吳航宇， 余海燕

（同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海 201804）

《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》中明確了到2035 年燃油車(chē)的輕量化系數(shù)需再降低25 %［1］。這對(duì)汽車(chē)輕量化帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。薄壁管結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的剛度強(qiáng)度性能、顯著的輕量化效果以及較低的制造成本，在車(chē)身結(jié)構(gòu)上有廣闊的應(yīng)用前景。目前管連接工藝仍以傳統(tǒng)的機(jī)械連接、鉚接、膠接等工藝為主，由于壁厚的限制，這些工藝不能滿(mǎn)足薄壁管類(lèi)零件的應(yīng)用需求，由此也影響了薄壁管類(lèi)零件在車(chē)身上的應(yīng)用推廣［2］，亟需研究適合于金屬薄壁管的連接工藝。

塑性連接技術(shù)是一種依靠材料自身的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的成形技術(shù)。無(wú)需增加材料來(lái)輔助連接，具有效率高、環(huán)保、連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)。成為了近些年來(lái)業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一［3-4］。陳超等［5］開(kāi)發(fā)了一種適用于汽車(chē)鋁合金板材的平壓整形無(wú)鉚工藝，顯著提高了無(wú)鉚連接的強(qiáng)度和能量吸收能力。莊蔚敏等［6］采用熱鉚接淬火工藝解決車(chē)身高強(qiáng)鋼與鋁合金零件的連接問(wèn)題。周成等［7］將旋鍛塑性連接工藝應(yīng)用于中空傳動(dòng)軸的連接設(shè)計(jì)中，使傳動(dòng)軸減重超過(guò)50 %。Müller［8］、Weber［9］等開(kāi)發(fā)了一種液力脹接工藝，并通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了搭接長(zhǎng)度和不同壁厚對(duì)成形性能的影響。實(shí)現(xiàn)了非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)截面管的連接，擴(kuò)展了該工藝的應(yīng)用范圍。張榮霞等［10-11］則研究了基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓的連接工藝。并利用該工藝成功試制了鈦合金導(dǎo)管連接件。

管件在軸向壓縮載荷作用下會(huì)發(fā)生塑性失穩(wěn)變形，許多學(xué)者針對(duì)這一性質(zhì)對(duì)管件的塑性失穩(wěn)連接進(jìn)行了研究。Alves等［12-13］利用薄壁管的壓縮失穩(wěn)提出了塑性褶皺連接方法，該連接方法的原理是利用薄壁管在軸向壓縮下失穩(wěn)形成褶皺，通過(guò)兩管褶皺的相互包覆形成接頭。后續(xù)通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了管-管內(nèi)縮式連接［14］以及管-板塑性連接［15-16］等。但Alves的連接方法僅適用于等徑管連接，限制了管連接工藝的應(yīng)用。Sviridov 等［17］利用薄壁管失穩(wěn)形成的箭頭狀凸起實(shí)現(xiàn)管-板連接。并研究了不同角度的凸起形狀對(duì)接頭彎曲載荷的影響。Agrawal 等［18］利用薄壁管的翻轉(zhuǎn)變形和壓縮失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)了管-板塑性連接和大尺寸不等徑管-管的塑性連接［19］。如圖1所示，但該連接技術(shù)的原理是將兩薄壁管的端部進(jìn)行翻邊成形，在軸向壓縮載荷δ的作用下，兩管通過(guò)翻邊咬合形成連接。通過(guò)這種連接方法形成的接頭依賴(lài)于翻邊的尺寸，當(dāng)管接頭承受軸向載荷時(shí)翻邊區(qū)域承受載荷大，易導(dǎo)致接頭失效，影響連接強(qiáng)度。且該連接接頭沿軸線(xiàn)向外凸起，接頭半徑大于連接管半徑。將該接頭應(yīng)用于車(chē)身管件結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)占用較大的零部件空間，不利于車(chē)身輕量化。

圖1 Agrawal提出的不等徑管連接方法Fig. 1 Unequal diameter tube connection method proposed by Agrawal

