鉚點(diǎn)工藝過(guò)程保持力仿真與驗(yàn)證分析

0引言

工藝是利用各種生產(chǎn)工具對(duì)原材料或半成品按照設(shè)計(jì)預(yù)期的產(chǎn)品進(jìn)行加工及處理的方法和過(guò)程。工藝直接關(guān)系到產(chǎn)品的制造方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)路線確立、原材料的選擇、生產(chǎn)裝備的配置、產(chǎn)品的檢測(cè)、包裝、運(yùn)輸?shù)榷囗?xiàng)環(huán)節(jié),是建立生產(chǎn)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

組成機(jī)器的零件要能最經(jīng)濟(jì)地制造和裝配,應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。機(jī)器的成本主要取決于材料和制造費(fèi)用,因此工藝性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。通常應(yīng)考慮采用方便制造、便于裝配和拆卸的結(jié)構(gòu),零件形狀簡(jiǎn)單合理,易于維護(hù)和修理,并合理選用毛坯類型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)力求使設(shè)計(jì)的零部件制造加工方便,材料損耗少,效率高,生產(chǎn)成本低,符合質(zhì)量要求。在零件的形狀變化不影響其使用性能的條件下,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用最容易加工的形狀^[1]。

有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,是將連續(xù)體簡(jiǎn)化為有限個(gè)單元組成的離散化模型,再對(duì)這一模型進(jìn)行數(shù)值求解的一種實(shí)用有效方法。其假想地把任意形狀的連續(xù)體或結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)方位不同但形狀相似的小塊(即單元),各單元之間僅在有限個(gè)指定點(diǎn)(即節(jié)點(diǎn))處相互連接,并將承受的各種外載荷按某種規(guī)則移植成作用于節(jié)點(diǎn)處的等效力,邊界約束也簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)約束,從而轉(zhuǎn)換為一個(gè)由有限個(gè)具有一定形狀規(guī)則的、僅在節(jié)點(diǎn)處相連接、承受外載和約束的單元組合體;然后按分塊近似的思想,用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)近似表示每個(gè)單元位移分量的分布規(guī)律,并按彈塑性理論建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系;再將所有單元的這種特性關(guān)系集合起來(lái),得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組;最后求出原有物體有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處位移的近似值及其他物體參數(shù)狀^[2]。

鉚點(diǎn)工藝在基礎(chǔ)生產(chǎn)制造中使用廣泛,主要是通過(guò)硬度高的基材與硬度低的基材擠壓,將硬度低的基材擠壓形成規(guī)則的形狀,不受溫度、濕度等操作條件限制。

為使得該工藝方式能大范圍推廣及可靠使用,通過(guò)選取某款產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立仿真模型,計(jì)算倒刺擠壓、頂針產(chǎn)生的凸點(diǎn)與外殼的保持力。進(jìn)一步通過(guò)向基座施加垂直壓力,將基座出現(xiàn)松脫情況下的最大保持力通過(guò)仿真模型計(jì)算出來(lái)。通過(guò)該方式的驗(yàn)證與總結(jié),固化鉚點(diǎn)工藝過(guò)程產(chǎn)生的力的效果,保證產(chǎn)品的工藝過(guò)程,完善工藝參數(shù)及工藝工程數(shù)字化的過(guò)程。

1仿真與數(shù)據(jù)分析

為使得驗(yàn)證充分及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)有據(jù)可尋,需通過(guò)建立數(shù)字模型模擬零件結(jié)構(gòu),按照實(shí)際零件結(jié)構(gòu)組裝效果反推零件尺寸的合理性;通過(guò)驗(yàn)證裝配過(guò)程的力學(xué)狀態(tài),分析與討論工藝參數(shù)的合理性。

仿真模型的建立,需從零件材料的屬性、零件的結(jié)構(gòu)及其尺寸、零件裝配工藝工程及其動(dòng)作多個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。首先需篩選出與產(chǎn)品使用環(huán)境匹配的零件基材,再使用三維制圖軟件建立零件的三維模型,后將三維模型導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,通過(guò)動(dòng)態(tài)分析與力學(xué)的參數(shù)驗(yàn)算,來(lái)確定最終工藝參數(shù)的可靠性。

1.1 材料屬性

零件選取以下兩款材料作為本次驗(yàn)證的主要材料:

1)外殼:鋁及鋁合金軋制板材。材料牌號(hào)6061, GB/T 3190—2008,狀態(tài)T6,密度2 700 kg/m³,楊氏模量69 Gpa,屈服強(qiáng)度275 MPa,抗拉強(qiáng)度320 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率12%,線膨脹系數(shù)23.2×10^-6/℃ ^[3];

