沖鉚技術(shù)在汽車行業(yè)上的應(yīng)用與控制

鐘麗慧，孔淑華，劉志鋼

(一汽大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011)

1 沖鉚技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

隨著社會經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的高速發(fā)展，汽車用戶的需求量在近幾年呈現(xiàn)快速增長的趨勢，行業(yè)競爭也愈發(fā)激烈，要保質(zhì)保量的完成汽車的生產(chǎn)制造，對現(xiàn)代化生產(chǎn)線的板件連接工藝提出了更高的要求，從傳統(tǒng)的點(diǎn)焊、凸焊、螺柱焊、MAG、MIG、TIG弧焊到現(xiàn)在逐漸廣為應(yīng)用的激光焊、等離子焊、鉚接等工藝，各企業(yè)為增強(qiáng)自身的競爭力，將鋁等輕型材料逐漸應(yīng)用到車身制造中，鋁件與鋼相比有較高的熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)低、表面易于銅電極發(fā)生合金化反應(yīng)形成氧化膜等特點(diǎn)，使得鋁合金點(diǎn)焊存在能耗大、電極點(diǎn)蝕嚴(yán)重且焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題[1]，而沖鉚工藝能夠滿足鋼材或鋁等輕型材料的連接要求，鉚接過程中無化學(xué)反應(yīng)，其抗靜拉力和抗疲勞性都要優(yōu)于點(diǎn)焊工藝，且板材在鉚接時(shí)不需要鉆孔，工藝步驟簡化，節(jié)省成本，并能適合汽車車身高效率的生產(chǎn)，有效地攻破了鋁點(diǎn)焊產(chǎn)生的各個(gè)難題，使得近年來沖鉚連接方式被越來越多的應(yīng)用在車身生產(chǎn)制造中，例如車身的覆蓋件、搖窗機(jī)、車頂窗等。

2 鉚接工藝

鉚接按板材受熱方式的不同可分為冷鉚接和熱鉚接，通常情況下汽車行業(yè)上應(yīng)用的都是冷鉚接。按照螺釘通過方式，鉚接分為全鉚接、盲鉚和沖鉚。

全鉚為螺釘在錘子等外力作用下通過板材，在板材的另一側(cè)被墩實(shí)形成墩頭，完成板材連接。

盲鉚（Blindniet）也稱為拉鉚，過程如圖1所示。鉚接前需要對板材鉆孔，此工藝對鉚釘也有特殊要求，拉鉚釘一般為空心鉚釘，中央裝有一只釘梗，釘梗末端為圓形，利用手動(dòng)或氣動(dòng)拉鉚槍對鉚釘施加拉力將鉚釘釘梗咬住，梗頭受壓力，迫使材質(zhì)較軟的拉鉚釘頭向外擴(kuò)張成凸緣形，從而使材料緊密結(jié)合，然后再一次加拉力直到釘梗被拉斷為止，實(shí)現(xiàn)板材的鉚接，此種工藝也常用于沖鉚的返修。

全鉚和盲鉚在鉚接前都需要對板材開孔，工藝過程相對復(fù)雜，而沖鉚不需要。沖鉚分有鉚釘沖鉚和無鉚釘沖鉚，無鉚釘沖鉚（Clinchen）通常稱為沖連，沖鉚工藝目前逐漸被廣泛地應(yīng)用于汽車覆蓋件的連接。下面詳細(xì)介紹沖鉚工藝及質(zhì)量控制方式等。

圖1 盲鉚過程示意

3 沖鉚工藝

3.1 有鉚釘沖鉚工藝

有鉚釘沖鉚鉚釘在上下模具的擠壓作用下，鉚釘腿端部在被嵌入板材的過程中向四周翻開形成鉚扣[2]，從而將上板和下板牢固地連接在一起，此工藝目前廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)的門蓋、側(cè)圍門檻等區(qū)域，以及新興的鋁表面金屬覆蓋件。其過程示意如圖2所示。

圖2 有鉚釘沖鉚過程示意

3.2 無鉚釘沖鉚工藝（Clinchen）

Clinchen沖壓連接技術(shù)又稱無鉚釘鉚接（見圖3），是在TOX氣液增力缸式?jīng)_壓連接設(shè)備上，采用TOX專用連接模具對被連接板件進(jìn)行冷擠壓，通過板件自身材料的塑性變形，形成TOX連接圓點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)連接。TOX氣液增力缸在特殊沖壓力的作用下，凸模一側(cè)的板材被擠壓到凹模側(cè)的板件內(nèi)，在進(jìn)一步的擠壓過程中，板件材料塑性流動(dòng)，形成燕尾狀鑲嵌，即成為一個(gè)TOX連接點(diǎn)。

