铆点工艺过程保持力仿真与验证分析

0引言

工艺是利用各种生产工具对原材料或半成品按照设计预期的产品进行加工及处理的方法和过程。工艺直接关系到产品的制造方案设计、生产路线确立、原材料的选择、生产装备的配置、产品的检测、包装、运输等多项环节,是建立生产制造系统的基础。

组成机器的零件要能最经济地制造和装配,应具有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于材料和制造费用,因此工艺性与经济性密切相关。通常应考虑采用方便制造、便于装配和拆卸的结构,零件形状简单合理,易于维护和修理,并合理选用毛坯类型。结构设计中,应力求使设计的零部件制造加工方便,材料损耗少,效率高,生产成本低,符合质量要求。在零件的形状变化不影响其使用性能的条件下,在设计时应采用最容易加工的形状^[1]。

有限元法是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种现代设计方法,是将连续体简化为有限个单元组成的离散化模型,再对这一模型进行数值求解的一种实用有效方法。其假想地把任意形状的连续体或结构分割成有限个方位不同但形状相似的小块(即单元),各单元之间仅在有限个指定点(即节点)处相互连接,并将承受的各种外载荷按某种规则移植成作用于节点处的等效力,边界约束也简化为节点约束,从而转换为一个由有限个具有一定形状规则的、仅在节点处相连接、承受外载和约束的单元组合体;然后按分块近似的思想,用一个简单的函数近似表示每个单元位移分量的分布规律,并按弹塑性理论建立单元节点力和节点位移之间的关系;再将所有单元的这种特性关系集合起来,得到一组以节点位移为未知量的代数方程组;最后求出原有物体有限个节点处位移的近似值及其他物体参数状^[2]。

铆点工艺在基础生产制造中使用广泛,主要是通过硬度高的基材与硬度低的基材挤压,将硬度低的基材挤压形成规则的形状,不受温度、湿度等操作条件限制。

为使得该工艺方式能大范围推广及可靠使用,通过选取某款产品结构建立仿真模型,计算倒刺挤压、顶针产生的凸点与外壳的保持力。进一步通过向基座施加垂直压力,将基座出现松脱情况下的最大保持力通过仿真模型计算出来。通过该方式的验证与总结,固化铆点工艺过程产生的力的效果,保证产品的工艺过程,完善工艺参数及工艺工程数字化的过程。

1仿真与数据分析

为使得验证充分及结构设计参数有据可寻,需通过建立数字模型模拟零件结构,按照实际零件结构组装效果反推零件尺寸的合理性;通过验证装配过程的力学状态,分析与讨论工艺参数的合理性。

仿真模型的建立,需从零件材料的属性、零件的结构及其尺寸、零件装配工艺工程及其动作多个过程进行分析。首先需筛选出与产品使用环境匹配的零件基材,再使用三维制图软件建立零件的三维模型,后将三维模型导入仿真软件进行动态仿真,通过动态分析与力学的参数验算,来确定最终工艺参数的可靠性。

1.1 材料属性

零件选取以下两款材料作为本次验证的主要材料:

1)外壳:铝及铝合金轧制板材。材料牌号6061, GB/T 3190—2008,状态T6,密度2 700 kg/m³,杨氏模量69 Gpa,屈服强度275 MPa,抗拉强度320 MPa,断裂伸长率12%,线膨胀系数23.2×10^-6/℃ ^[3];

2)基座:PEEK。材料牌号450GL03,LGJX—2008-17,密度 1510kg/m³ ,杨氏模量 12GPa,屈服强度

165 MPa,抗拉强度190 MPa,断裂伸长率2.5%,线膨胀系数18×10^-6/℃ ^[4]。

1.2 建立三维模型

外壳尺寸:壁厚0.7mm,内槽长9.2mm,宽7.2mm,零件总厚度5 mm,孔直径φ0.8 mm,孔深0.5mm,孔底厚度0.2 mm。

基座尺寸:外边长9.2mm,宽7.2mm,倒刺长3.2 mm,宽1.5 mm,厚度0.08 mm;零件总厚度2.5 mm,基座侧壁孔直径φ0.5 mm,孔深0.12 mm,如图1所示。

1.3模型仿真与分析

将上述零件转换为三维模型导入仿真软件,零件的过盈保持力主要来源于两个方面:一是基座倒刺与外壳之间形成挤压致使两种基材之间产生摩擦力;二是通过工装在外壳孔内挤压变形形成凸点,凸点进入到基座孔内,外壳凸点与基座孔形成咬合接触。向基座施加垂直压力,此时基座如需产生位移,不仅需克服摩擦力,还需克服外壳凸点从基座孔内脱出的基座变形力。能使基座产生位移的力即为两种结构保持产品稳定的保持力^[2]。

由于两种结构存在差异,并考虑工艺装配的流程顺序,将仿真过程拆分为零件挤压过盈力学仿真、外壳凸点产生保持力的力学仿真两方面进行论证。

当前材料属性设置为外壳壁厚0.7 mm,基座孔底厚度0.2 mm,材料按铝及铝合金轧制板材选取;材料牌号6061,状态T6。基座材料:PEEK,牌号450GL03,材料标准使用LGJX—2008-17。

