A、B、n、m为材料物理特性常数。铆钉采用钢（H6），上板采用镀锌钢板（DP780），下板采用铝（AL6061），材料参数如表2所示。

表1 模型参数设置

表2 材料参数

1.3 接触和边界条件设置

实际冲铆过程中各部件之间都有接触，刚开始时凸模向下移动接触铆钉，铆钉顶端截面和凸模接触，然后带动铆钉向下移动，同时由于压边圈的存在，在凸模和铆钉向下移动过程中上板和下板被压紧。铆钉继续向下移动刺穿上板后嵌入下板，最后形成自锁结构。

冲铆时凸模向下（即Y轴方向）移动，凹模固定不动，因此在对凸模、压边圈和凹模进行参数设置时，凸模约束Y轴移动以外所有自由度，凹模约束所有自由度。设置凸模、压边圈和凹模为刚体，给凸模赋予1个向下的位移，具体数值可设置为铆钉的长度，即6 mm。

1.4 网格划分

在冲铆过程中，凸模、凹模和压边圈均为刚体，不需要精细的网格，可使用0.5 mm网格进行划分。铆钉和上、下板是冲铆过程中变形的主要区域，为保证结果准确，该部分网格应较为精细，其中铆钉使用0.12 mm网格划分；上板分为3个区域划分网格，与铆钉接触的圆形区域为主要变形区，使用0.07 mm网格划分，圆形区域附近的方形区域使用0.1 mm网格划分，其余部分变形较少，使用0.18 mm网格划分；下板使用Abaqus软件中的边布种功能，与上板方形区域接触部分使用0.1 mm网格划分，其余部分使用0.4 mm网格划分。网格划分如图3所示。

图3 网格划分

（a）上板网格划分（b）下板网格划分（c）总体网格划分

2 正交试验方案设计

2.1 试验方案

铆接接头截面质量通常用4个参数衡量，分别为底切量Z、底部厚度D、钉头高度H和剩余厚度S，如图4所示。

图4 冲铆截面几何形状评价参数

根据生产经验，选取凹模半径、凸台底部半径、凸台高度、凹模深度4个参数作为影响因子，每个因子选用3个参数设计正交试验方案，如表3所示。然后根据试验方案开展9组铆接试验，根据试验结果分析冲铆成形后铆接接头截面质量。

表3 变量参数试验水平表 ( mm )

2.2 试验结果

冲铆成形后截面几何形状如图5所示，测量正交试验每组底切量Z、底部厚度D、钉头高度H和剩余厚度S，结果如表4所示。

图5 冲铆成形后截面几何形状

表4 正交试验结果 ( mm )

3 铆模参数对接头截面成形质量影响分析

3.1 底切量结果分析

根据试验得到的数据，绘制对应的极差分析表（见表5）和主效应图（见图6），从表5可以看出，凹模半径R的极差K最大，凸台高度t极差K最小，即凹模半径R对底切量的改变最灵敏，凸台高度t对底切量反应最弱。

表5 截面底切量极差分析

图6 底切量主效应图

综合表5和图6可知，凹模半径对底切量变化反应最灵敏，且呈现递减趋势，因此可以通过减小模具零件半径进行优化；凸台底部半径和凹模深度优化时可以在水平区间内取平均值；凸台高度极差影响最小，可以不做考虑。

3.2 底部厚度结果分析

根据试验得到的数据，绘制对应的极差分析表（见表6）和主效应图（见图7），从表6可以看出，凹模半径R的极差K最大，凹模深度h和凸台底部半径r的极差K较小，即凹模半径R对底部厚度的改变最灵敏，凹模深度h和凸台底部半径r对底部厚度反应较弱。

表6 截面底部厚度极差分析

图7 底部厚度主效应图

综合表6和图7可知，凹模半径对底部厚度变化反应最灵敏，且呈现递增趋势，因此可以通过增大凹模半径进行优化。结合变形过程分析，凹模半径越大，板件受模具底部的压力越小，造成底部厚度增加；而当凸台高度和凹模深度增加时，板材受力变大，底部厚度减小；凸台底部半径可取参数平均值进行优化。

3.3 钉头高度结果分析

根据试验得到的数据，绘制对应的极差分析表（见表7）和主效应图（见图8），从表7可以看出，所有因素的极差K都接近于零。综合表7和图8可知，各个因素对钉头高度影响可忽略不计，因此优化时可以不考虑凹模参数对钉头高度的影响。

表7 截面钉头高度极差分析

图8 钉头高度主效应图

3.4 剩余厚度结果分析

根据试验得到的数据，绘制对应的极差分析表（见表8）和主效应图（见图9），从表8可以看出，凹模半径R和凸台底部半径r的极差K最大，模具深度h和凸台高度t极差较小，即凹模半径R和凸台底部半径r对剩余厚度改变最灵敏，凹模深度h和凸台高度t对剩余厚度反应最弱。

表8 截面剩余厚度极差分析

图9 剩余厚度主效应图

综合表8和图9可知，剩余厚度随凸台底部半径r增加呈现先增后减趋势，随凹模半径R呈现先减后增。结合仿真可知，当凸台底部半径r较大时，铆钉腿部和模具之间的挤压力变大，使下板压力增加，厚度减小；当凹模半径R较大时，铆钉腿部弯曲程度变大，使下板压力减小，厚度增加；凹模深度h和凸台高度t变化趋势近似，两者增加时，板材受力变大，剩余厚度减小。

根据上述结论生产的零件实物如图10所示。

图10 通讯机箱某钣金部件

▍原文作者：杨家栋黄珍媛

▍作者单位：华南理工大学机械与汽车工程学院

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