交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接技術(shù)研究

文/趙升噸，徐凡，范淑琴，韓曉蘭·西安交通大學機械工程學院模具所

交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接技術(shù)研究

文/趙升噸，徐凡，范淑琴，韓曉蘭·西安交通大學機械工程學院模具所

無鉚釘連接技術(shù)被廣泛應用于汽車、航天以及家電行業(yè)金屬板料的連接，主要加工薄板金屬。雖然關(guān)于無鉚釘連接的專利早在19世紀就已經(jīng)出現(xiàn)了，但是上個世紀才被人們開始重視，尤其是隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及人們對環(huán)境要求的不斷提高，無鉚釘連接技術(shù)也開始走進人們的視野，并廣泛地應用到各個領(lǐng)域中。圖1為無鉚釘連接和有鉚釘連接在汽車引擎蓋上的分布情況。

另外，在汽車車頂骨架、前蓋內(nèi)板加強件、汽車前蓋扣鎖加強板、行李箱蓋板等零部件中都使用了無鉚釘連接技術(shù)，在國外的奧迪、寶馬、奔馳、大眾、雪鐵龍、福特、通用等國際知名公司都已在汽車制造業(yè)中廣泛采用了無鉚釘連接技術(shù)。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)無鉚釘連接技術(shù)也受到了眾多汽車生產(chǎn)廠家的青睞，如一汽大眾的邁騰、速騰、新寶來、上海大眾的途安、上海通用的凱迪拉克等都在車身上應用了無鉚釘連接技術(shù)。

目前應用最廣的無鉚釘連接設備，主要采用氣動和液動兩種驅(qū)動方式進行無鉚釘連接。德國TOX公司以氣液增壓，英國Henrob公司伺服電動系統(tǒng)的自沖鉚接設備和工藝采用兩種，瑞士Baltec公司徑向鉚接設備采用的也是氣動和液動增壓的方式進行無鉚釘連接，國內(nèi)設備主要來源于國外的技術(shù)支持。隨著直驅(qū)技術(shù)成為國外數(shù)控機床領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先者的象征，也成為國內(nèi)數(shù)控機床領(lǐng)域的技術(shù)競爭焦點。本文提出的交流伺服電動機直驅(qū)式技術(shù)不僅在效率上要高于目前的氣動、液動、電動的沖鉚設備，同時在能量上也較前面幾種設備更加節(jié)能。

圖1 無鉚釘連接和有鉚釘連接在汽車引擎蓋上的分布

交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備

交流伺服直驅(qū)無鉚釘連設備能夠連接不同板厚、不同材質(zhì)的材料與機器人技術(shù)相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)自動化。連接不同的材料、難焊接材料、多層材料后，可實現(xiàn)連接質(zhì)量一致、無煙氣或火花產(chǎn)生、低噪聲和低能耗，減少能量的轉(zhuǎn)化時間，易于自動化生產(chǎn)，使得生產(chǎn)周期和點焊時間相匹配或更短，還可以改善連接性能，特別是在鋁部件連接方面比點焊好。國外的Paderborn大學，Edinburgh大學和Lappeenranta大學都開始對其進行了相應的研究。

無鉚釘連接機理

無鉚釘（Clinching）連接是利用板件本身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的一種板件連接技術(shù)，這是一種不需要額外連接件的板料連接方式。這種連接方式不需要點焊、鉚接即可實現(xiàn)不同厚度不同材料的兩層或多層板件的最佳連接。連接對板件表面無任何要求，表面有鍍層、噴漆的工件無需處理即可直接連接，并且不損傷工件表面，無連接變形。這種連接廣泛應用于汽車工業(yè)中，特別是應用汽車車體。

