自沖鉚接工藝的研究及改進(jìn)措施

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摘要：采用3種不同尺寸的半空心鉚釘，對4種不同材質(zhì)、不同厚度的板料進(jìn)行了自沖鉚接試驗；提供了鉚接過程
中的力一行程試驗曲線和鉚接的單位成形力，并進(jìn)行了分析；展示出鉚接試驗結(jié)果；在分析影響鉚接質(zhì)量的諸因素的
$ W2 w' l; S$ G8 U8 g* k. l5 |基礎(chǔ)上，對鉚釘和凹模的設(shè)計提出了量化指標(biāo)和改進(jìn)方案．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
關(guān)鍵詞：連接工藝；自沖鉚接；汽車輕量化鉚接機(jī)專家網(wǎng)
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7 \% ?; j1 j1 [. y9 J- O隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，從而使汽車制造商更加重視車身總成的輕量化和連接的高質(zhì)量，并尋求減少車身重量的辦法，其中之一就是使用輕型材料，如鋁、塑料等原料．迄今為止，點焊(電阻焊)是連接鋼板車身結(jié)構(gòu)的主要方法，但是對于黑金屬與有色金屬的連接，有色金屬(如薄鋁板)之間的連接，金屬與非金屬的連接，非金屬之間的連接，點焊就很困難或無能為力了【1I．大批量生產(chǎn)的汽車，在車身零件粘接、焊接、鉚接等連接中，為了連接不能進(jìn)行點焊和難于進(jìn)行點焊的
/ N% P' L$ x" K* }9 r- P材料，鉚接特別是自沖鉚接，越來越受到重視和青睞．但對自沖鉚接的研究我國目前尚處于空白．自沖鉚接是一個在板料和鉚釘之間形成連接而不需要預(yù)沖孔的新工藝．使用的半空心或?qū)嵭你T釘先作為沖孑L的沖頭，而后與被鉚接板料一起進(jìn)行塑性
變形以達(dá)到連接的目的怛J．自沖鉚接有幾種工藝類型，其中，半空心鉚釘自沖鉚接工藝的鉚接過程如下：首先壓邊圈和凹模用預(yù)緊力將板料夾緊，而后半空心鉚釘被沖頭壓下，鉚釘充當(dāng)沖頭作用穿透上層板料，同時進(jìn)入下層板料，隨著下層板料流人凹模，鉚釘與下層板料一起擴(kuò)張并產(chǎn)生塑性變形，在兩板料間形成一個機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)，從而完成連接．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
4 x/ @% o* u  A" w, N1半空心鉚釘自沖鉚接試驗
1．1試驗準(zhǔn)備
1)鉚釘形狀和尺寸的確定：參考國外自沖鉚釘標(biāo)準(zhǔn)㈦3，作為工藝試驗，盡量選擇較簡單的鉚釘外形．鉚釘頭部為平頂?shù)箞A臺，且所有鉚釘頭直徑相同，以便于試驗時定位對中，其形狀、尺寸見圖1．
2)凹模設(shè)計尺寸見圖2，材質(zhì)為Crl2，硬度為
" a9 ]( S4 c  b  oHRC58—62141．
* ]) z6 \# p. W+ |4 ~2 g: q3)按照尺寸，對鉚釘和模具均采用機(jī)加工．

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4)試驗方案的制定：經(jīng)過對鉚釘規(guī)格、凹模尺寸和將要進(jìn)行鉚接的材質(zhì)及料厚等參數(shù)的分析，制訂了試驗方案．鉚釘?shù)囊?guī)格有M1、M2和M3 3種，鉚接板料有4種組合，見表1．原則上鉚接較厚的板料需要較大的鉚釘尺寸，相應(yīng)的凹模尺寸也較大，而鉚接板料較薄時正好相反．

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% p9 x8 ]' b9 R/ h' V7 ?, D4)試驗方案的制定：經(jīng)過對鉚釘規(guī)格、凹模尺寸和將要進(jìn)行鉚接的材質(zhì)及料厚等參數(shù)的分析，制訂了試驗方案．鉚釘?shù)囊?guī)格有M1、M2和M3 3種，鉚接板料有4種組合，見表1．原則上鉚接較厚的板料需要較大的鉚釘尺寸，相應(yīng)的凹模尺寸也較大，而鉚接板料較薄時正好相反．