綜上可知，薄壁管的塑性連接技術(shù)主要依靠材料本身的塑性變形來(lái)完成連接，相比傳統(tǒng)連接工藝輕量化效果更為顯著，而且該工藝在模具和壓力機(jī)作用下易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，特別適合于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的批量制造，是未來(lái)管類(lèi)零件連接的發(fā)展趨勢(shì)之一。而從已有的研究情況可知，目前仍缺乏一種適用于不等徑薄壁圓管的塑性連接工藝。本文根據(jù)薄壁管的幾何特點(diǎn)和車(chē)身上的應(yīng)用情況，在A(yíng)grawal 研究的連接方法基礎(chǔ)上，采取了提高連接強(qiáng)度的工藝設(shè)計(jì)，通過(guò)模具的巧妙設(shè)計(jì)誘導(dǎo)薄壁管端部發(fā)生兩次翻折成形，使兩薄壁管端部形成相互包覆的折疊。并設(shè)計(jì)加熱裝置提高鋁合金的壓縮塑性成形性。而且該方法形成的接頭外輪廓尺寸沒(méi)有超過(guò)被連接管中較粗管的管徑，避免了Agrawal 連接接頭尺寸過(guò)大的不足。參考相關(guān)設(shè)計(jì)方法［20］進(jìn)行該連接工藝模具的設(shè)計(jì)與校核。以期為該連接工藝的推廣應(yīng)用提供參考。

1 基于軸向失穩(wěn)的薄壁管連接原理

圖2 為基于軸向失穩(wěn)的金屬薄壁管連接原理圖，如圖2a 所示，上模在壓力機(jī)的作用下帶動(dòng)連接管1向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)連接管1與下模的圓角接觸時(shí)，在下模圓角的引導(dǎo)下連接管1 發(fā)生向內(nèi)的翻轉(zhuǎn)變形。連接管2 與上模圓角接觸時(shí)，在上模圓角的引導(dǎo)下會(huì)發(fā)生向外的翻轉(zhuǎn)變形。如圖2b 所示。隨著模具的繼續(xù)下壓，兩薄壁管的端部翻轉(zhuǎn)區(qū)域相遇，并在軸向壓力的作用下繼續(xù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，直至形成相互包覆的接頭，實(shí)現(xiàn)如圖2c所示的接頭。這種連接技術(shù)滿(mǎn)足了不等徑管、不等厚管的連接需求。僅依靠薄壁管的塑性變形實(shí)現(xiàn)連接，無(wú)須增加連接材料和破壞管壁，輕量化效果顯著。在整個(gè)連接過(guò)程中沒(méi)有廢料廢氣的產(chǎn)生，具有高效、安全的特點(diǎn)。易于批量生產(chǎn)，非常適合于車(chē)身結(jié)構(gòu)中管類(lèi)零件的制造。

連接過(guò)程中相關(guān)的連接參數(shù)如圖3 所示，d1、d2分別為連接管1 和連接管2 的外徑，l1、l2為連接管1和連接管2的自由長(zhǎng)度，連接兩管的厚度為t，上下模具的圓角半徑為r1、r2。為獲取形成成功接頭所需的自由長(zhǎng)度數(shù)值，建立了連接接頭幾何模型，如圖4所示，連接管1 和連接管2 在壓縮載荷作用下緊密貼合，弧線(xiàn)B0C0段和B1C1段對(duì)應(yīng)90°圓心角，D0E0段和D1E1段對(duì)應(yīng)180°圓心角。A0B0段和A1B1段為連接管連接完成后未發(fā)生塑性變形的部分，這一段近似等于連接管厚度的1.5倍。綜上可建立連接兩管的自由變形長(zhǎng)度計(jì)算公式，如式（1）所示：

圖3 薄壁管連接工藝參數(shù)示意圖Fig. 3 Parameters of thin-walled tube connection

圖4 連接接頭幾何模型Fig. 4 Geometric model of tube connection

對(duì)整個(gè)連接過(guò)程在A(yíng)baqus 中進(jìn)行仿真分析?？紤]到整個(gè)模型和施加載荷均為軸對(duì)稱(chēng)，所有管坯及模具均采用軸對(duì)稱(chēng)單元進(jìn)行模擬。其中管材料為6061鋁合金，連接管1外徑和壁厚分別為44 mm和1 mm。連接管2 外徑和壁厚分別為30 mm 和1 mm。摩擦系數(shù)取0.1。網(wǎng)格大小為0.2 mm，其中連接兩管的網(wǎng)格采用CAX4R單元。

