現(xiàn)代汽車板材的有鉚釘塑性連接及其核心技術(shù)探討

陳 超，趙升噸，韓曉蘭，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

現(xiàn)代汽車板材的有鉚釘塑性連接及其核心技術(shù)探討

陳 超，趙升噸，韓曉蘭，崔敏超，范淑琴

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

近些年，很多輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等在現(xiàn)代汽車板材上得到了廣泛應(yīng)用。有鉚釘塑性連接在輕質(zhì)材料的連接上具有巨大優(yōu)勢(shì)。本文首先介紹了現(xiàn)代汽車板材有鉚釘塑性連接方式及其機(jī)制，并對(duì)有鉚釘塑性連接和點(diǎn)焊等連接方式進(jìn)行了對(duì)比。分析了現(xiàn)代汽車板材有鉚釘塑性連接的關(guān)鍵技術(shù)。有鉚釘塑性連接的關(guān)鍵技術(shù)包括鉚釘形狀、塑性變形程度、板材表面狀況、塑性變形速率和加熱處理。

有鉚釘連接；塑性變形；關(guān)鍵技術(shù)；汽車板材

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車輕量化技術(shù)也得到重視研究[1]。如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)車身輕量化，很多輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)鋼和復(fù)合材料等得到了廣泛應(yīng)用[2]。但傳統(tǒng)的板材連接方式如點(diǎn)焊等，存在生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低和對(duì)板材表面質(zhì)量要求高等缺點(diǎn)，不能滿足輕量化車身對(duì)板材連接的要求。而有鉚釘塑性連接在連接輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等材料上具有巨大優(yōu)勢(shì)[3-5]，且非常適合用于連接異種材質(zhì)或表面有鍍層的板料。有鉚釘塑性連接在連接前不需預(yù)沖孔，工藝步驟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，在輕量化車身制造上具有廣闊的發(fā)展前景。汽車車身的很多地方可以采用有鉚釘塑性連接方式進(jìn)行連接[6-7]。

圖1 汽車質(zhì)量的影響因素

1 板材有鉚釘塑性連接方式及其連接機(jī)制

有鉚釘塑性連接指在外力作用下，鉚釘穿透上層材料，嵌入下層材料，并在下層材料中進(jìn)行流動(dòng)和延展，通過塑性變形將上層材料和下層材料鑲嵌在一起的連接過程。有鉚釘塑性連接機(jī)制如圖2所示。

有鉚釘塑性連接過程主要由三個(gè)階段組成：

（1）準(zhǔn)備壓入階段。首先將被連接材料置于下模上，鉚釘在壓力作用下運(yùn)動(dòng)至被連接材料上表面，被連接材料被固定在鉚釘和下模之間。

（2）成形初期階段。鉚釘在壓力作用下向下運(yùn)動(dòng)沖切被連接材料，被連接材料向下模內(nèi)流動(dòng)，被連接材料和鉚釘都發(fā)生變形。

圖2 有鉚釘連接機(jī)制

表1 有鉚釘連接與傳統(tǒng)連接方法對(duì)比

（3）成形階段。鉚釘在壓力作用下繼續(xù)下行，鉚釘穿透被連接材料中的上層材料，鉚釘下端張開，下模側(cè)的被連接材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生封閉端，從而將被連接材料連接在一起。

2 有鉚釘塑性連接的核心技術(shù)

2.1 鉚釘形狀

鉚釘?shù)男螤罴斑B接方式是影響連接點(diǎn)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。隨著有鉚釘塑性連接的發(fā)展，衍化出了很多種鉚釘形狀及其連接方式，而不同的鉚釘形狀及連接方式又有不同的參數(shù)組合，從而產(chǎn)生不同的連接效果。如圖3所示為半空心鉚釘?shù)倪B接工藝。鉚釘在沖頭作用下穿透上板，嵌入下板，從而將上下板料連接在一起[8]。

圖3 半空心鉚釘連接工藝[8]

如圖4所示，為一種采用腰鼓形實(shí)心鉚釘?shù)臎_鉚連接工藝。鉚釘在沖頭的作用下向下運(yùn)動(dòng)，鉚釘?shù)撞繋в腥薪?，將鉚接材料上與鉚釘對(duì)應(yīng)的部分沖切掉。實(shí)心鉚釘?shù)竭_(dá)凹模時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，沖頭繼續(xù)下行，沖頭上的凸臺(tái)擠壓鉚接材料產(chǎn)生塑性變形，將實(shí)心鉚釘包裹住，從而將上下板材連接在一起[9]。

圖4 腰鼓形實(shí)心鉚釘連接工藝[9]

如圖5所示為一種圓柱形鉚釘?shù)臎_鉚連接工藝。鉚釘上有環(huán)形凹槽，沖頭下行到下死點(diǎn)后擠壓鉚接材料，使鉚接材料向鉚釘上的環(huán)形凹槽內(nèi)變形，鉚釘?shù)纳隙嗣娈a(chǎn)生“鐓頭”，從而將上下板料連接在一起[10]。

圖5 圓柱形實(shí)心鉚釘連接工藝[10]

如圖6所示為一種采用上下側(cè)帶凹坑的圓柱形鉚釘?shù)倪B接工藝。鉚釘在沖頭作用下壓入上板，同時(shí)擠壓下板變形。鉚釘上下側(cè)凹坑周圍的材料產(chǎn)生塑性變形，沿徑向流動(dòng)，從而使上下板料相互鑲嵌在一起。上下板料都發(fā)生塑性變形，不產(chǎn)生斷裂或破損。