交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備，主要包括交流伺服直驅(qū)壓力機、上模具、下模具三個部分。圖2為壓力機設計總體框圖，圖3為交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備的壓力機裝置。交流伺服壓力機具有效率高、精度高、柔性好、噪聲低以及節(jié)省能源等許多優(yōu)點，可依據(jù)功能需求不同，設定相應的滑塊行程和沖壓速度，而且能夠很好的保證下死點的定位精度和重復定位精度，這樣可大大減少缺陷的出現(xiàn)，保證產(chǎn)品的成形連接質(zhì)量。同時，由于壓力機運行平穩(wěn)、振動小、模具不易振動，也提高了模具的使用壽命。直驅(qū)壓力機省去了傳統(tǒng)壓力機的離合器、制動器和飛輪等部分，節(jié)省了摩擦材料、電能和耗油量等，使機器的運行成本大大降低。無鉚釘連接的模具被安裝在后側(cè)導柱鑄鐵的滾動模架上，當沖頭將上下板料壓入下模具，并滿足壓縮組合厚度時，沖頭停止向下移動并向相反的方向移動復位，模具設計采用德國TOX公司的研究成果。

圖2 壓力機設計總體框圖

圖3 交流伺服直驅(qū)壓力機實物照片

交流伺服控制系統(tǒng)的設計

交流伺服無鉚釘連接設備的核心是對交流伺服系統(tǒng)的控制，伺服控制系統(tǒng)的好壞將極大地影響加工零件的精度和加工效率。只有伺服控制系統(tǒng)設計的穩(wěn)定、可靠和高精度，才能發(fā)揮出伺服壓力機異于普通機械壓力機的優(yōu)良特性。目前，常用的控制系統(tǒng)設計有三種方案：一是采用PC＋運動控制卡結(jié)構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)，這種方式控制能力強、靈活性好、功能穩(wěn)定，適合控制系統(tǒng)復雜、控制現(xiàn)場環(huán)境較好的場合；二是PLC控制方式，這種控制方式簡單、易用，且穩(wěn)定可靠；三是采用嵌入式控制，這種控制以嵌入式CPU為核心，自己搭建外圍控制電路，這種控制方式可以大大減小控制器的體積，使系統(tǒng)更加緊湊可靠。本文涉及的壓力機結(jié)構(gòu)小巧緊湊，采用嵌入式控制方案。圖4為伺服系統(tǒng)總體設計。

本文采用了圖5所示的伺服控制系統(tǒng)總體接線圖，設計單片機為核心的外圍電路板，壓力信號、光柵信號以及控制面板上的開關(guān)量信號，都要經(jīng)過外圍電路板通過排線將其傳送到ARM9中，控制電機的指令脈沖也需要經(jīng)過外圍電路的處理才能傳到伺服電機驅(qū)動器上，以控制伺服電機的運轉(zhuǎn)。從圖5可以看出，整個接線圖的核心就是外圍電路，是一個大的中轉(zhuǎn)站，所以必須設計出PCB板。

圖4 伺服系統(tǒng)總體設計

圖5 伺服控制系統(tǒng)總體接線

圖6 驅(qū)動器與電機連接

伺服驅(qū)動器與電機的連接方式（圖6）中，電機和驅(qū)動器之間直接連接的有兩條線：一條是電源線；另一條是光電編碼器的信號反饋線，通過這條線將電機轉(zhuǎn)子的絕對位置反饋給驅(qū)動器，在驅(qū)動器和電機之間形成閉環(huán)控制。電機和驅(qū)動器供電都通過直接接到驅(qū)動器上的三相電源線提供，由于伺服電機的磁場對控制電路有較大影響，一般在電源線上需接噪聲濾波器，以減少電機磁場對控制電路的影響。外電阻一般用在功率較大的電機的場合，以實現(xiàn)快速制動。在制動比較容易的場合，一般不外加制動電阻。若不接外電阻時，要將PC和PI之間短路連線，P不做任何連接。