圖5為有限元仿真得到的鋁合金管塑性連接的載荷-位移響應(yīng)。連接兩管先是沿著凸凹模具的圓角發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，這一階段軸向壓縮載荷緩慢增加。當(dāng)連接兩管的翻轉(zhuǎn)變形區(qū)域開(kāi)始相互接觸時(shí)，壓縮載荷急劇上升。翻轉(zhuǎn)變形區(qū)域在軸向壓力的作用下持續(xù)變形，最后形成相互包覆的鎖止接頭。此時(shí)壓縮載荷達(dá)到最大值103.03 kN。在整個(gè)連接工藝過(guò)程中，翻轉(zhuǎn)變形區(qū)域的塑性變形大，連接時(shí)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂導(dǎo)致失效。因此，有必要引入加熱的方式來(lái)減小塑性連接時(shí)管坯的變形抗力，提高鋁合金的塑性。

圖5 6061鋁合金管在20 ℃下連接的載荷位移響應(yīng)Fig. 5 Force-displacement response of 6061 aluminum tube connection at 20 ℃

2 模具設(shè)計(jì)

（1） 模具整體結(jié)構(gòu)與布局

根據(jù)薄壁管塑性連接成形原理，連接模具需要滿(mǎn)足以下要求：① 加熱控溫要求，使模具快速升溫并可以保溫。② 定位要求，確保各模具之間的相對(duì)位置精度。③ 隔熱要求，在拉伸機(jī)的移動(dòng)橫梁上裝有測(cè)力傳感器，因此需要減緩模具的熱量向拉伸機(jī)傳遞，防止對(duì)傳感器造成損壞。結(jié)合上述要求設(shè)計(jì)出了不等徑管連接模具的結(jié)構(gòu)圖，如圖6 所示。整套模具由多組模板構(gòu)成，其中上模由上模座、上模隔熱板和凸模組成，三者通過(guò)隔熱陶瓷螺栓固定，由上模座通過(guò)定位銷(xiāo)釘與拉伸機(jī)相連。下模由加熱板、凹模鑲塊、鑲塊底板、下模隔熱板、下模散熱板及下模座組成。上下模組裝后的效果圖如圖7 所示，模具系統(tǒng)工作時(shí)，拉伸機(jī)帶動(dòng)上模向下運(yùn)動(dòng)，連接兩管在上下模的作用下翻轉(zhuǎn)變形形成連接接頭。在連接過(guò)程中，加熱板用于加熱模具，上下模具的隔熱板和散熱板用來(lái)減緩模具熱量向拉伸機(jī)傳遞。

圖7 薄壁管連接模具Fig. 7 Thin-walled tube connection system

根據(jù)試制的連接件尺寸以及各模板設(shè)計(jì)高度，可估算整套連接模具的合模高度尺寸為395 mm，各模板的長(zhǎng)度和寬度尺寸則根據(jù)設(shè)備工作臺(tái)面尺寸、固定件尺寸和模具設(shè)計(jì)手冊(cè)確定。

（2） 模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，確保上模和下模的精準(zhǔn)定位非常關(guān)鍵。較大的定位偏差使工藝基準(zhǔn)發(fā)生變動(dòng)，進(jìn)而影響接頭的加工精度，導(dǎo)致連接兩管無(wú)法協(xié)同變形形成連接接頭。該連接模具通過(guò)安裝在凸模和加熱板上的導(dǎo)柱導(dǎo)套實(shí)現(xiàn)定位。凹模則設(shè)計(jì)為鑲塊結(jié)構(gòu)安裝于加熱板中，通過(guò)保證凹模和加熱板接觸面的加工精度來(lái)實(shí)現(xiàn)凹模鑲塊的定位。在裝配過(guò)程中以下模座為基準(zhǔn)件自下而上完成各模板的裝配，保證模具的裝配精度。

連接過(guò)程中，薄壁管在壓縮載荷作用下發(fā)生劇烈的塑性變形，管壁與模具緊密貼合，連接時(shí)凹模內(nèi)空氣被壓縮，壓強(qiáng)增大，連接后試樣接頭易卡在模具中無(wú)法脫模。為此將凹模設(shè)計(jì)成對(duì)開(kāi)式的鑲塊結(jié)構(gòu)，同時(shí)在鑲塊底板和安裝鑲塊的加熱板上設(shè)置排氣孔。連接完成后將凹模鑲塊和連接件一并頂出，即可完成脫模。

最終試制的連接模具如圖7 所示，塑性連接試驗(yàn)在MTS（materials test systems）拉伸機(jī)上進(jìn)行，壓縮速度為2 mm·min-1。