圖3 無鉚釘沖鉚過程

TOX設(shè)備分為氣壓傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種，由于采用氣壓傳動(dòng)的介質(zhì)是空氣，能源經(jīng)濟(jì)、損失小，容易實(shí)現(xiàn)集中供應(yīng)，且設(shè)備元件簡單、輕便易安裝，所以在汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用，通常采用0.6～1 MPa的壓縮空氣介質(zhì)，即可轉(zhuǎn)化為2～2000 kN的沖壓力，設(shè)備通過壓力開關(guān)設(shè)定并控制沖壓力。當(dāng)沖壓力達(dá)到設(shè)定值，則壓力開關(guān)提供返程信號，控制設(shè)備自動(dòng)返程，完成板材的冷擠壓成型過程。

沖連工藝通常被分為如下幾個(gè)階段[3]：

（1）板料準(zhǔn)備壓入階段。上下板料中心保證與凸凹模中心對稱。

（2）前期成型階段。包含彈性成形階段和初始拉伸階段。這個(gè)階段，隨著凸模的向下壓入，上、下板料受到凸模端面及圓角、凹模內(nèi)側(cè)面和凹模端面的作用，在彈性變形和塑形變形的綜合變形作用下形成上下輪廓。

（3）無鉚釘鉚接的金屬向凹模凹槽流動(dòng)的填充階段。隨著凸模的繼續(xù)下行，擠壓上下板料，形成無鉚釘鉚接接頭。

（4）墩鍛保壓階段。為保證上下板料充分填充環(huán)形凹槽并保證鉚接接頭完全定形，模具需要保持一定時(shí)間，防止板料回彈的壓力。這個(gè)階段很重要，保壓階段控制的好壞直接影響到產(chǎn)品的合格率。

（5）退模階段。

在上述成形過程中被連接金屬流動(dòng)時(shí)，鍍層和漆層也隨之一起流動(dòng)，所以即使是有鍍層或漆層的板料進(jìn)行連接后仍能保留其原有的防銹防腐特性。

4 沖鉚工藝的應(yīng)用

沖鉚工藝之所以迅速被接受并應(yīng)用到車身制造生產(chǎn)中，尤其是沖連工藝，近年來越來越多的被應(yīng)用到車身的生產(chǎn)制造中，其優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）沖鉚質(zhì)量好。點(diǎn)焊雖然是常用的金屬板件連接方法，但它易造成工件變形、損傷工件表面，且焊接處的鋅層由于脫落而嚴(yán)重降低了焊點(diǎn)處的耐蝕性。而沖鉚是冷擠壓，沒有破壞鋅層的問題，無微觀損傷，無應(yīng)力集中，且由于連接點(diǎn)處材料冷作硬化，組織更細(xì)密，機(jī)械性能得到提高，實(shí)驗(yàn)證明，它的動(dòng)態(tài)疲勞連接強(qiáng)度要好于點(diǎn)焊。

（2）經(jīng)濟(jì)性好。耗能低、設(shè)備投資少、連接費(fèi)用低、不需要加工孔、沖連甚至不需要鉚釘填充物，節(jié)省材料。連接費(fèi)用約為點(diǎn)焊連接費(fèi)用的40%～70%。

（3）操作環(huán)境好。無環(huán)境污染、噪聲小，無焊接粉塵、飛濺等。

（4）板材適應(yīng)范圍廣。隨著汽車輕量化、節(jié)能的要求，鋁件已經(jīng)在國外汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)也陸續(xù)應(yīng)用到一些高端車的車身表面覆蓋件上，但由于鋁件材料性能原因并不適合于點(diǎn)焊，鋁的導(dǎo)熱率和比熱容約為鋼的兩倍多，熱傳導(dǎo)性好，點(diǎn)焊時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)部氣孔和表面成型差等缺陷。而沖鉚工藝是冷擠壓變形，不存在此問題。。

目前鋁件的沖鉚工藝已在國外普遍使用，近年來隨著國外車型逐漸引入國內(nèi)，相應(yīng)的沖鉚技術(shù)也被大規(guī)模帶入國內(nèi)，例如，一汽大眾生產(chǎn)的速騰前后蓋、奧迪A6的翼子板、A4前蓋、Q5前后蓋等覆蓋件區(qū)域都應(yīng)用沖鉚方式，如圖4所示。

