1、英語專業課外文翻譯專業： 學號： 姓名： 成績： 導師簽名： 鋁合金與高強度鋼板料機械連接工藝的參數研究Chan-Joo Lee1,Jae-Young Kim1,Sang-Kon Lee2,Dae-Cheol Ko3and Byung-Min Kin1,* 1School of Mechanical Engineering, Pusan National University, Pusan, 609-735, Korea 2PNU-IFAM JRC, Pusan National University, Pusan, 609-735, Korea 3ILIC, Pusan National U

2、niversity, Pusan, 609-735, Korea 摘要本研究的目的是為了探討機械連接工藝中工藝參數對先進高強度鋼DP780與鋁合金Al5052板料連接接頭處的性能影響。由于先進高強度鋼與鋁合金之間的塑性差異，往往會在接頭處出現上板料縮頸、下板料裂紋已經不能形成自鎖等缺陷。本文中，我們利用有限元分析來探討連接參數對剛強度鋼與鋁合金Al5052機械連接接頭的性能影響。從結果可以得到，高強度鋼與鋁合金Al5052連接性能主要受凹模直徑、凹模深度以凹模溝槽深度的影響。在有限元分析一樣的條件下，我們進行H型拉伸試驗，此外，自鎖長度與頸厚值也會影響接頭強度。關鍵詞：機械連接工藝；頸厚值；自

3、鎖長度；連接性能；接頭強度1. 介紹在汽車工業中，在汽車生產過程中，將如鋁合金的輕質材料與高強度鋼用于復合材料車身設計。由于不同的熔點和熱塑性，不能用電阻電焊將這些材料連接起來以用于汽車車身。因此，應該采用另外一種方法來合成復合材料車身。機械連接工藝使連接材料在凹模中發生塑性變形而形成接頭，因而可以作為一種選擇連接方法2,3。J.Varis3比較了這種連接技術與添加了一種元素例如鉚接的機械連接技術的連接成本。如果工具使用壽命得到保證，連接接頭會比外加一個連接元素的接頭更便宜。盡管機械連接具有較低的成本，但是由于高強度鋼的低塑性，鋁合金與高強度鋼的連接范圍比較窄。應該要在機械連接成形過程中通過連

4、接不同沒有缺陷的板料來優化工藝條件。在機械連接過程中，兩板料的局部塑性變形是由連接工具造成的。如圖1所示，上板料的變形模式與前剪切過程相似。上板料一般會出現縮頸，由于切向拉應力的緣故，下板料將會填入凹模溝槽里。其引起的裂縫也會首先出現在下板料上。上下板料之間的自鎖值決定了接頭的連接強度。圖1.機械連接過程中的上下板材的塑性變形 設計連接工藝應該避免在成型過程中出現譬如縮頸、裂縫和未自鎖等缺陷。特別是在高強度鋼成形過程中，因其低塑性，會出現缺陷。根據K.Mori4的研究，與下板料是高強度鋼的機械連接相比，上板料是高強度鋼的機械連接的接頭的范圍與強度會更小。因此，本文中的連接工程中，我們只考慮下板

5、料為高強度鋼。 (a)上板料縮頸 (b)下板料裂縫圖2.高強度鋼在機械連接過程不同位置產生的缺陷本文中，利用有限元分析來探討鋁合金Al5052和先進高強度鋼DP780機械連接過程中工藝參數對兩板材之間的自鎖的影響。基于有限元分析結果，我們修改工藝條件以提高機械連接的連接性能。通過測量最大載荷下自鎖長度值來評估連接性能，通過H型拉伸試驗來評估接頭強度。 2.實驗步驟2.1 連接過程的有限元分析 通過商業有限元分析軟件DEFORM 2D來分析工藝參數對DP780和Al5052連接接頭性能的影響。如圖3所示，本文中，我們考慮沖頭半徑（Rp）和凹模半徑（Rd），凹模深度（H），間隙（C）以及凹槽形狀（