■表1 材料的化學組成 （％）

實驗研究

材料性能實驗

實驗用厚度為2mm的鋁合金板料Al6061，具有性能均勻、成形性好的優(yōu)點，化學成分見表1。單向拉伸試樣，即通過線切割從板料的軋制方向（0°）、垂直軋制方向（90°）與軋制成45°三個方向分別取兩組試樣，然后對試樣進行機加工以及細砂紙表面拋光，確保外形尺寸及表面光整。根據(jù)國標進行常溫下板料單向拉伸力學性能試驗，數(shù)據(jù)記錄方式為應力－應變曲線（圖7）。

由于Al6061板料單向拉伸實驗獲得6組試樣，根據(jù)等向強化模型參數(shù)識別方法，采用混合等向強化方程來描述Al6061板料的流動應力曲線參數(shù)如表2所示。

圖7 Al6061試樣應力-應變曲線

■表2 Al6061材料性能

圖8 無鉚釘連接接頭剖面圖

無鉚釘連接實驗

交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備作為主要的工作裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)變速、變行程，有效的提高效率。當沖頭到達預期位置，開始反向運行。在無鉚釘連接過程中，主要在剖面上創(chuàng)建S形機械鎖。在塑性成形連接過程中，模具幾何形狀是一個重要的影響因素，且材料本身的性能也影響接頭的質(zhì)量。當板料底部厚度達到組合厚度的40％的時候，S形基本形成。并且，評價接頭質(zhì)量的定量標準主要就是接頭的強度。一般情況下，該設備能夠提供10～150kN的沖壓力。圖8為無鉚釘連接的接頭剖面。

Al6061板的力學性能在測試中，接頭的形狀多為圓形或者方形，本實驗中主要采用圓形接頭。Y.Abealet等人的文章中，闡述了高強鋼的斷裂主要因為較差的韌性和沖頭拐角處的變形情況，并提出接頭強度決定鉚接質(zhì)量的評價因素。

強度實驗

為了方便對接頭進行強度測試，一般情況在鉚接的過程中將板料的排列分成水平和垂直兩種，測量板料的拉伸強度采用垂直的排列方式，設計專用夾具進行測量。而對接頭進行剪切強度測試，則采用水平排列的方式，也需要設計專用夾具進行測量。圖9為無鉚釘連接接頭的強度測試樣本，包括水平和垂直兩種排列方式。

在實驗過程中，5個樣本被作為剪切強度測試樣本，5個樣本被作為拉伸強度測試樣本，這兩組實驗樣本使用同樣的拉伸設備，更換夾具進行拉伸和剪切實驗，表3、4為抗拉試驗和抗剪實驗所需拉力實驗數(shù)據(jù)。其中，測試速度為0.5mm/s，在拉伸情況下拉伸力需要1200N，而剪切測試下能夠承受的剪力為1170N，在拉伸力和剪切力的作用下接頭的斷裂形式。實驗數(shù)據(jù)表明，該方式所獲得的連接接頭，能夠滿足汽車在正常服役狀態(tài)下所承受的剪切力和拉伸力。

圖9 強度測量樣本

■表3 拉伸強度測試 （N）

■表4 剪切強度測試 （N）

結(jié)束語

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，全鋁車身將成為未來汽車行業(yè)節(jié)能減重的一個重要舉措，而傳統(tǒng)的電焊工藝在很大程度上阻礙了這一進程。因此，如何解決好這些新型板料連接的問題，不僅對這些板料的廣泛應用是一個關(guān)鍵，而且也對現(xiàn)代汽車行業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高和成本降低至關(guān)重要。本文基于交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備進行Al6061的無鉚釘連接實驗，通過拉伸實驗對材料Al6061進行性能測試，獲得材料的本構(gòu)方程，利用交流伺服直驅(qū)無鉚釘連接設備的特性對相同厚度的板料進行塑性成形連接。通過預先設計的連接形式對接頭進行抗拉強度和抗剪強度測試，從而證明塑性成形連接接頭的強度滿足服役用要求。

技術(shù)［e制造］ Technology