圖4 沖連工藝在車身上的應(yīng)用

5 沖鉚的質(zhì)量檢驗(yàn)和控制

沖鉚的檢驗(yàn)分為非破壞性檢驗(yàn)和破壞性檢驗(yàn)。AUDI車型的質(zhì)量檢驗(yàn)采用大眾標(biāo)準(zhǔn)VW01087-1/-2、VW01124-1/-2進(jìn)行，分別為鋁件和鋼件的沖鉚檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其中沖連標(biāo)準(zhǔn)適用于板材厚度0.5～5mm，且總厚度不超過6 mm的連接形式，通常情況下是將厚板鉚到薄板上，即把不易變形的零件鉚到易變形的板材上，兩個(gè)板厚比例通常要大于0.5[4]。鉚接的質(zhì)量監(jiān)控主要分為常規(guī)的外觀質(zhì)量檢驗(yàn)、破壞性檢驗(yàn)方式和在線過程監(jiān)控系統(tǒng)。

5.1 外觀檢測的評判

（1）鉚接點(diǎn)位置、數(shù)量、鉚接方向應(yīng)與圖紙相符。

（2）對于有鉚釘鉚接，在鉚釘頂部的不可見區(qū)域，可允許超出母材表面最多0.3 mm，在可見區(qū)域可超出的數(shù)值由相應(yīng)的機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)部門確定。鉚釘頂部最多可以低于母材表面0.15 mm。

（3）鉚釘不允許穿透下部母材，沖連底部母材不允許破裂。

（4）鉚釘頂部必須對稱形成（軸向偏距小于0.4 mm），即鉚釘上部中心與下面母材中心距離。

（5）不允許存在可見裂紋。

沖連通?？梢酝ㄟ^檢測底厚tb來進(jìn)行外觀無損檢驗(yàn)。沖連工藝在工件材質(zhì)厚度一定、模具一定的情況下，板件連接強(qiáng)度與所形成的連接點(diǎn)底厚，即控制參數(shù)tb之間存在著對應(yīng)關(guān)系。所以在連接過程中，只要嚴(yán)格控制沖連點(diǎn)的底厚tb在規(guī)定范圍內(nèi)，即可控制沖連點(diǎn)質(zhì)量，保證一定的抗剪抗拉強(qiáng)度。通常檢驗(yàn)底厚tb的工具為百分卡表（見圖5）。

5.2 破壞性檢驗(yàn)

沖鉚的破壞性檢驗(yàn)分為常用的金相檢驗(yàn)、剪切拉伸試驗(yàn)和斷裂試驗(yàn)。

5.2.1 剪切拉伸試驗(yàn)及斷裂試驗(yàn)[5]

圖5 沖連工藝檢驗(yàn)工具及參數(shù)定義

對于剪切拉伸試驗(yàn)及斷裂實(shí)驗(yàn)，若為認(rèn)可實(shí)驗(yàn)要求試樣取樣不少于10個(gè)，且對取樣大小有一定的要求，如圖6所示，拉伸試驗(yàn)或斷裂實(shí)驗(yàn)速度不超過20 mm/min。拉伸強(qiáng)度應(yīng)大于圖紙要求的最小剪切拉力，最小斷裂力和斷裂力平均值與板材厚度、材料強(qiáng)度及鉚接連接類型等有關(guān)，當(dāng)在圖紙中沒有規(guī)定時(shí)是最小剪切拉力的25%。

圖6 剪切拉伸試驗(yàn)幾何尺寸

5.2.2 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)過程分為切割、鑲嵌、磨剖、腐蝕四個(gè)步驟，如圖7所示。

圖7 TOX金相檢驗(yàn)操作過程

切樣設(shè)備為帶鋸機(jī)、手動(dòng)濕式切割機(jī)和精密切割機(jī)，為保證后續(xù)磨剖件能在中心取樣，通常需要在沖連試樣的2/3位置處進(jìn)行切割，為后續(xù)研磨留出余量，以保證金相檢驗(yàn)時(shí)看到的是沖鉚點(diǎn)樣件的中心。切割是試樣制備中的重要工序，注意優(yōu)化切割參數(shù)，例如：切割片類型、厚度、磨料的濃度、切割工作、潤滑劑等。

鑲嵌分冷鑲嵌和熱鑲嵌兩種，通常使用熱鑲嵌。

拋光分為粗磨、精磨、拋光三個(gè)階段。要求使用材料為不同粒度的碳化硅砂紙和研磨料。拋光前分別經(jīng)過 9 μm、3 μm、1 μm 粒度的研磨、拋光處理，對于沖連工藝，若檢驗(yàn)進(jìn)度緊張，需要快速獲得測量結(jié)果以監(jiān)控現(xiàn)場質(zhì)量，可以在經(jīng)3 μm粒度研磨拋光液處理后，直接在金相顯微鏡下檢測；但對于激光焊、等離子焊等工藝，焊接試件則要求采用更小顆粒度的拋光液進(jìn)行。