圖6 帶凹坑圓柱形鉚釘連接工藝

鉚釘形狀的研究是有鉚釘連接的關(guān)鍵技術(shù)之一。鉚釘?shù)男螤疃喾N多樣，需要根據(jù)連接板材的材質(zhì)、厚度和處理方式等因素進(jìn)行合理選擇及優(yōu)化。

2.2 塑性變形程度

有鉚釘塑性連接主要靠鉚釘和板材產(chǎn)生塑性變形，使鉚釘和板材間產(chǎn)生機(jī)械鎖而相互鑲嵌在一起。塑性變形程度的大小對(duì)連接點(diǎn)的成形質(zhì)量具有重要影響。當(dāng)塑性變形程度太小時(shí)，很可能不足以產(chǎn)生機(jī)械鎖，板材無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效連接。當(dāng)塑性變形程度太大時(shí)，鉚釘或板材容易發(fā)生斷裂或褶皺，使連接點(diǎn)失效。

為了成形高質(zhì)量的連接點(diǎn)，可以通過控制沖頭的沖壓力和位移，將鉚釘和板材的塑性變形程度控制在合理的范圍內(nèi)。

2.3 板材表面狀況

板材的表面狀況是影響連接點(diǎn)成形的重要因素之一。被連接板材的表面應(yīng)光潔無(wú)污染，減小板件間及板件與模具間的摩擦力有助于連接點(diǎn)的成形，并可降低所需要的沖頭沖壓力。

采用加潤(rùn)滑油或在板材表面制作表面織構(gòu)會(huì)對(duì)板材的表面狀況起到一定的改善作用，但如何準(zhǔn)確控制板材表面的處理狀況還需要進(jìn)一步研究。

2.4 塑性變形速率

塑性變形速率對(duì)連接點(diǎn)的成形有重要影響，塑性變形合理速率主要體現(xiàn)在沖頭速率的控制上。針對(duì)不同尺寸的有鉚釘塑性連接方式，研究其對(duì)應(yīng)的合理的塑性變形速率具有重要意義。

2.5 加熱處理

鈦合金和鎂合金等塑性變形性能差，用常規(guī)的成形方式難以連接。為了提高鈦合金和鎂合金等的塑性變形性能，可以對(duì)這類材料在加熱情況下進(jìn)行連接成形。隨著溫度的升高，這類材料的塑性流動(dòng)性能會(huì)明顯提升。但是，對(duì)于不同的材料和連接工藝，需要確定不同的合理成形溫度。

3 結(jié)論

（1）近些年，很多輕質(zhì)材料如鋁合金、鎂合金等在現(xiàn)代汽車板材上得到了廣泛應(yīng)用。有鉚釘塑性連接在連接這類輕質(zhì)材料時(shí)具有巨大優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于輕質(zhì)車身的板材連接。

（2）有鉚釘塑性連接的連接機(jī)制是通過使鉚釘和板材產(chǎn)生塑性變形而使板材相互鑲嵌連接在一起。有鉚釘塑性連接具有生產(chǎn)效率高、連接質(zhì)量高和連接材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

（3）有鉚釘塑性連接的核心技術(shù)包括鉚釘形狀、塑性變形程度、板材表面狀況、塑性變形速率和加熱處理等。為了提高連接點(diǎn)的質(zhì)量，應(yīng)該對(duì)這些核心技術(shù)進(jìn)行廣泛研究。

[1] 景 艷，趙培全，等.汽車新材料的應(yīng)用-輕量化[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007，（1）：75-78.

[2] 許珞萍，邵光杰，等.汽車輕量化用金屬材料及其發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].上海金屬，2002，24（3）：1-7.

[3] 劉秀全，張連洪，等.自沖鉚接工藝過程的有限元數(shù)值模擬[J].汽車技術(shù)，2006，（12）：42-45.

[4] 劉瑞軍，李雙義，等.自沖鉚接技術(shù)在汽車車身輕量化中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2004，（11）：33-36.

[5]李永利.板料自沖鉚接試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

[6] 王云慶.汽車車身輕量化用鎖鉚連接工藝及設(shè)備[J].汽車工藝與材料，2012，（1）：22-26.

[7] 歲 波，都 東，等.輕型車身自沖鉚連接技術(shù)的發(fā)展[J].汽車工程，2006，28（1）：85-89.

[8] 王云慶.鎖鉚鉚接汽車輕量化的連接工藝[J].汽車與配件，2012，（2）：22-23.

[9] 劉瑞軍.半空心自沖鉚接機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[10] 萬(wàn)淑敏.半空心鉚釘自沖鉚接技術(shù)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

Discussion about the mechanism and key technology of self-pierce riveting for connecting automobile sheets

CHEN Chao,ZHAO Shengdun,HAN Xiaolan,CUI Minchao,FAN Shuqin
（School of Mechanical Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

The mechanism and key technology of self-pierce riveting for connecting modern automobile sheets have been introduced in the text.The self-pierce riveting connecting mode and spot welding mode have been compared.The key techniques of self-pierce riveting in modern automobile sheet have been discussed,which includes rivet shape,the magnitude of plastic deformation,the surface of the sheets,plastic deformation rate and heat treatment.

Self-pierce riveting;Plastic deformation;Key technique;Automobile sheet

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.020

1672-0121（2016）02-0074-03

2015-11-22；

2016-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51335009），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305333），陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2014K07-23）

陳 超（1990-），男，博士在讀，主攻機(jī)電液一體化和塑性成形工藝研究。E-mail：849918977@qq.com

趙升噸（1962-），男，教授，博導(dǎo)，從事塑性成形工藝及設(shè)備、人工智能及其控制等研究