基于响应曲面法的5052铝板自冲铆接成形工艺参数优化

自冲铆接属于一种机械冷成形技术,相比于点焊而言,具有铆接质量稳定、异种材料连接、疲劳性能高、维护次数少以及环保等优点,其在汽车轻量化结构设计中逐步得到广泛的应用。相关资料表明[1,2,3,4]:自冲铆接应用于轻合金的总厚度可以达到10 mm,应用于钢板连接的总厚度可以达到6 mm。国内外学者对自冲铆接技术进行了大量的研究,刘佳沐等[5]对CFRP与AA6022-T4铝合金进行自冲铆接,分析了板料放置顺序对接头性能的影响,研究结果表明:相比于复合板在下层的铆接,复合板在上层时的接头最大拉伸载荷提高了48%。此外,铆接接头的静态拉伸强度受到铆钉下压力的影响。杜国栋等[6]基于正交试验研究了AA6061铝合金以及DP590钢板多铆钉铆接的变形特点,研究得出工艺参数对翘曲变形量的主次顺序依次为:板料厚度、铆接间距与铆接次序。金鑫等[7]研究了2 mm料厚的AA6061-T6铝板和1.2 mm料厚的DP590钢板的自冲铆接过程,基于正交试验研究了工艺参数对铆接质量的影响,研究得出工艺参数对底切量及底部厚度影响的主次顺序依次为:铆钉长度、凹模宽度以及模具凸台高度。Zhang X L等[8]对两层1.5 mm料厚的1420铝锂合金进行自冲铆接,研究得知:在铆钉尾部和锁定板之间的接触界面或两个板之间观察到微动磨损。微动磨损区在高载荷或低载荷水平下发生变化,与疲劳断裂路径密切相关。Fu M F等[9]研究了6111-T4铝板自冲铆接接头的疲劳性能,研究结果表明:铆钉设定压力是影响其静态失效载荷的关键工艺参数。疲劳循环高达70%的疲劳寿命会逐渐降低疲劳后残余失效强度;然而超过90%的疲劳寿命后,疲劳后残余失效强度会突然降低。Li D等[10]研究了两层2 mm料厚的AA5754铝板的自冲铆接过程,分析了搭边距离对铆接性能的影响,研究表明搭边距离对剪切力和剥离力具有显著的影响,对于2 mm料厚的AA5754铝板的自冲铆接而言,最小搭边距离要求为8 mm,最优搭边距离为11.5 mm。基于上述的分析可以看出,学者们利用正交试验对自冲铆接的工艺参数进行优化,然而正交试验仅对工艺参数整个优化区域上的离散点进行研究,不能分析工艺参数对铆接质量的交互式影响。响应曲面法则能够在工艺参数整个优化区域上连续地分析影响因素的各个水平,从而获得最优的工艺组合方案[11,12,13]。因此,本文基于响应曲面法及DE-FORM-2D模拟软件对两层1.5 mm料厚的AA5052-H32铝板的自冲铆接工艺参数进行优化,并分析工艺参数对自冲铆接成形质量的交互式影响,进而有效地指导电池包的自冲铆接过程。

利用CREO设计软件建立AA5052-H32铝合金板料自冲铆接的几何模型,如图1所示。将零件保存为IGS格式,并导入DEFORM-2D有限元模拟软件之中。在板料自冲铆接的仿真过程之中,上板与下板的材料均为AA5052-H32铝合金,材料厚度均为2 mm,铆钉的材料为SCM435钢,铆钉的规格选择为Φ5.3 mm×6 mm,其中利用MTS Landmak100试验设备对SCM435钢材料进行拉伸试验,得出SCM435钢材料的应力-应变曲线如图2所示。压边力设置为5 k N,铆接速度设置为25 mm·s-1,材料的断裂准则选择为Normalized C&L,材料之间的摩擦系数设置为0.4。铆钉、上板与下板均设置为弹塑性体,压边圈、凸模以及安装下模均设置为刚性体。此外,对铆接变形区进行局部网格细化,并设置每5步进行网格的自动重新划分,从而保证有限元模拟的顺利进行。

在AA5052-H32铝板自冲铆接工艺参数优化的试验中,利用中心复合设计方法设计自冲铆接的试验,选择模具深度、模具宽度以及模具凸台高度作为影响因素,其中,模具深度选择为1.4～1.8 mm,模具宽度选择为8.6～9 mm,模具凸台高度选择为-0.2～0 mm(负值表示凸台低于模具的上表面)。由于底切量为自冲铆接接头最重要的强度指标,因此,本文选择底切量作为响应曲面模型的响应值。借助Design Expert软件设计自冲铆接的仿真试验,利用仿真软件对自冲铆接的不同工艺参数组合方案进行有限元模拟,得出底切量的模拟结果如表1所示。

基于表1的AA5052-H32铝板自冲铆接试验的模拟结果,建立工艺参数与底切量之间的二阶响应曲面模型:

利用Design Expert软件对AA5052-H32铝板自冲铆接的模拟结果进行回归模型的显著性检验,得出方差分析的结果如表2所示,根据表2可知,二次响应曲面模型的失拟度相对于纯误差不显著,这说明回归方程与试验数据之间拟合的非常好。响应曲面模型的多重拟合系数R-Squared为0.9939,修正拟合系数Adj R-Squared为0.9885,预测拟合系数Pred R-Squared为0.9616,数值都非常接近于1,说明所建立的二次响应曲面模型具有非常高的可信度,其可以应用于AA5052-H32铝板自冲铆接成形的底切量的预测之中。根据P值的大小可以看出,A、B、AB、BC、A2以及B2对二次响应曲面模型的影响极为显著(P<0.0001)。基于F值可知,在所研究的自冲铆接工艺参数范围内,工艺参数对底切量影响的主次顺序依次为:模具宽度、模具深度、模具凸台高度。工艺参数对底切量交互影响的顺序依次为:模具宽度与模具深度、模具深度与模具凸台高度、模具宽度与模具凸台高度。

图3为模具宽度与模具深度对底切量交互影响的响应曲面,由图3可知,当模具宽度取较大值以及模具深度取较小值时,底切量可以获得较大值。其原因为:随着底切量的减小以及模具宽度的增加,铆钉腿部刺入下层板料的距离相对较短,以及铆钉受到模具反作用的约束力比较大,其有利于铆钉腿部呈喇叭状张开,导致底切量得以增大。

图4为模具宽度与模具凸台高度对底切量交互影响的响应曲面,从图4中可以看出:在所研究的自冲铆接工艺参数范围内,当模具凸台高度处于-0.1～0 mm范围时,底切量随着模具宽度的增加而增大;当模具凸台高度处于-0.2～-0.1 mm范围时,底切量随着模具宽度的增加而呈现减小的变化趋势。其原因为:当模具凸台高度小于或等于0.1 mm时,增加凸台高度与模具宽度有利于材料在模具型腔内向两侧流动,使铆钉腿部易于嵌入下层板料,增大底切量。当凸台高度在-0.2～-0.1 mm范围时,模具凸台高度的增加容易导致底层板料发生断裂,而且会减小模具型腔的体积,使得铆钉腿部难以发生变形,从而减小底切量。

图5为模具深度与模具凸台高度对底切量交互影响的响应曲面,由图5可知:当模具凸台高度处于-0.1～0 mm范围时,底切量随着模具深度的减小而增大;当模具凸台高度处于-0.2～-0.1 mm时,底切量随着模具深度的减小而呈现减小的变化规律。其原因为:当模具凸台高度≤0.1 mm时,减小模具深度有利于铆钉腿部向两侧张开,从而增加底切量;当模具凸台高度在-0.2～-0.1 mm范围时,模具型腔体积的减小阻碍了材料的流动,使得铆钉腿部难以发生变形,其会导致底切量的减小。

本文将模具宽度、模具深度与模具凸台高度作为设计变量,将底切量作为优化目标,借助Design Expert软件得出两层2 mm料厚的AA5052-H32铝板自冲铆接的优化工艺参数为:模具宽度为8.95 mm,模具深度为1.45 mm,模具凸台高度为-0.15 mm,底切量的响应值为0.609 mm。运用DEFORM-2D仿真软件对优化后的工艺参数进行有限元模拟,并借助铆接设备及安装下模进行铆接试验,两层2 mm料厚的AA5052-H32铝板自冲铆接的模拟结果与试验结果如图6所示(其中实线表示模拟结果)。

通过测量得知底切量的模拟值与试验值分别为0.574和0.546 mm,模拟值及试验值与响应面法优化值之间的相对误差分别为5.75%和10.34%。该误差数值在企业能够接受的误差范围内,验证了响应曲面法应用于AA5052-H32铝板自冲铆接工艺参数优化的正确性,减少了有限元模拟的仿真求解时间。将优化参数用于电池包的实际铆接生产中,获得的零件实物如图7所示。

(1)根据响应曲面法的方差分析得知,工艺参数对底切量影响的主次顺序依次为:模具宽度、模具深度、模具凸台高度。模具宽度与模具深度对底切量的交互式影响最大、模具深度与模具凸台高度对底切量的交互式影响次之、模具宽度与模具凸台高度对底切量的交互式影响最小。

(2)通过响应曲面法得出AA5052-H32铝板自冲铆接的优化工艺参数,即模具宽度为8.95 mm,模具深度为1.45 mm,模具凸台高度为-0.15 mm,底切量的响应值为0.609 mm。此外,底切量的模拟值与试验值分别为0.574与0.546 mm,模拟值及试验值与响应曲面值之间的相对误差分别为5.75%与10.34%,从而验证了响应曲面法应用于AA5052-H32铝板自冲铆接工艺参数优化的正确性与可靠性。