2)基座:PEEK。材料牌號(hào)450GL03,LGJX—2008-17,密度 1510kg/m³ ,楊氏模量 12GPa,屈服強(qiáng)度

165 MPa,抗拉強(qiáng)度190 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率2.5%,線膨脹系數(shù)18×10^-6/℃ ^[4]。

1.2 建立三維模型

外殼尺寸:壁厚0.7mm,內(nèi)槽長(zhǎng)9.2mm,寬7.2mm,零件總厚度5 mm,孔直徑φ0.8 mm,孔深0.5mm,孔底厚度0.2 mm。

基座尺寸:外邊長(zhǎng)9.2mm,寬7.2mm,倒刺長(zhǎng)3.2 mm,寬1.5 mm,厚度0.08 mm;零件總厚度2.5 mm,基座側(cè)壁孔直徑φ0.5 mm,孔深0.12 mm,如圖1所示。

1.3模型仿真與分析

將上述零件轉(zhuǎn)換為三維模型導(dǎo)入仿真軟件,零件的過(guò)盈保持力主要來(lái)源于兩個(gè)方面:一是基座倒刺與外殼之間形成擠壓致使兩種基材之間產(chǎn)生摩擦力;二是通過(guò)工裝在外殼孔內(nèi)擠壓變形形成凸點(diǎn),凸點(diǎn)進(jìn)入到基座孔內(nèi),外殼凸點(diǎn)與基座孔形成咬合接觸。向基座施加垂直壓力,此時(shí)基座如需產(chǎn)生位移,不僅需克服摩擦力,還需克服外殼凸點(diǎn)從基座孔內(nèi)脫出的基座變形力。能使基座產(chǎn)生位移的力即為兩種結(jié)構(gòu)保持產(chǎn)品穩(wěn)定的保持力^[2]。

由于兩種結(jié)構(gòu)存在差異,并考慮工藝裝配的流程順序,將仿真過(guò)程拆分為零件擠壓過(guò)盈力學(xué)仿真、外殼凸點(diǎn)產(chǎn)生保持力的力學(xué)仿真兩方面進(jìn)行論證。

當(dāng)前材料屬性設(shè)置為外殼壁厚0.7 mm,基座孔底厚度0.2 mm,材料按鋁及鋁合金軋制板材選取;材料牌號(hào)6061,狀態(tài)T6?；牧?PEEK,牌號(hào)450GL03,材料標(biāo)準(zhǔn)使用LGJX—2008-17。

1.3.1倒刺模型仿真與分析

為提高仿真精度和計(jì)算速度,選取模型1/4進(jìn)行仿真,并對(duì)選取模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除對(duì)力學(xué)無(wú)影響的通孔和倒角,大幅減少網(wǎng)格數(shù)量,提高網(wǎng)格質(zhì)量,進(jìn)而提升仿真精度和計(jì)算速度。為保證仿真精度,外殼應(yīng)有兩層及以上網(wǎng)格,并對(duì)變形較大的倒刺區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密,進(jìn)一步提升仿真的精度,同時(shí)提高計(jì)算收斂性。仿真模型設(shè)置如圖2所示,固定外殼底面,加載兩個(gè)載荷步。

第1步:對(duì)基座施加位移載荷,基座克服外殼之間過(guò)盈,基座完整組裝到外殼框內(nèi);

第2步:在基座上施加位移載荷,基座克服與外殼之間摩擦力,使基座產(chǎn)生位移。

通過(guò)圖3可知,基座克服基材尺寸過(guò)盈產(chǎn)生的裝配力約為11.4 N,拔出力最大值約為9.6 N。由于仿真選取的是1/4模型,因此倒刺總保持力估算約為F₁=9.6×4=38.4 N。

1.3.2 凸點(diǎn)模型仿真與分析

為提高仿真精度和計(jì)算速度,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除對(duì)力學(xué)無(wú)影響的通孔、倒角及工裝,將基座與外殼之間形成的過(guò)盈尺寸更改為間隙,單獨(dú)計(jì)算凸點(diǎn)形成的基座保持力。

凸點(diǎn)使用錐形結(jié)構(gòu),端點(diǎn)結(jié)構(gòu)使用0.5 mm直徑圓臺(tái)與外殼孔底接觸,如圖4所示。錐度打點(diǎn)頂針材料為硬度更高的鎢鋼(硬度:HRA82.0~93.6),相比于鋁合金材質(zhì)(硬度:HB90~95)的硬度,可認(rèn)為頂針在此打點(diǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的變形因素可以排除。

仿真條件設(shè)置如圖5所示,固定外殼底面,加載四個(gè)載荷步。

第1步:對(duì)頂針施加位移載荷,使頂針與圓孔接觸;

第2步:對(duì)頂針設(shè)定行程進(jìn)行擠壓,使外殼內(nèi)部產(chǎn)生凸點(diǎn);