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5)試驗?zāi)＞撸涸囼災(zāi)＞叱�了凹模外，還有沖頭和壓邊圈，其閉合狀態(tài)見圖3．將沖頭固定在上模部分，凹模固定在下模部分，壓邊圈固定在下模座上，壓邊圈的作用一方面壓緊板料，避免板料產(chǎn)生翹曲，同時還容納鉚釘，使其放正．使用標(biāo)準(zhǔn)模座，利用導(dǎo)柱導(dǎo)套對中．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
! o; i. D: w+ C$ a3 N$ b7 A! ^7 k6)試驗裝置及數(shù)據(jù)采集：試驗在WE．30型萬能試驗機(jī)上進(jìn)行．采用自行設(shè)計和制作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5]5，其中包括通用微機(jī)、傳感器、信號調(diào)理器一A／D轉(zhuǎn)換卡(測試卡)等硬件和測試系統(tǒng)軟件組成．傳感器輸出的電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理器放大、濾波后，由A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；經(jīng)計算機(jī)得到試驗中載荷數(shù)據(jù)，并對試驗數(shù)據(jù)自動處理．試驗機(jī)微機(jī)測試系統(tǒng)的原理和組成如圖4．
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* G0 v: m) \/ f% o1 u# U$ m% B# n1．2空心鉚釘自沖鉚接試驗
1)試驗的進(jìn)行：將試驗?zāi)＞甙惭b在試驗機(jī)上，確保對中．試驗時，先使板料置于壓料板的下面，然后施加足夠的壓邊力；選擇相應(yīng)規(guī)格的鉚釘，平正放人壓料板中心孔內(nèi)；而后運(yùn)行壓力機(jī)進(jìn)行成形，操作中需使滑塊的運(yùn)動速度盡量均勻，直到鉚釘上端面與上層鉚接板料鉚平為止．計算機(jī)將數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示為“時間——載荷”曲線；事先需人工設(shè)定“載荷比例”及“采樣比例”．載荷比例表示曲線縱坐標(biāo)的比例，一般用預(yù)想的最大載荷值進(jìn)行換算而設(shè)定，以保證采集到的曲線不會超出坐標(biāo)范圍．“采樣比例”表示曲線的橫坐標(biāo)比例，同樣為了便于觀測，通過壓力機(jī)的行程速度來設(shè)定合適的采樣比例值．以上兩個參數(shù)值的設(shè)定將利用試做確定之．顯然，最后所采集到的數(shù)據(jù)為隨著時間變化的載荷值．根據(jù)不同的采樣比例，每個試驗樣本最后采集的數(shù)據(jù)至少為250個．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
  K# C2 o9 g. w+ Y2)數(shù)據(jù)的整理及曲線繪制：通過觀察所采集的試驗數(shù)據(jù)，試驗之初由于消除間隙和摩擦等因素所致，有數(shù)據(jù)的波動，這些波動數(shù)據(jù)可略去不計．將載荷值開始穩(wěn)步提高的第一個點作為統(tǒng)計的第一個點．當(dāng)沖頭行至終點時，為最大載荷值，此后所采集載荷數(shù)據(jù)也略去不計．由此可得到每個試驗樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，稱為“有效點”．每個試驗樣本數(shù)據(jù)有效點個數(shù)不同．然后在有效點的范圍內(nèi)選取一定個數(shù)的點進(jìn)行篩選．為便于比較，每一組試驗所選取的數(shù)據(jù)點個數(shù)相同．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