（3） 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具的加熱系統(tǒng)由加熱板、加熱管、熱電偶和溫控箱組成。加熱管和熱電偶安裝在加熱板內(nèi)，系統(tǒng)通電后，加熱管利用電流的熱效應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行加熱。熱電偶反饋加熱板的溫度至溫控箱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)停止加熱，以防溫度過(guò)高影響連接工藝。

（4） 隔熱模板設(shè)計(jì)

為了減少加熱板與上下模座之間的熱傳遞，在上下模座與凸凹模之間設(shè)計(jì)了一層由玻璃纖維與耐高溫樹(shù)脂壓制而成的隔熱板。隔熱板的主要參數(shù)如表1所示，具有優(yōu)良的絕緣性能和耐高溫性能。

表1 隔熱板參數(shù)Tab. 1 Parameters of insulation panel

模具中各模板通過(guò)螺栓或固定銷(xiāo)桿實(shí)現(xiàn)固定和連接，連接件應(yīng)具備較高的強(qiáng)度、剛度以及較好的耐熱、隔熱性能。氧化鋁陶瓷材料是一種以氧化鋁（Al2O3）為主體的陶瓷材料，其性能參數(shù)如表2所示，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性能，熱導(dǎo)率也較低，將其應(yīng)用于連接螺栓和固定桿件，在保證連接強(qiáng)度要求的情況下也能一定程度上減少模具之間的熱傳遞。

表2 氧化鋁陶瓷性能參數(shù)Tab. 2 Performance parameters of alumina ceramic

3 連接模具的強(qiáng)度分析和傳熱分析

3.1 模具強(qiáng)度分析

由薄壁管塑性連接原理可知，整個(gè)連接過(guò)程壓縮載荷大，模具中凸凹?？拷訜嵯到y(tǒng)，工作溫度較高，工作環(huán)境惡劣，是整套模具強(qiáng)度的薄弱處。而在選擇加熱溫度時(shí)，應(yīng)綜合考慮連接材料在該溫度下的塑性、變形抗力和組織結(jié)構(gòu)等因素。一般加熱至200 ℃以上鋁合金塑性會(huì)明顯上升，變形抗力顯著下降。而結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度也隨溫度升高而下降，但當(dāng)鋼在加熱至300 ℃～500 ℃時(shí)強(qiáng)度會(huì)突然升高，脆性增大，即鋼的“藍(lán)脆”現(xiàn)象。在進(jìn)行鋼-鋼連接時(shí)，應(yīng)選擇500 ℃以上進(jìn)行連接?？紤]到模具與連接件的熱傳導(dǎo)影響。本文對(duì)20 ℃和600 ℃下的凸凹模模具強(qiáng)度進(jìn)行了校核。

材料選擇上，凸凹模選用H13 熱作模具鋼。其化學(xué)成分如表3 所示。這類(lèi)鋼含有較高的鉻元素，因此鋼的韌性和耐熱疲勞性能都較好。表4給出了H13鋼在不同溫度下的力學(xué)性能［21］。

表3 H13鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量百分比Tab. 3 Chemical composition and mass percentage of H13 steel

表4 H13鋼在不同溫度下的力學(xué)性能Tab. 4 Mechanical properties of H13 steel at different temperatures

采用有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。模具組成選用C3D10MT 四面體單元。網(wǎng)格大小為2 mm。凸模、凹模在20 ℃和600 ℃下的等效應(yīng)力分布如圖8和圖9所示。在20 ℃和600 ℃下模具產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為505 MPa、602 MPa。均位于凸模與連接接頭接觸的端面處。

圖8 凸模在不同溫度下的應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distribution of punch at different temperatures

圖9 凹模在不同溫度下的應(yīng)力分布Fig. 9 Stress distribution of die at different temperatures

圖8和圖9與表4中H13鋼力學(xué)性能參數(shù)的對(duì)比可知，模具的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.2 模具熱分析

為了減少模具加熱對(duì)拉伸機(jī)載荷傳感器的影響，需要對(duì)模具進(jìn)行隔熱處理。本文通過(guò)隔熱板結(jié)合冷卻水冷卻的方式來(lái)降低上下模座的工作溫度。為此，采用有限元軟件對(duì)模具進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。定義加熱板的初始溫度600 ℃，其余模板溫度為20 ℃。圖10a ～ 圖10d 為仿真所得不同時(shí)刻下模具的溫度場(chǎng)。隨著時(shí)間的增加，加熱板中的熱量逐漸向模具兩端傳遞，其中壓頭、導(dǎo)柱為鋼材質(zhì)，熱傳導(dǎo)速率較快。當(dāng)熱量傳至隔熱板時(shí)，由于隔熱板的熱導(dǎo)率很低，此時(shí)傳熱速率減慢。1 000 s 后熱量開(kāi)始傳至上下模座。此時(shí)多余的熱量經(jīng)由冷卻水與冷卻水管進(jìn)行的強(qiáng)制對(duì)流換熱作用帶走，使上下模座的溫度升高速率減慢。1 500 s 時(shí)上模座端部的溫度低于40℃，下模座的溫度50 ℃左右。模具的隔熱效果較好。