6、G）為工藝參數。表1所示為有限元分析條件和板材的機械性能。工具之間以及兩板材之間的摩擦因素分別設為0.2和0.35。 表1.有限元分析條件和材料機械性能 參數 值 沖頭半徑，Rp 4.8,5.0,5.2,6.0,7.0(mm) 凹模半徑，Rd 8.0,9.0,10.0(mm) 凹模深度，H 1.0,1.2,1.4,1.6,1.8(mm) Al5052 DP 780圖3.機械連接工藝的原理示意圖 一般情況下，機械連接的失效形式分為兩類，界面失效和底部失效。界面失效是由于上板料頸厚值不夠引起的失效，而底部失效主要是上下板材在自鎖部分的分離而引起的失效。以最大載荷下的自鎖長度（U）與上板材頸厚值（N

7、）來評估。為了防止沖頭失效，用許用沖頭應力來限制沖頭的沖擊。平均沖頭應力（p）可由以下計算公式得到： p=P/A (1)此處的P和A分別表示沖頭載荷和沖頭面積。本文中，許用沖頭應力為3GPa。因為小半徑沖頭在開始階段的鐓粗壓力比大半徑沖頭的壓力小些，所以小半徑沖頭具有較大的沖擊范圍。 為了驗證有限元分析的結果，我們進行了機械連接試驗。下板材采用DP780高強度鋼，上板材采用Al5052鋁合金。所有的連接試驗都是在需用沖頭應力和100kN壓力機的情況下進行的，如圖5所示。將試驗所得橫截面形狀與有限元分析的相比較。為了驗證試驗得到的接頭的可靠性我們進行了失效測試。本文中，采用H型拉伸試驗來評估連接

8、接頭的強度。圖4所示為H型拉伸試驗樣品的尺寸以及試驗中的失效形式。拉伸試驗采用50kN的設備。樣品用液壓設備夾緊。試驗中上板材指向軸向方向，而下板材固定向下方向。（a）H型測試工具以及樣品尺寸（b）機械連接接頭的典型失效形式圖4.拉伸試驗樣品尺寸以及拉伸失效形式圖5.試驗所用的工具3. 連接工藝的參數研究3.1間隙（C）的影響為了評估接頭處凹凸模之間間隙的影響，將間隙從1.4mm增至1.6mm然后進行有限元分析。如圖6所示，其自鎖長度和頸厚值隨著間隙的增加而增加，但是當Rd=8.0mm時，沖頭與凹模間隙處形成的接頭的頸厚值減小。間隙的增加意味著有足夠的空間使上板料進入凹模溝槽，同時下板料也會被

9、上板料擠入凹模側面。3.2凹模深度（H）與凹模半徑（Rd）的影響在相同的間隙為1.5mm的情況下，凹模深度由1.2mm增至1.6mm，凹模半徑由8.0mm增至10.0mm，利用有限元分析來探討頸厚值和自鎖長度的變化。如圖7所示，當Rd=10.0mm時，隨著凹模深度增加，頸厚值增加，但是當Rd=8.0mm時，隨著凹模深度增加，頸厚值反而減小。凹模深度H的增加意味這沖頭行程的增加，也會導致上板材頸部材料的大量削減。如果Rd增加，凹模就有足夠的空間使下板材貼住凹模壁。自鎖長度隨著凹模深度H的增加而增加。盡管自鎖長度增加，隨著下板料在凹模溝槽中的堆積會使徑向應力增加，所造成的損害也會增加，導致下板料出