' y- p; K4 P8 k& {- e( D" `    將篩選后的數(shù)據(jù)分組編號，并將橫坐標(biāo)的時間數(shù)據(jù)折合成為行程數(shù)值(mm)．利用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將同組試驗的行程一載荷曲線圖列于同一圖上以便于比較．由圖中可以清晰地看到，在相同的凹模規(guī)格、鉚釘規(guī)格和板料規(guī)格下，載荷的變化很有規(guī)律．同時可利用此程序得到每種試驗的行程一載荷曲線，下面只選取試驗方案的第一組試驗曲線，見圖5．圖中的橫坐標(biāo)均為行程(mm)，縱坐標(biāo)均為載荷(kN)．鉚接機(jī)專家網(wǎng)

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+ U9 k% O8 q+ V' f; Q( Q, K* y2試驗結(jié)果及分析
' \# p( z- F( J% r2．1鉚接力
將測試記錄的數(shù)據(jù)整理見表2．表中，鉚接的最大單位壓力P=P一／(兀d32／4)，d3為鉚釘腿外部直徑，P為鉚釘腿部(并非頭部)承受的最大單位鉚接力，P一為最大鉚接力．表2沖裁力和鉚接力

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2．2鉚接效果
! o2 b" d+ I& ~對鉚接后試件用線切割沿子午面剖分，其結(jié)果見圖6至圖8．對表1的試驗方案逐次觀察其鉚接效果，由此看出：
1)0．4 rain黃銅+1 mlTl鋁由于下層板料厚度過薄，而相應(yīng)所采用的鉚釘過長，而將兩層板料均穿透，導(dǎo)致鉚接失效．
2)1 mill鋁+2 mlTl鋁及2 rfln]鋁+2 inIn鋁認(rèn)真觀察可發(fā)現(xiàn)，雖然鉚接上了，鉚接后凹模形腔并沒有完全被充滿；而且，包容變形后鉚釘?shù)南聦影辶系暮穸忍�薄，甚至有的接近被穿透的狀態(tài)．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
3)仔細(xì)觀察圖6可發(fā)現(xiàn)，在鉚釘頭部和腿部過渡區(qū)，外層金屬與鉚釘之間存在間隙．
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2．3試驗結(jié)果的分析
' L/ G3 A# l) U, d8 y2．3．1關(guān)于變形力·
由試驗曲線可明顯看出鉚接過程有兩個階段：①鉚釘穿透上層板料以沖裁為主的階段；②鉚釘進(jìn)人下層板料并隨下層板料一起擴(kuò)張的擴(kuò)張階段．沖裁階段所需要的力不大，擴(kuò)張階段所需成形力顯著上升．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
3 G: K' B8 @) a+ B2．3．2對鉚接后形狀的分析
1)鉚釘?shù)拈L度與板料厚度應(yīng)有良好的匹配．過長時容易全部穿透，過短時，鉚釘和下面板料變形量不足同樣使鉚接失效．
2)鉚釘?shù)念^部尺寸過大．致使頭部進(jìn)入被鉚接板料過多，使鉚釘?shù)耐炔肯乱疲�有可能穿透下層板料，至少會使下層板料包容變形后鉚釘?shù)暮穸忍�薄，影響鉚接的連接強(qiáng)度．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
7 Z2 s& D% {: K9 }3)鉚釘?shù)耐炔砍叽缙��。�完好的鉚接后的鉚釘形狀應(yīng)類似于“倒置高腳杯”，即變形后鉚釘?shù)闹饾u擴(kuò)張的側(cè)壁應(yīng)長一些，而后在最下部分開為八字狀，而該結(jié)果類似于“倒置高腳碟”形狀．
4)影響鉚接質(zhì)量的主要因素是：鉚釘尺寸、材質(zhì)(機(jī)械性能)，凹模的尺寸、形狀，被鉚接板料的材質(zhì)(性能)、料厚及其組合等．要得到良好的鉚接質(zhì)量，上述各參數(shù)之間應(yīng)有良好的匹配關(guān)系．5)鉚釘硬度也是一個重要的特征．鉚釘必須有足夠的硬度來穿透上層板料，同時也要有足夠的塑性與底層板料一起向外擴(kuò)張．若硬度太低，鉚釘在沖裁過程中可能被“壓塌”而無法進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)張；若硬度太高，將延遲“擴(kuò)張階段”，使底層板料包圍鉚釘?shù)牧?font class="jammer">& }% C9 t4 G; `$ @0 M
