連接器導(dǎo)電片鉚壓工裝仿真與優(yōu)化

朱 寧，翟國(guó)富，房玉環(huán)

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150001；2. 上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 引言

連接器是一種廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的基礎(chǔ)元器件，主要起到電氣連接的作用，使系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)、功率等的傳輸。連接器是系統(tǒng)的信號(hào)傳輸紐帶，其可靠性直接決定整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作[1]。

連接器中主要的導(dǎo)電零件為接觸件，還有一些輔助導(dǎo)電零件如導(dǎo)電片等[3]。本文研究的導(dǎo)電片通過工裝鉚壓在螺母上，導(dǎo)電片有3個(gè)引腳，導(dǎo)電片在鉚壓后引腳會(huì)發(fā)生變形，因?yàn)榘惭b尺寸的需要，引腳變形后的尺寸需要精確設(shè)計(jì)，這就需要應(yīng)用有限元軟件對(duì)鉚壓過程進(jìn)行仿真分析[3-4]。原設(shè)計(jì)工裝下模和導(dǎo)電片接觸面為平面，鉚壓后導(dǎo)電片三個(gè)引腳的前后方向變形量基本一致，不能滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尺寸要求，因此提出了兩種改進(jìn)下模，將原下模和導(dǎo)電片接觸面的平面改成了斜面和階梯面，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電片鉚壓后三個(gè)引腳前后變形量逐漸增加的設(shè)計(jì)目標(biāo)，且三個(gè)引腳的變形量均可以精確控制，能滿足幾種不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證保證了仿真的精度。鉚壓過程仿真大大提高了工裝設(shè)計(jì)的速度和精度，是設(shè)計(jì)不可或缺的輔助手段。

2 鉚壓模型

鉚壓工裝模型如圖1，分為被鉚壓件、鉚壓下模和壓板，通過下壓壓板和下模將導(dǎo)電片和花齒螺母通過過盈裝配發(fā)生塑性變形擠壓在一起從而實(shí)現(xiàn)鉚壓。

圖1 鉚壓結(jié)構(gòu)模型

導(dǎo)電片和花齒螺母之間發(fā)生了較大塑性變形，這會(huì)影響整個(gè)導(dǎo)電片各個(gè)位置的尺寸。鉚壓后導(dǎo)電片引腳會(huì)向內(nèi)側(cè)變形，和下模發(fā)生接觸最終定型，因此下模和導(dǎo)電片引腳的接觸面形狀決定了導(dǎo)電片3個(gè)引腳的最終變形量，下模的形狀需要根據(jù)導(dǎo)電片3個(gè)引腳的變形量設(shè)計(jì)尺寸給出。

3 鉚壓過程仿真

3.1 仿真前處理

(1)模型處理

整個(gè)模型為對(duì)稱模型，因此取1/2模型進(jìn)行仿真可有效提高運(yùn)算速度。將壓板調(diào)整到和花齒螺母貼緊的位置，花齒螺母和導(dǎo)電片之間的距離減小到即將接觸，導(dǎo)電片底面和下模支撐面貼緊。

(2)邊界條件設(shè)置

應(yīng)用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行仿真，邊界條件如圖2，固定下模底面，圖中A所示，給壓板加一個(gè)垂直向下的位移模擬鉚壓過程，圖中B所示，給所有剖面加無摩擦約束模擬對(duì)稱邊界，圖中C所示。

圖2 邊界條件設(shè)定

(3)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

壓板、下?；静蛔冃?，可設(shè)置為彈性材料，導(dǎo)電片、花齒螺母有較大變形，因此應(yīng)設(shè)置為彈塑性材料，四個(gè)零件的參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 材料設(shè)置

整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)格均劃分為十節(jié)點(diǎn)四面體單元，其中花齒螺母和導(dǎo)電片會(huì)發(fā)生較大塑性變形，網(wǎng)格應(yīng)加密，壓板和下模網(wǎng)格可適當(dāng)放寬，共計(jì)劃分節(jié)點(diǎn)85584，單元53275。接觸設(shè)置方面壓板和花齒螺母、花齒螺母和導(dǎo)電片、導(dǎo)電片和下模之間均為摩擦接觸，為提高仿真的收斂性，算法選用Augmented Lagrange，接觸剛度為0.1，并將接觸剛度更新選項(xiàng)改為Each Iteration。載荷步最大子步數(shù)改為1000[5-6]。