10、現裂縫，如圖2(b)所示。損害的分布可由Cockcroft和Latham公式計算出，如圖8所示。在Rd=8mm，H=1.6mm時，損傷為0.795，但在Rd=10mm時，損傷減至0.524。隨著Rd的增加，其徑向應力減小。圖6.隨著間隙（C）的增加頸厚值和自鎖長度的變化圖7.隨著凹模深度（）和凹模半徑（Rd）的增加頸厚值與自鎖長度的變化圖8.不同的凹模深度（H）和凹模半徑（Rd）下板料的損傷分布3.3溝槽形狀（G）和凹模半徑（Rd）的影響溝槽形狀是連接工藝中的主要因素之一。本文中是以溝槽深度和錐角來定義溝槽形狀。如圖9所示為隨著溝槽形狀的不同頸厚值和自鎖長度的變化。在較大的Rd情況下，溝槽越平

11、坦，頸厚值和自鎖長度越小。盡管平坦的溝槽可以減少溝槽中材料堆積帶來的損害，但也會導致上下板材的后擠出。因為凹模體積較小，很快會被下板料填滿，如圖（C）所示。圖9.隨著溝槽形狀(G)和凹模半徑(Rd)的變化頸厚值和自鎖長度的不同圖10.試驗中不同凹模深度(H )和凹模半徑(Rd)所對應的及乳頭橫截面4. 結果和討論4.1連接試驗有限元分析和試驗所得的接頭橫截面形狀的比較如圖8所示。試驗所得的接頭的橫截面與有限元分析的結果具有相似的形狀和變形方式。如圖8(a)所示，當Rd=8mm，H=1.6mm時，裂縫開始在下板料上出現，然后上板料穿透過下板料。Rd增加時，H會變小以阻止下板料中的裂縫的產生。在R

12、d=9.0,10.0mm，H=1.4mm，下板料就不會產生裂縫了，如圖8(b)和8(c)所示。然而，當Rd=9.0mm時，下板料會向后擠出，使上下板材的結合處分離。如果上下板材之間有裂口，裂口會由于進水而使接頭腐蝕。猶如有限元分析的結果所示，在Rd=9.0mm和H=1.4mm時，成形的接頭所形成的自鎖長度和頸厚值是沒偶遇缺陷的。4.2.H型拉伸試驗的結果 通過試驗的斷裂測試來驗證接頭的可靠性。本文中，利用H型拉伸試驗來評估接頭強度。 圖8中顯示為H型拉伸試驗樣品尺寸及其失效形式。在本研究中，Rd=9.0mm是，接頭具有高的連接強度，盡管此時時接頭的自鎖長度較小。在Rd=8.0mm時，接頭具有很

13、薄的頸厚值和較大的自鎖長度，接頭在上板材的頸部斷裂，其強度較低。當Rd=10.0mm其強度強度為1957N并分離失效。但是在兩板材接觸處會出現裂口。因此結果表明接頭強度同時取決于自鎖長度和頸厚值。所以，考慮到接頭的失效形式，在工藝設計階段應該考慮到頸厚值。為了防止接頭的頸部斷裂，應該提高上板材的頸厚值，在分離模式中應該提高自鎖長度。5. 結論 本文通過有限元分析和H型試驗來評估機械連接工藝中工藝參數對接頭連接性能的影響。凹模半徑是最重要的工藝參數，應該通過考慮成型體積來確定凹模半徑。在本文中，當Rd=9.0mm時，得到相應的頸厚值很自鎖長度確定了接頭強度最高。自鎖長度隨著凹模深度的增加而增加，

14、但是會在下板材產生裂縫，頸厚值隨著凹模半徑的增加而增加。在較大的凹模半徑下，兩板料的自鎖比較困難。為了增強接頭強度，應該根據接頭的失效形式來確定工藝參數。參考文獻1 M.Oudjene and L. Ben-Ayed,On the parametric study of clinch joining of metallic sheets using the Taguchi method,Engineer Structures 30(2008) 1782-1788.2A.A de Paula et al.,Finite element simulations of the clinch joining of metallic sheets,J.of Mat.Proc.Tech.182(2007)352-357. 3 J.P. Varis, Economics of clinched joint compared to riveted joint and example of applying calculations to a