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自沖鉚接技術在汽車車身輕量化中的應用

浏覽次數:103 發布日期:2019-08-05

研究表明,當整車質量減輕10%時,燃油經濟性提高3.8%,加速時間減少8%,CO排放減少4.5%,制動距離減少5%,輪胎壽命提高7%,轉向力減小6%。

實現汽車 輕量化 的關鍵是在車身的制造中大量使用輕金屬和非金屬,而連接這些金屬的最佳方法是采用鉚接技術。

原有的鉚接工藝都要求對鉚接材料進行預沖孔,然後再用鉚釘進行連接,這樣的鉚接工藝複雜、外觀差、效率低且不易實現自動化。

自沖鉚接(SPR)工藝克服了傳統鉚接的弊端,實現了沖鉚一次完成,為 汽車 車身的制造開辟了新的途徑。

車身制造中的自沖鉚接工藝

1.1 實心鉚釘的自沖鉚接工藝

圖1所示為腰鼓形實心鉚釘的鉚接工藝,其工作過程為:沖頭推動實心鉚釘向下運動,鉚釘下部的刃口将鉚接材料沖掉并落入凹模内,鉚釘到達凹模後停止運動;

随着沖頭的繼續下行,沖頭下端面的凸台将對鉚接材料加壓,使其發生塑性變形而向内作徑向流動,使其緊緊包住鉚釘,形成穩定的鎖止狀态。

顯然,這種鉚接工藝如同“咬口”鉚接一樣,被鉚接的兩層材料必須是能發生塑性變形的金屬。

圖1 腰鼓形實心鉚釘的鉚接工藝

圖2所示為圓柱形實心鉚釘的自沖鉚接工藝。沖壓時當沖頭行至下止點後,下層的被鉚接材料将充滿鉚釘的環形凹槽内,而鉚釘的上端面則産生“镦頭”,這樣将兩層材料鉚接在一起。

這種鉚接工藝适用于相同金屬材料間的連接、不同金屬材料間的連接和金屬材料與 非金屬材料間的連接。鉚接後鉚釘兩端頭部均較平滑。

圖2 圓柱形實心鉚釘的自沖鉚接工藝

采用實心鉚釘鉚接時應遵循以下原則:

a. 鉚接相同金屬材料時,較厚的放在下層;

b. 鉚接不同金屬材料時,硬度高的材料放在下層;

c. 鉚接金屬材料與非金屬材料時,将非金屬材料放在上層。

1.2 半空心鉚釘的自沖鉚接工藝

圖3所示為半空心鉚釘的自沖鉚接工藝。其工藝過程為:壓邊圈首先向下運動對鉚接材料進行預壓緊,以防止材料在鉚釘的作用下向凹模内流動;

然後沖頭推動鉚釘向下刺穿上層材料;在凹模與沖頭的共同作用下,鉚釘尾部在下層金屬中張開形成喇叭口形狀以鎖止鉚接材料,達到連接目的。鉚接時遵循的原則與實心鉚釘鉚接工藝相同。 在汽車車身制造中,考慮到具體的生産環境、自沖鉚接工藝的特點、連接強度以及應用材料的性質等,實心鉚接工藝因有很多局限性,所以在汽車輕量化生産中主要應用半空心鉚釘的自沖鉚接工藝。

