0引言

工藝是利用各種生產(chǎn)工具對原材料或半成品按照設(shè)計預(yù)期的產(chǎn)品進行加工及處理的方法和過程。工藝直接關(guān)系到產(chǎn)品的制造方案設(shè)計、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、包裝、運輸?shù)榷囗棴h(huán)節(jié),是建立生產(chǎn)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

組成機器的零件要能最經(jīng)濟地制造和裝配,應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。機器的成本主要取決于材料和制造費用,因此工藝性與經(jīng)濟性密切相關(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),零件形狀簡單合理,易于維護和修理,并合理選用毛坯類型。結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)力求使設(shè)計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)計時應(yīng)采用最容易加工的形狀^[1]。

有限元法是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計方法,是將連續(xù)體簡化為有限個單元組成的離散化模型,再對這一模型進行數(shù)值求解的一種實用有效方法。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指定點(即節(jié)點)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)點處的等效力,邊界約束也簡化為節(jié)點約束,從而轉(zhuǎn)換為一個由有限個具有一定形狀規(guī)則的、僅在節(jié)點處相連接、承受外載和約束的單元組合體;然后按分塊近似的思想,用一個簡單的函數(shù)近似表示每個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)點力和節(jié)點位移之間的關(guān)系;再將所有單元的這種特性關(guān)系集合起來,得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程組;最后求出原有物體有限個節(jié)點處位移的近似值及其他物體參數(shù)狀^[2]。

鉚點工藝在基礎(chǔ)生產(chǎn)制造中使用廣泛,主要是通過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,通過選取某款產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立仿真模型,計算倒刺擠壓、頂針產(chǎn)生的凸點與外殼的保持力。進一步通過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仿真模型計算出來。通過該方式的驗證與總結(jié),固化鉚點工藝過程產(chǎn)生的力的效果,保證產(chǎn)品的工藝過程,完善工藝參數(shù)及工藝工程數(shù)字化的過程。

1仿真與數(shù)據(jù)分析

為使得驗證充分及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)有據(jù)可尋,需通過建立數(shù)字模型模擬零件結(jié)構(gòu),按照實際零件結(jié)構(gòu)組裝效果反推零件尺寸的合理性;通過驗證裝配過程的力學(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作多個過程進行分析。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)入仿真軟件進行動態(tài)仿真,通過動態(tài)分析與力學(xué)的參數(shù)驗算,來確定最終工藝參數(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證的主要材料:

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

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

165 MPa,抗拉強度190 MPa,斷裂伸長率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9.2mm,寬7.2mm,倒刺長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,零件的過盈保持力主要來源于兩個方面: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;二是通過工裝在外殼孔內(nèi)擠壓變形形成凸點,凸點進入到基座孔內(nèi),外殼凸點與基座孔形成咬合接觸。向基座施加垂直壓力,此時基座如需產(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,將仿真過程拆分為零件擠壓過盈力學(xué)仿真、外殼凸點產(chǎn)生保持力的力學(xué)仿真兩方面進行論證。

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6061,狀態(tài)T6。基座材料:PEEK,牌號450GL03,材料標準使用LGJX—2008-17。

1.3.1倒刺模型仿真與分析

為提高仿真精度和計算速度,選取模型1/4進行仿真,并對選取模型進行簡化,去除對力學(xué)無影響的通孔和倒角,大幅減少網(wǎng)格數(shù)量,提高網(wǎng)格質(zhì)量,進而提升仿真精度和計算速度。為保證仿真精度,外殼應(yīng)有兩層及以上網(wǎng)格,并對變形較大的倒刺區(qū)域進行網(wǎng)格加密,進一步提升仿真的精度,同時提高計算收斂性。仿真模型設(shè)置如圖2所示,固定外殼底面,加載兩個載荷步。

第1步:對基座施加位移載荷,基座克服外殼之間過盈,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。

通過圖3可知,基座克服基材尺寸過盈產(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 凸點模型仿真與分析

為提高仿真精度和計算速度,對模型進行簡化,去除對力學(xué)無影響的通孔、倒角及工裝,將基座與外殼之間形成的過盈尺寸更改為間隙,單獨計算凸點形成的基座保持力。

凸點使用錐形結(jié)構(gòu),端點結(jié)構(gòu)使用0.5 mm直徑圓臺與外殼孔底接觸,如圖4所示。錐度打點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,可認為頂針在此打點過程中產(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,加載四個載荷步。

第1步:對頂針施加位移載荷,使頂針與圓孔接觸;

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

第3步:撤回頂針工具;

第4步:對基座施加垂直方向位移,計算基座在克服凸點產(chǎn)生位移的最大保持力。

從鉚點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形成凸點。分別記錄不同行程下凸點高度及可產(chǎn)生的保持力大小,通過對應(yīng)關(guān)系建立凸點高度與其提供的保持力范圍分布曲線。

由圖6可知,凸點高度與擠壓行程在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,由擠壓行程達到0.14 mm后保持力出現(xiàn)極限且增長的狀態(tài)判斷,在0.14 mm后外殼凸點頂端壁出現(xiàn)破裂,導(dǎo)致凸點繼續(xù)增高但保持力無法繼續(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)計與驗證

2.1 工裝設(shè)計

工裝設(shè)計主要通過SMC型手指氣缸來實現(xiàn),將產(chǎn)品通過外框定位,蓋板上使用快速軸夾實現(xiàn)快速加持與固定;將4個銷釘通過滑塊固定,手指氣缸帶動滑塊實現(xiàn)往復(fù);當(dāng)氣缸收縮,帶動銷釘對零件外殼4點同時鉚壓打點。通過限定SMC型手指氣缸的行程控制凸點的大小與高度。工裝設(shè)計模型如圖7所示。

2.2零件鉚點與保持力的測量分析

2.2.1零件鉚點與保持力的測量

GJB 9001中明確提出了產(chǎn)品實現(xiàn)策劃必須考慮和滿足的要求,該單獨連接器需考慮環(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,通過設(shè)置不同區(qū)間擠壓行程(0.02~0.16 mm)的距離,測量凸點產(chǎn)生的高度,并通過零件組裝產(chǎn)品進行打點,如圖8所示。將鉚完凸點的產(chǎn)品經(jīng)過回流焊模擬產(chǎn)品裝配及使用環(huán)境,待冷卻后測試不同行程擠壓下所呈現(xiàn)的保持力的范圍,進行匯總分析。

2.2.2仿真與實際驗證對比分析

將上述倒刺與基座的保持力匯總,計算出整體基座與外殼之間的保持力,同時對測試值進行匯總分析。

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

3 結(jié)束語

當(dāng)產(chǎn)品需要回流焊或遇到極限環(huán)境時,溫度變化區(qū)間過大或瞬間的溫度沖擊會導(dǎo)致基座塑性變形,最終導(dǎo)致過盈點失效。為進一步降低風(fēng)險,通過鉚點方式增加凸點結(jié)構(gòu),在原來結(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,且會因使用材料屬性的不同而有各種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。鉚點工藝過程保持力仿真與驗證分析,提供了可以加強產(chǎn)品穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式,使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上更加可靠。

[參考文獻]

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[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