圖10 模具在不同時(shí)間下的溫度分布Fig. 10 Temperature distribution of tool at different times

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，加熱板的熱量先經(jīng)過(guò)熱導(dǎo)率較低的模具隔熱板緩慢傳遞。一段時(shí)間后熱量傳至上下模座由水帶走部分熱量再傳至模座端部。考慮到模具隔熱板制造成本較高，且過(guò)厚的隔熱板影響模具裝配。最終選用40 mm厚度模具隔熱板。為了實(shí)現(xiàn)較好的隔熱散熱效果，對(duì)主要的散熱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要的參數(shù)包括模具水通道直徑D、模具水通道間壁厚B以及水流速度V。采用正交試驗(yàn)分析不同參數(shù)對(duì)模具散熱效果的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，其中K1、K2、K3、K4表示同一水平各因素的1 500 s 后上模座端面溫度的總和，方差分析見(jiàn)表6。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab. 5 Trials and results of orthogonal experiment

表6 方差分析表Tab. 6 Analysis results of variance

通過(guò)以上方差分析可知：3個(gè)參數(shù)中對(duì)模座端部溫度的影響順序依次是模具水通道直徑D、水流速度V與模具水通道間壁厚B。其中水流速度和水通道直徑對(duì)模座端部溫度的影響最為顯著。結(jié)合表5中的K值進(jìn)行分析可知，水通道間壁厚對(duì)模座端部溫度影響不大。當(dāng)水流速度V≥5m·s-1時(shí)，繼續(xù)增加水流速度對(duì)模座端面溫度的變化幾乎沒(méi)有影響。

綜上，為了實(shí)現(xiàn)較好的模具隔熱效果，應(yīng)優(yōu)先考慮模具水通道直徑和水流速度。當(dāng)水流速為5 m·s-1，水通道直徑為14 mm時(shí)，此時(shí)模具具有較好的隔熱效果。

4 連接方案驗(yàn)證

為研究鋁合金在連接過(guò)程中的開(kāi)裂問(wèn)題，本次連接材料選用6061、6082鋁合金，分別在20 ℃和300 ℃下進(jìn)行連接。由于20 ℃下鋁合金塑性較差，連接管發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致連接失敗，如圖11a所示。在300 ℃下鋁合金塑性得到很大提高。圖11b中連接兩管連接緊密，接頭無(wú)明顯的裂紋缺陷，連接質(zhì)量較好，滿(mǎn)足連接要求。驗(yàn)證了連接工藝及模具設(shè)計(jì)的合理性。

圖11 不同溫度下管連接接頭Fig. 11 Tube connection at different temperatures

5 結(jié)論

本文對(duì)一種基于軸向壓縮失穩(wěn)的不等徑薄壁管加熱連接工藝進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)塑性連接模具的強(qiáng)度和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析。

（1） 整套連接模具綜合考慮了工藝所需的加熱、定位、隔熱散熱要求。接頭試制結(jié)果驗(yàn)證了連接模具設(shè)計(jì)的合理性。

（2） 為了保證模具的隔熱散熱性能，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究各參數(shù)對(duì)模具溫度的影響。由結(jié)果可知，水流速度和水通道直徑對(duì)模座端部溫度的影響更顯著。當(dāng)水流速度V≥5 m·s-1時(shí)，模座端面溫度不再受水流速度的影響。

（3） 根據(jù)模具凸凹模的應(yīng)力分析結(jié)果，凸凹模在20 ℃和600 ℃下的最大應(yīng)力均位于模具與連接接頭接觸的端面上。20 ℃和600 ℃下最大應(yīng)力分別為505 MPa、602 MPa，滿(mǎn)足模具強(qiáng)度要求。

作者貢獻(xiàn)聲明：

吳航宇：論文撰寫(xiě)，模具設(shè)計(jì)與分析。

余海燕：學(xué)術(shù)指導(dǎo)，論文審閱及修改。