Моделирование процесса соединения деталей клинчеванием

Н А У Ч Н А Я  М Ы С Л Ь

А.В. СОСОВ

И.М. ЗАКИРОВ
А.В. НИКИТИН
М.А. ЕРАНОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА 

СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ 

КЛИНЧЕВАНИЕМ

МОНОГРАФИЯ

Москва

ИНФРА-М

2023

УДК 624.078.4(075.4)
ББК 34.682

С66

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Рекомендовано к опубликованию Научно-техническим советом 

Казанского национального исследовательского технического университета 

имени А.Н. Туполева

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра технологии конструкционных материалов Казанского национального
исследовательского технологического университета (доктор технических наук 
И.М. Гильмутдинов);
Б.И. Найшулер, кандидат технических наук, доцент, заместитель директора 
филиала по конструированию и технологиям — директор инженерного центра 
Казанского 
авиационного 
завода
имени 
С.П.
Горбунова 
(филиала 

ПАО «Туполев»)

Сосов А.В.

С66

Моделирование 
процесса 
соединения 
деталей 
клинчеванием
: 

монография / А.В. Сосов, И.М. Закиров, А.В. Никитин, М.А. Еранов. —
Москва : ИНФРА-М, 2023. — 127 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-111595-4 (online)

В 
монографии 
рассмотрены 
процессы 
соединения 
деталей 

клинчеванием и экспериментальная оснастка для формирования клинч-
соединений. Описана методика моделирования процессов формирования 
клинч-соединений в программном комплексе DEFORM и их работы на срез 
и разрыв в системе Ansus.

Предназначена для инженерно-технических и научных работников, 

занимающихся вопросами сборки металлических конструкций. Может быть 
полезна студентам вузов при изучении соответствующих курсов. 

УДК 624.078.4(075.4)

БДК 34.682

ISBN 978-5-16-111595-4 (online)
© Сосов А.В., Закиров И.М., 

Никитин А.В., Еранов М.А., 2023

Введение

Ведущими на мировом рынке в области исследований процесса 

клинчевания и разработок соответствующего технологического оснащения 

являются немецкие ученыe и компании (Тох, Eskold, BTM, Bollhoff, Kistler-

IGelGmbH и др.).  

Для сокращения сроков и стоимости внедрения нового процесса в 

производство необходимо иметь методики численного моделирования 

процесса формирования клинч-соединений и расчета основных размеров 

инструмента (пуансона-матрицы), необходимого усилия предварительного 

сжатия соединяемых листов и величины рабочего хода пуансона, а также 

оценки несущей способности полученного соединения.

1. Анализ состояния разработок в области соединения листовых деталей 

методом клинчевания и постановка задачи исследования

1.1. Известные схемы клинчевания

Соединение 
конструктивных 
элементов 
клинчеванием 
(клинч-

соединение) можно отнести к одной из разновидностей обработки металлов

давлением, а именно к листовой штамповке. Процесс осуществляется путем 

взаимной высадки некоторого объема материала соединяемых заготовок и 

осадки его перпендикулярно к плоскости заготовки. Рабочим инструментом 

является блок пуансон-матрица-прижим рис.1.1

Рис.1.1 

1 – пуансон, 2 матрица, 3 – вставка донышко матрицы, 4 – пластинки 

подкладные, 5 – прижим, 6 – заготовки

К настоящему времени наиболее освоенным видом клинч-соединения 

является круглое соединение (Round joint) рис.1.2. – далее будем называть его 

классическое соединение. Круглый пуансон прессует материалы в углубление 

матрицы для их соединения. С нарастанием силы давления верхний материал 

(со стороны пуансона) вдавливается, расширяясь, в нижний материал. В 

результате 
получается 
соединение 
без 
резких 
углов, 
трещин 
и 

шероховатостей.

Рис 1.2 Последовательность формирования клинч-соединения

Рис.1.3 Круглое соединение (Round joint) – классическое соединение

Для создания клинч-соединения с заданными свойствами необходимо:

- построить математическую модель формирования клинч-соединения,

- спроектировать рабочие инструменты: пуансон, матрицу и прижим,

- изготовить образцы клинч-соединений и провести их прочностные 

испытания.

