基于有限元的端子壓接工裝刀片刃口優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫立華，張寶慶，宋大利

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春住電汽車線束有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

線束是當(dāng)今電子信息行業(yè)中發(fā)展最快、市場(chǎng)需求量最大、安裝最為方便的產(chǎn)品之一［1］。計(jì)算機(jī)內(nèi)外部設(shè)備、飛機(jī)、汽車、軍用儀器及普通家電通訊設(shè)備等均廣泛使用線束。據(jù)了解，平均每輛汽車大約需要65套線束，2011年中國(guó)汽車的銷量在1500萬(wàn)輛左右。然而，由于歷史發(fā)展的客觀原因，歐美的線束廠家一直壟斷著線束制作的高端工藝，中國(guó)的線束廠有上千家之多，在管理制度和技術(shù)研發(fā)上缺乏后續(xù)跟進(jìn)，與歐美廠家有一定的差距［2］。作為影響線束質(zhì)量最大因素的壓接工藝，其壓接工裝刀片刃口結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)一直沿用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法，效果的好壞完全靠生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，沒有根據(jù)可依。

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，有限元模擬分析得到了越來越廣泛的重視與應(yīng)用，并成為解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的有效途徑。端子壓接過程中伴隨著幾何非線性與材料非線性等復(fù)雜問題，故采用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的技術(shù)手段是解決此類問題的有效方法。

1 端子壓接過程

線束端子壓接是汽車線束生產(chǎn)過程中非常重要的工序，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線與端子有效、可靠連接的方法，具有工藝簡(jiǎn)單、連接可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［3］。其原理是通過外力使電線與端子接觸面強(qiáng)力結(jié)合，工藝過程為：通過動(dòng)力沖頭上的上刀片做上下運(yùn)動(dòng)，與下刀片配合，在刃口部分對(duì)端子與電線強(qiáng)力沖壓，使其發(fā)生彈塑性變形，產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合力。端子壓接工藝如圖1所示。

2 尺寸計(jì)算

2.1 中性層長(zhǎng)度計(jì)算

壓接前端子斷面如圖2所示，壓接后端子剖視圖如圖3所示。圖2中，端子下部圓弧可近似為內(nèi)徑r2的半圓，中性層半徑ρ＝r2＋kt，其中，k為中性層位置因數(shù)，t為板料厚度。由經(jīng)查表可得到中性層位置因數(shù)k，半圓中性層長(zhǎng)度

圖1 端子壓接工藝示意圖

2.2 下刃口半徑R的計(jì)算

在端子受擠壓塑性變形過程中，最外層的伸長(zhǎng)率為：

設(shè)彎曲后中性層不發(fā)生內(nèi)移且板厚保持不變，取k＝0.5，那么將代入式（1）得：

由式（2）可知，對(duì)于一定厚度的材料，彎曲半徑越小，外層金屬的相對(duì)伸長(zhǎng)量越大。當(dāng)外層金屬的相對(duì)伸長(zhǎng)量達(dá)到材料的斷后伸長(zhǎng)率時(shí)，彎曲半徑達(dá)到最小值，板料就會(huì)產(chǎn)生彎曲裂紋?，F(xiàn)將材料的斷后伸長(zhǎng)率

設(shè)端子壓接前、后中性層長(zhǎng)度無(wú)變化，且原端子斜邊長(zhǎng)度m構(gòu)成新斷面的l與彎曲部分長(zhǎng)度之和，新端子斷面底部弧長(zhǎng)n為壓縮前下半圓的長(zhǎng)度。根據(jù)圖3知：

式（5）中，n值已知，故R值可求?？紤]到l應(yīng)傾斜一定的角度，這樣有助于線芯的夾緊。設(shè)寬高比為ε，有B＝εH，故可推得：

將式（4）代入式（6）得：

3 正交試驗(yàn)與有限元模擬

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法［4］，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。在這里采用大型通用有限元軟件Deform對(duì)端子變形進(jìn)行模擬，對(duì)刃口傾角θ與寬高比ε兩個(gè)參數(shù)分別取3個(gè)水平進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取某一端子型號(hào)，由端子斷面可知m、n值，根據(jù)式（5）、式（7）、式（8）計(jì)算得正交試驗(yàn)表，見表1。

圖2 壓接前端子斷面

圖3 壓接后端子剖視圖

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表 mm

在模擬過程中，將上、下刀片設(shè)為剛性，端子設(shè)為彈塑性，充分考慮端子塑性變形及彈性回彈問題。模擬后觀測(cè)各端子變形情況，當(dāng)ε＝2.0時(shí)，工件下面變形過大向上突起，不符合線束模具要求（如圖4（a）所示）；當(dāng)ε＝1.6時(shí)，封口情況均不好（如圖4（b）所示）；當(dāng)ε＝1.8時(shí)，觀察3個(gè)θ值的端子變形情況，在θ＝5°時(shí)較優(yōu)（如圖4（c）所示）。

由此正交模擬試驗(yàn)中可得結(jié)論：端子變形質(zhì)量受寬高比影響較大，受傾角θ影響較小，且相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸有進(jìn)一步優(yōu)化的可能。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與檢驗(yàn)

按照模擬試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸的壓接工裝上、下刃口（如圖5所示）。在長(zhǎng)春住電汽車線束有限公司進(jìn)行了大量壓接實(shí)踐檢驗(yàn)，端子壓接成形穩(wěn)定，質(zhì)量好，且刀片壽命較傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的刀片明顯提高。端子壓接剖面檢測(cè)圖片見圖6。

圖4 不同參數(shù)的端子變形斷面

5 結(jié)語(yǔ)

本文將有限元正交模擬試驗(yàn)應(yīng)用于端子壓接實(shí)驗(yàn)，不但可模擬分析端子變形過程、刀片受力情況，還可對(duì)刀片刃口結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)壓接刀片的使用壽命，保證壓接質(zhì)量。該項(xiàng)研究是首次將有限元分析結(jié)合正交試驗(yàn)法應(yīng)用于線束壓接工藝刀片刃口尺寸設(shè)計(jì)中，對(duì)于提高壓接工藝水平、延長(zhǎng)刀片使用壽命具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 上、下刀片實(shí)物圖

圖6 端子壓接剖面檢測(cè)圖片

［1］ 湯愛軍.汽車線束自動(dòng)端子壓接機(jī)的夾具和模具設(shè)計(jì)［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，18（3）：100－107.

［2］ 張國(guó)峰.關(guān)于提升“汽車神經(jīng)”核心競(jìng)爭(zhēng)力的討論［J］.零部件論壇，2010（7）：13－16.

［3］ 胡建華，王瑩.車用線束端子壓接工藝研究［J］.汽車零部件，2010（10）：64－67.

［4］ 欒軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.