圖3 半空心鉚釘的自沖鉚接工藝

1.3 半空心鉚釘自沖鉚接工藝與點焊工藝連接質量的比較

為比較自沖鉚接件與點焊連接件的疲勞性能,對兩種工藝的連接件進行了疲勞試驗。

首先對同一種材料不同厚度的鉚接件與焊接件進行疲勞試驗,試樣尺寸如圖4所示,試樣厚度分别是1.2mm和3.0mm,材質為鋁合金5754。

統計破壞時的循環次數,試驗結果如圖5 所示。由圖5可知,應用自沖鉚接的連接件的疲勞強度均高于焊接件的疲勞強度。

其次,進行了不同材料及厚度的鉚接件與焊接件的疲勞試驗,試件尺寸如圖6所示,連接材料為厚0.8mm的鍍鋅鋼闆和厚2.5mm的高強度鋼闆。實驗結果如圖7所示。

由圖7可知,自沖鉚接的有鍍層材料的抗疲勞性能比點焊的好,但是連接較厚的高強度鋼材時其抗疲勞性不如點焊的好。兩種連接方法的優缺點比較如表1所列。

圖4 試件尺寸

圖5 鋁合金鉚接件與點焊件的疲勞性能比

圖6 試件尺寸

圖7 不同材料和厚度的鉚接件與點焊件的

表1 兩種連接方法比較

自沖鉚接靜應力和疲勞強度的影響因素

為了更好的制定自沖鉚接工藝,滿足設計強度,必須對影響鉚接強度的因素進行分析和量化,以安排合理的工藝。

對不同凹模凸台高度、不同的鉚釘直徑和長度、不同的鉚接厚度、不同鍍層厚度的連接件分别進行了靜應力試驗和疲勞試驗,以确定各物理量對鉚接強度的影響程度。

靜應力試驗是将測得的連接件連接點破壞時的應力峰值作為其抗靜應力指标。試驗試件為2塊厚1.2mm的5754鋁合金鉚接件,試件尺寸同圖4,凹模和鉚釘尺寸及形狀如圖8所示。

實驗結果表明,連接件的靜應力随凹模凸台高度d(0.25mm-0.5mm)鉚釘直徑(3-5mm)、鉚釘長度(4-5mm、6-6.5mm)、鉚釘材料厚度(1-2mm)的增加而增大,随鉚釘硬度(410-480HV)的增加而先增大後減小,随鍍層厚度(1-2mm)的增大而減小。

對同樣的鉚接件進行不同負荷疲勞試驗,各物理量對疲勞性能的影響與靜應力試驗基本相同。

圖8 凹模和鉚釘尺寸及形狀

通過上述分析可知,影響鉚接靜應力的主要因素是凹模凸台高度和鉚釘長度,而影響鉚接疲勞性能的主要因素是鉚釘直徑、鉚接厚度和負荷。

因此,在實際生産中要合理的匹配影響鉚接質量的基本參數,使鉚接質量達到最優狀态。

鉚接工藝的合理制定

鉚接工藝需要根據所要求的連接強度、使用材料的特性和表面質量來确定。

鉚接工藝确定後再根據鉚接材料的特性來選擇相應材質的鉚釘、凹模的形狀及尺寸、鉚接力的大小,這些數據的選擇及匹配通過試驗測得。

為了保證鉚接質量,提高鉚接的強度,設計的鉚接形式應合理,如圖9中左邊形式。

圖9 鉚接形式優劣對比

a. 避免形成封閉的盒子型截面,如圖9a;

b. 應有足夠的鉚接空間便于鉚接設備操作,如圖9b;

c. 鉚接兩層不同材料時,将塑性好的材料放在上層;三層以上時将塑性好的放中間;鉚接相同材料不同厚度時,将較薄的放在上層,如圖9c;

d. 鉚接點應具有一定的受力長度,如圖9d。

汽車制造中半空心鉚釘自沖鉚接質量的評價

半空心自沖鉚接在汽車車身制造中的連接質量将直接決定車身的強度。

為了保證車身各項指标滿足設計要求,必須對采用的鉚接工藝質量進行評價,以确保鉚接具有足夠的靜應力和疲勞強度。

生産實際中主要通過對鉚接點塑性變形區剖面進行直觀檢查來評價鉚接質量,如圖10所示。

圖10 鉚接質量評價位置示意

a.鉚釘的變形截面應成軸對稱,即鉚接後鉚釘要在子午面上均勻變形,如圖10中部位1;

b.鉚釘頭下端面材料不應有裂紋,正常情況下鉚釘頭與材料間應該充分接觸而沒有間隙,如圖10中部位2;

c.鉚釘與連接材料之間不應有間隙,如圖10中部位3;

d.鉚釘尾部要完全張開,保證有足夠的金屬包圍鉚釘底部,以便有良好的機械自鎖性能,如圖10中部位4;

e.下層金屬應均勻變形,不出現裂紋或被刺穿情況,如圖10中部位5。

通過對自沖鉚接工藝和電阻點焊工藝進行的各項性能比較可知,凡是難于進行焊接的連接都可采用自沖鉚接工藝,而且後者的疲勞極限高于點焊的疲勞極限,完全适用于車身的使用需要。

在車身生産中,“自沖”的特點又為快速生産和實現大批量流水生産創造了條件。

該工藝可用于汽車底盤件、汽車覆蓋件、車座椅、内飾件之間的連接,特别是對于貨車車箱闆間的連接有重要的意義。

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