第3步:撤回頂針工具;

第4步:對(duì)基座施加垂直方向位移,計(jì)算基座在克服凸點(diǎn)產(chǎn)生位移的最大保持力。

從鉚點(diǎn)頂針與外殼接觸開始算起,設(shè)置0~0.16mm 擠壓行程,即頂針在外殼上擠壓使外殼鉚點(diǎn)形成凸點(diǎn)。分別記錄不同行程下凸點(diǎn)高度及可產(chǎn)生的保持力大小,通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系建立凸點(diǎn)高度與其提供的保持力范圍分布曲線。

由圖6可知,凸點(diǎn)高度與擠壓行程在0~0.16 mm 區(qū)間呈線性分布,保持力在0.12 mm后出現(xiàn)突增,在擠壓行程0.14 mm后上升出現(xiàn)遲緩。根據(jù)上述結(jié)果分析,由擠壓行程達(dá)到0.14 mm后保持力出現(xiàn)極限且增長(zhǎng)的狀態(tài)判斷,在0.14 mm后外殼凸點(diǎn)頂端壁出現(xiàn)破裂,導(dǎo)致凸點(diǎn)繼續(xù)增高但保持力無(wú)法繼續(xù)增加。

當(dāng)前結(jié)果顯示擠壓行程設(shè)置在0.10~0.14 mm區(qū)間最為合適。

2 工裝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 工裝設(shè)計(jì)

工裝設(shè)計(jì)主要通過(guò)SMC型手指氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn),將產(chǎn)品通過(guò)外框定位,蓋板上使用快速軸夾實(shí)現(xiàn)快速加持與固定;將4個(gè)銷釘通過(guò)滑塊固定,手指氣缸帶動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)往復(fù);當(dāng)氣缸收縮,帶動(dòng)銷釘對(duì)零件外殼4點(diǎn)同時(shí)鉚壓打點(diǎn)。通過(guò)限定SMC型手指氣缸的行程控制凸點(diǎn)的大小與高度。工裝設(shè)計(jì)模型如圖7所示。

2.2零件鉚點(diǎn)與保持力的測(cè)量分析

2.2.1零件鉚點(diǎn)與保持力的測(cè)量

GJB 9001中明確提出了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)策劃必須考慮和滿足的要求,該單獨(dú)連接器需考慮環(huán)境適應(yīng)性、可靠性,即該產(chǎn)品在25~260℃回流焊接高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。

加工與組裝調(diào)試上述工裝,通過(guò)設(shè)置不同區(qū)間擠壓行程(0.02~0.16 mm)的距離,測(cè)量凸點(diǎn)產(chǎn)生的高度,并通過(guò)零件組裝產(chǎn)品進(jìn)行打點(diǎn),如圖8所示。將鉚完凸點(diǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)回流焊模擬產(chǎn)品裝配及使用環(huán)境,待冷卻后測(cè)試不同行程擠壓下所呈現(xiàn)的保持力的范圍,進(jìn)行匯總分析。

2.2.2仿真與實(shí)際驗(yàn)證對(duì)比分析

將上述倒刺與基座的保持力匯總,計(jì)算出整體基座與外殼之間的保持力,同時(shí)對(duì)測(cè)試值進(jìn)行匯總分析。

由圖9可知,為使鉚點(diǎn)以及倒刺可提供的最小保持力達(dá)到120 N以上,且在保證不損傷零件的狀態(tài)下,鉚點(diǎn)高度尺寸應(yīng)控制在0.11~0.14 mm。所以,鉚點(diǎn)頂針行程范圍設(shè)置為0.11~0.14 mm。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)產(chǎn)品需要回流焊或遇到極限環(huán)境時(shí),溫度變化區(qū)間過(guò)大或瞬間的溫度沖擊會(huì)導(dǎo)致基座塑性變形,最終導(dǎo)致過(guò)盈點(diǎn)失效。為進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)鉚點(diǎn)方式增加凸點(diǎn)結(jié)構(gòu),在原來(lái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加二次保障,可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)常隨安裝條件及使用環(huán)境發(fā)生變化,且會(huì)因使用材料屬性的不同而有各種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。鉚點(diǎn)工藝過(guò)程保持力仿真與驗(yàn)證分析,提供了可以加強(qiáng)產(chǎn)品穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式,使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上更加可靠。

[參考文獻(xiàn)]

[1]潘承怡,向敬忠.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧與禁忌[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[2]王賢民,霍仕武.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:北京大學(xué)出版社, 2012.

[3]鋁及鋁合金擠壓棒材:GB/T 3191—2019[S].

[4] PEEK系列工程塑料擠出型材:Q/320412JH004—2019[S].

2024年第11期第19篇