腐蝕通常采用不同的腐蝕液，鋁件采用氫氧化鈉，鋼件采用5%硝酸酒精溶液。

5.2.3 金相檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)

有鉚釘沖鉚通過定義底部浸入深度u和余厚t來評價(jià)沖鉚的成型質(zhì)量（見圖8）。底部浸入深度u為變形后鉚釘管腳末端與下板材料形成鉚合的徑向距離，u越大表明鉚釘與下板材料的結(jié)合越牢固，鉚接強(qiáng)度越高；余厚t為下板鉚釘浸入部位的最小厚度，反映了鉚釘穿透下板的危險(xiǎn)程度，下板的穿透會造成板件密封性下降，是必須避免的。

圖8 沖鉚檢驗(yàn)參數(shù)示意

沖鉚缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，表1中提到的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在任何情況下都必須滿足，否則不合格[6]。

表1 沖鉚缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一

表2涉及的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)必須全部滿足，才能得到合格的結(jié)果。單個(gè)試樣最多有兩個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不滿足，可以得到一個(gè)有條件合格的結(jié)果。

沖連通過查看內(nèi)部剖面的嵌入深度f、tn和底厚td來確定板材的連接強(qiáng)度是否滿足要求。通常情況下，當(dāng)圖紙中沒有明確的數(shù)值要求時(shí)，沖連點(diǎn)的底厚、嵌入深度等理論值由TOX廠家提供。

表2 沖鉚缺陷評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)二

5.2.4 Clinchen沖連工藝常見缺陷及產(chǎn)生原因[4]常見缺陷及產(chǎn)生原因如表3所示。

6 沖鉚的返修方式

汽車上常用的點(diǎn)焊、凸焊、激光焊、螺柱焊等焊接方式都可以通過焊點(diǎn)補(bǔ)焊或弧焊的方式進(jìn)行返修，沖鉚的返修通常采用在原沖鉚點(diǎn)旁補(bǔ)壓一個(gè)新沖鉚點(diǎn)的方式進(jìn)行，或者當(dāng)位置受限時(shí)在零件功能性、表面沒有特殊要求的情況下，將原不合格沖鉚點(diǎn)移除，重新鉆一個(gè)圓孔，通過拉鉚的方式進(jìn)行返修，如圖9所示。當(dāng)然如果為了操作方便，也可以直接在沖鉚點(diǎn)附近重新鉆孔進(jìn)行手動(dòng)拉鉚返修。沖鉚工藝的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性較好，設(shè)備參數(shù)一旦調(diào)試完成，檢驗(yàn)合格，后期的質(zhì)量狀態(tài)波動(dòng)是很小的，所以返修量也很少。

表3 沖連常見缺陷及產(chǎn)生原因

圖9 沖鉚返修操作示例

7 沖鉚工藝的發(fā)展趨勢

汽車工業(yè)作為工業(yè)化社會的一個(gè)標(biāo)志，發(fā)展一直非常迅速，現(xiàn)在的汽車行業(yè)都在向著輕量化、智能化、高性能化方向發(fā)展，為了提高燃燒效率、降低汽車燃料消耗率、節(jié)省能源，改善環(huán)境以及安全、可靠、舒適、美觀等目的，鋁合金材料已經(jīng)在國外及國內(nèi)汽車行業(yè)逐漸采用，且范圍越來越廣，TOX沖鉚工藝是延展性好的鋁材連接方式的最好選擇。目前在全球范圍內(nèi)，鋁件沖鉚連接已被廣泛應(yīng)用于奧迪、奔馳、寶馬等高端車型的前后蓋、車門、翼子板等表面覆蓋件區(qū)域，在帕薩特、寶來及廣州本田等車型中也開始逐漸采用，沖鉚以它獨(dú)特的冷擠壓變形工藝、成本低、高自動(dòng)化率、高機(jī)械性能等優(yōu)勢，將在汽車行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。

[1]歲 波，都 東，常保華，等.鋁合金板自沖鉚連接過程的模擬分析[J].材料科學(xué)與工藝，2007（5）：713-717.

[2]嚴(yán)柯科，何曉聰，邢寶英，等.輕型車身自沖鉚接接頭拉伸剪切試驗(yàn)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，29（2）：79-82.

[3]陳興茂.無鉚釘鉚接的工藝研究[D].江西：華東交通大學(xué)，2008.

[4]PV16072008-10車身Clinch連接接頭評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[P].

[5]VW01087，鋁材料的TOX連接標(biāo)準(zhǔn)[P].

[6]VW01124-1，鋁材料鉚接連接的要求和檢驗(yàn)[P].