В строгой постановке моделирование формирования клинч-соединения

должно осуществляться по теории течения с учетом переменности граничных 

условий, размеров деформируемых элементов, а также свойств материала в 

процессе деформирования. Большое влияние на решение задачи оказывает 

учет контактного взаимодействия листовых заготовок, а также их 

взаимодействие с пуансоном, матрицей и прижимом. Кроме того, решение 

необходимо получать в рамках геометрически нелинейного процесса 

деформирования.

Величина 
прикладываемого 
к 
пуансону 
усилия 
должна 
быть 

достаточной для обеспечения течения металла в боковом направлении с 

получением замкового соединения за счет соответствующего профилирования 

поверхности матрицы. При этом заготовки, вокруг места соединения 

прижимают к матрице с силой, достаточной для предотвращения течения 

металла против направления действия пуансона.

1.2. Анализ результатов исследований, проведенных в КНИТУ-КАИ 

Для проведения экспериментов по формированию клинч-соединений 

на тест-образцах спроектированы и изготовлены три универсальных штампа, 

позволяющих формировать клинч-соединения на универсальном прессовом 

оборудовании. 

Конструкция
первого штампа
представлена на рис.1.4. Штамп 

укомплектован набором сменных пуансонов диаметрами от 4 мм до 11 мм с 

шагом 0,5 мм, матриц диаметрами 8 мм, 11 мм и 14 мм,  вставок-донышек в 

матрицы и пластинок-подкладных, что позволяет проводить эксперименты по 

формованию клинч соединений в широком диапазоне параметров.

На рис.1.5 представлена фотография штампа, установленного на 

универсальное прессовое оборудование.

Порядок подготовки штампа к проведению эксперимента:

- Установить штамп на верстак.

- Снять крышку 9.

- Вставить пуансон нужного диаметра в державку пуансона 14, в это же 

отверстие на пуансон установить вставку 12.

- Установить верхнюю плиту штампа 9 и закрепить ее винтами.

- Вывернуть основание матрицы 1 из корпуса матрицы 19, вставить в 

него матрицу 20 нужного диаметра, вставить в матрицу снизу пластины-

прокладки 2, подобрав их количество и размеры так, чтобы обеспечить 

требуемую глубину матрицы. Завернуть основание матрицы 1 в корпус 

матрицы 18. Вставить в матрицу сверху вставку-донышко матрицы 3 

требуемого размера.

- Верхнюю часть штампа за хвостовик 8 закрепить на ползун пресса.

- На рабочий стол пресса установить нижнюю часть штампа. 

Рис.1.4 Штамп для формирования клинч-соединений:

1 – основание матрицы, 2 – пластина подкладная, 3 – вставка-донышко 

матрицы, 4 – стакан нижней плиты, 5 – стяжка, 6 – стакан верхней плиты,

7 – индикатор часового типа, 8 – хвостовик, 9 – крышка, 10 – гайка,

11 – верхняя плита, 12 – вставка, 13 – пружина, 14 – державка пуансона,

15 – нижняя плита, 16 – пуансон, 17 – прижим с направляющим стаканом,

18 – заготовка, 19 – корпус матрицы, 20 – матрица.

Рис.1.5. Штамп для формирования клинч-соединений, установленный на 

универсальном гидравлическом прессе ОМА 653 В

Конструкция второго штампа представлена на рис.1.6. 

Рис 1.6 Штамп для формирования клинч-соединений

1 – центрирующий элемент ; 2 – стакан; 3 – наковальня; 4 –

позиционирующий элемент; 5 – прижим; 6 – пуансон; 

7 – опора; 8 – резиновый компенсатор ; 9 – верхняя плита; 10 – стержень; 

11 – трубчатый пуансон;

Конструкция третьего штампа представлена на рис.1.7. Штамп

предназначен для формирования клинч-соединений со вставкой. Процесс 

формирования клинч-соединения со вставкой проводится в две стадии.

На первой стадии процесса формирования клинч-соединения со 

вставкой (рис. 1.7., а) в листы металла 1 и 2, помещенные на верхнюю 

поверхность матрицы 3 и поджатые к ней с помощью прижима-направляющей 

4, вдавливают стержневой пуансон 5, формируя лунку с выдавливанием части 

материала в кольцевой зазор между боковой поверхностью наковальни 6 и