3.2 仿真分析結(jié)果

得出鉚壓后導(dǎo)電片的應(yīng)力分布如圖3，導(dǎo)電片和花齒螺母配合位置應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為621MPa。

圖3 導(dǎo)電片應(yīng)力分布圖

得出鉚壓后導(dǎo)電片的前后方向變形量分布如圖4，三個(gè)引腳前后位移基本一致，均為0.07mm左右。

圖4 導(dǎo)電片前后位移分布圖

3.3 下模形狀優(yōu)化仿真

產(chǎn)品要求下模三個(gè)引腳變形量為逐步遞增，且變形量有0.07mm、0.11mm、0.15mm和0.06mm、0.07mm和0.16mm兩種組合要求，因此考慮兩種下模優(yōu)化形狀如圖5。原下模為平面結(jié)構(gòu)，針對(duì)第一種變形量尺寸組合將下模改為斜面結(jié)構(gòu)，針對(duì)第二種變形量尺寸組合將下模改為階梯結(jié)構(gòu)，傾斜角度和階梯高度根據(jù)變形量的仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得出。分別對(duì)兩種優(yōu)化后的下模進(jìn)行鉚壓仿真。

圖5 優(yōu)化前后下模截面圖

得出斜面下模斜度為2°時(shí)鉚壓后導(dǎo)電片的應(yīng)力分布如圖6，導(dǎo)電片和花齒螺母配合位置應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為612MPa。

圖6 斜面下模導(dǎo)電片應(yīng)力分布圖

得出斜面下模斜度為2°時(shí)鉚壓后導(dǎo)電片的前后方向變形量分布如圖7，三個(gè)引腳前后位移呈逐漸增加趨勢(shì)，且三個(gè)引腳變形量為0.07mm、0.11mm、0.15mm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖7 斜面下模導(dǎo)電片前后位移分布圖

得出階梯下模階梯高度為0.1mm時(shí)鉚壓后導(dǎo)電片的應(yīng)力分布如圖8，導(dǎo)電片和花齒螺母配合位置應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為618MPa。

圖8 階梯下模導(dǎo)電片應(yīng)力分布圖

得出階梯下模階梯高度為0.1mm鉚壓后導(dǎo)電片的前后方向變形量分布如圖9，三個(gè)引腳前后位移呈逐漸增加趨勢(shì)，且三個(gè)引腳變形量為0.06mm、0.08mm、0.16mm，基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖9 階梯下模導(dǎo)電片前后位移分布圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)改進(jìn)前后三種情況進(jìn)行鉚壓試驗(yàn)并測(cè)量導(dǎo)電片三個(gè)引腳位置的前后位移量，得出測(cè)試結(jié)果如表2。可以看出仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果很接近，平均誤差在10%以內(nèi)，且優(yōu)化后變形量可以滿足兩種設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。因此下模可以用這兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，一種為2°傾斜狀下模，一種為0.1mm高階梯狀下模。

表2 導(dǎo)電片引腳變形量

5 結(jié)論

本文對(duì)連接器導(dǎo)電片在工裝作用下鉚壓后的變形量進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明用原設(shè)計(jì)的下模壓鉚后導(dǎo)電片三個(gè)引腳前后方向變形量均為0.07mm，不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對(duì)變形量0.07mm、0.11mm、0.15mm和0.06mm、0.07mm和0.15mm兩種指標(biāo)要求分別將下模優(yōu)化為2°斜角和0.1mm高階梯兩種狀態(tài)，再進(jìn)行仿真得出變形量可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，最后對(duì)三種模具進(jìn)行壓鉚后變形量測(cè)試結(jié)果證明了仿真的正確性。

在連接器的設(shè)計(jì)中很多力學(xué)、溫度指標(biāo)均可以用ANSYS Workbench進(jìn)行仿真優(yōu)化，可以在模型階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不足，大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，有限元仿真是設(shè)計(jì)驗(yàn)證的有力工具。