1.3.1倒刺模型仿真与分析

为提高仿真精度和计算速度,选取模型1/4进行仿真,并对选取模型进行简化,去除对力学无影响的通孔和倒角,大幅减少网格数量,提高网格质量,进而提升仿真精度和计算速度。为保证仿真精度,外壳应有两层及以上网格,并对变形较大的倒刺区域进行网格加密,进一步提升仿真的精度,同时提高计算收敛性。仿真模型设置如图2所示,固定外壳底面,加载两个载荷步。

第1步:对基座施加位移载荷,基座克服外壳之间过盈,基座完整组装到外壳框内;

第2步:在基座上施加位移载荷,基座克服与外壳之间摩擦力,使基座产生位移。

通过图3可知,基座克服基材尺寸过盈产生的装配力约为11.4 N,拔出力最大值约为9.6 N。由于仿真选取的是1/4模型,因此倒刺总保持力估算约为F₁=9.6×4=38.4 N。

1.3.2 凸点模型仿真与分析

为提高仿真精度和计算速度,对模型进行简化,去除对力学无影响的通孔、倒角及工装,将基座与外壳之间形成的过盈尺寸更改为间隙,单独计算凸点形成的基座保持力。

凸点使用锥形结构,端点结构使用0.5 mm直径圆台与外壳孔底接触,如图4所示。锥度打点顶针材料为硬度更高的钨钢(硬度:HRA82.0~93.6),相比于铝合金材质(硬度:HB90~95)的硬度,可认为顶针在此打点过程中产生的变形因素可以排除。

仿真条件设置如图5所示,固定外壳底面,加载四个载荷步。

第1步:对顶针施加位移载荷,使顶针与圆孔接触;

第2步:对顶针设定行程进行挤压,使外壳内部产生凸点;

第3步:撤回顶针工具;

第4步:对基座施加垂直方向位移,计算基座在克服凸点产生位移的最大保持力。

从铆点顶针与外壳接触开始算起,设置0~0.16mm 挤压行程,即顶针在外壳上挤压使外壳铆点形成凸点。分别记录不同行程下凸点高度及可产生的保持力大小,通过对应关系建立凸点高度与其提供的保持力范围分布曲线。

由图6可知,凸点高度与挤压行程在0~0.16 mm 区间呈线性分布,保持力在0.12 mm后出现突增,在挤压行程0.14 mm后上升出现迟缓。根据上述结果分析,由挤压行程达到0.14 mm后保持力出现极限且增长的状态判断,在0.14 mm后外壳凸点顶端壁出现破裂,导致凸点继续增高但保持力无法继续增加。

当前结果显示挤压行程设置在0.10~0.14 mm区间最为合适。

2 工装设计与验证

2.1 工装设计

工装设计主要通过SMC型手指气缸来实现,将产品通过外框定位,盖板上使用快速轴夹实现快速加持与固定;将4个销钉通过滑块固定,手指气缸带动滑块实现往复;当气缸收缩,带动销钉对零件外壳4点同时铆压打点。通过限定SMC型手指气缸的行程控制凸点的大小与高度。工装设计模型如图7所示。

2.2零件铆点与保持力的测量分析

2.2.1零件铆点与保持力的测量

GJB 9001中明确提出了产品实现策划必须考虑和满足的要求,该单独连接器需考虑环境适应性、可靠性,即该产品在25~260℃回流焊接高温环境下的稳定性与可靠性。

加工与组装调试上述工装,通过设置不同区间挤压行程(0.02~0.16 mm)的距离,测量凸点产生的高度,并通过零件组装产品进行打点,如图8所示。将铆完凸点的产品经过回流焊模拟产品装配及使用环境,待冷却后测试不同行程挤压下所呈现的保持力的范围,进行汇总分析。

2.2.2仿真与实际验证对比分析

将上述倒刺与基座的保持力汇总,计算出整体基座与外壳之间的保持力,同时对测试值进行汇总分析。

由图9可知,为使铆点以及倒刺可提供的最小保持力达到120 N以上,且在保证不损伤零件的状态下,铆点高度尺寸应控制在0.11~0.14 mm。所以,铆点顶针行程范围设置为0.11~0.14 mm。

3 结束语

当产品需要回流焊或遇到极限环境时,温度变化区间过大或瞬间的温度冲击会导致基座塑性变形,最终导致过盈点失效。为进一步降低风险,通过铆点方式增加凸点结构,在原来结构的基础上增加二次保障,可以提高结构的稳定性。

产品结构常随安装条件及使用环境发生变化,且会因使用材料属性的不同而有各种结构的出现。铆点工艺过程保持力仿真与验证分析,提供了可以加强产品稳定性的结构设计方式,使得产品在结构上更加可靠。

[参考文献]

[1]潘承怡,向敬忠.机械结构设计技巧与禁忌[M].北京:化学工业出版社,2013.

[2]王贤民,霍仕武.机械设计[M].北京:北京大学出版社, 2012.

[3]铝及铝合金挤压棒材:GB/T 3191—2019[S].

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

2024年第11期第19篇