厚太小甚至穿透底層板料，或者鉚釘尾部在擴(kuò)張時破裂(為此，我們曾做過多次不同溫度的回火試驗)，或者擴(kuò)張程度不夠而影響鉚接的連接質(zhì)量．
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* U& T. Q5 V% s* @9 H3改進(jìn)措施4結(jié)論
$ |3 L4 S- V/ q3．1鉚釘?shù)男螤?br /> 1 R/ _2 B/ h; z3 t$ v針對試驗結(jié)果及其分析，對鉚釘?shù)男螤顟?yīng)加以改進(jìn)，減少頭部直徑及厚度．頭部直徑一般比桿直徑大2～3 inln，而頭部的厚度應(yīng)在0．5。1 m／n，以鉚住上層板料為宜．鉚釘腿部長度很重要，它與被鉚板料厚度有直接關(guān)系，其長度隨著被鉚接板料厚度的增加而增加．根據(jù)對現(xiàn)有的國外鉚接圖片分析，鉚釘總長度應(yīng)比被鉚接板料的總厚度大2～2．5 rain為宜．腿部直徑與被鉚接板料的總厚度有關(guān)，鉚釘腿部直徑應(yīng)比被鉚接板料的總厚度大1～2 mlTl．在實際生產(chǎn)中鉚釘表面要有涂層或鍍層，以達(dá)到抗腐蝕要求和外觀要求．如果鉚接板料總厚度為4．5 mln，本文建議使用圖9所示的鉚釘尺寸．鉚接機(jī)專家網(wǎng)


) [- l2 y9 n& C8 L8 _0 L3 j  z$ Y3．2凹模的尺寸
對于凹模的尺寸，已有一些國外文獻(xiàn)的報道，本文的圖3就是參考國外文獻(xiàn)設(shè)計的．值得提出的是，凹模中間的凸臺尺寸更為重要些，凹模的口徑應(yīng)是在鉚釘腿部直徑的基礎(chǔ)上，增加下層板料兩倍的厚度值．凹模的深度將決定鉚接后下面突出高度，應(yīng)使鉚接后的突出高度為l一1．5倍的下層板料的厚度值．若想使鉚接后板料均勻地包緊鉚釘，凹模型腔應(yīng)被充滿．設(shè)計凹模時，凹模尺寸應(yīng)使型腔體積與鉚釘?shù)捏w積相同或略大，鉚接終止時使凹模處于“礅滿”狀態(tài)，以避免某些角部出現(xiàn)間隙(欠充滿)問題，以確保鉚接質(zhì)量．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
3．3鉚接板料的放置位置
! C2 s9 @$ ~  j* X& Y鉚接兩層不同板料時，應(yīng)將塑性好的材料放在下層；鉚接三層以上板料時，應(yīng)將塑性好的放在中間；鉚接相同材料而厚度不同的板料時，應(yīng)將較厚的板料放在下層，較薄的板料放在上層．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
0 X+ J6 t; e5 t4 V7 r7 ]; U! `4、結(jié)論
1)通過初步試驗證明，半空心自沖鉚接工藝是切實可行的．
2)由試驗得出了半空心鉚釘自沖鉚接工藝所需要的最大單位鉚接力，為自沖鉚接機(jī)的設(shè)計提供了依據(jù)．
3)半空心鉚釘自沖鉚接工藝，屬于多種復(fù)合材料的塑性變形，從工藝原理上并不復(fù)雜，類似“釘書機(jī)”的原理；而尋求各種變形材料(包括鉚釘和被鉚接的多層板料)的性能匹配、形狀匹配、尺寸匹配等，尚需要做大量的試驗和計算機(jī)模擬工作，本文的工作僅是一個初步探索．鉚接機(jī)專家網(wǎng)
# i& z" |8 g7 B9 R0 W7 N! y4)提出了鉚釘、凹模尺寸設(shè)計的原則、量化指標(biāo)和改進(jìn)方案．
5 Z+ c9 _( z: f9 }) h& u3 }5)自沖鉚接工藝可用于不同材料之間的鉚接，是除點焊工藝之外的行之有效的連接方法，在汽車車身輕量化發(fā)展中有良好的應(yīng)用前景．自沖鉚釘?shù)闹圃?如采用冷鐓工藝)、自沖鉚接機(jī)的設(shè)計和商品化等必須配套，才能真正應(yīng)用于生產(chǎn)實際中．
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自沖鉚接機(jī)也叫鎖鉚機(jī)