無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)在大尺寸鈑金件連接中的應(yīng)用研究

■ 劉波濤，劉琪

隨著家電行業(yè)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化及外觀精度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)鈑金件連接方式，如螺紋連接、焊接、膠接、鉚釘連接等，由于存在連接易松動(dòng)、連接表面質(zhì)量差，以及材質(zhì)無(wú)法焊接等問題，已經(jīng)無(wú)法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。一種新型無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用在鈑金件的連接中。

與傳統(tǒng)連接方式相比，無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)具有連接強(qiáng)度高、成本低、工序少、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不損傷連接件表面材質(zhì)，適合難焊、不同材質(zhì)板料及兩層以上板料的連接。

1. 無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)原理及特點(diǎn)

無(wú)釘自沖鉚接是通過凸模的擠壓在凹模內(nèi)使上板料嵌入下板料，實(shí)現(xiàn)板件之間互鎖的一種高速機(jī)械連接工藝。板料鉚接成形原理為：上凸模在氣液壓力驅(qū)動(dòng)下下行，凸模與上板料接觸并施加壓力，上板料發(fā)生局部塑性變形，同時(shí)擠壓下板料一起朝下凹模內(nèi)腔流動(dòng)，最終與內(nèi)腔壁貼合，此時(shí)上凸模鐓鍛保壓一定時(shí)間，使上下板料變形固化，形成沖壓鉚接點(diǎn)，最后上凸模退回，完成上下板料的鉚接，其實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

與其他鈑金連接工藝相比，無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①鉚接點(diǎn)直徑1.5～26mm，組合厚度0.4～11mm，單板厚度0.2～4mm。②能完成焊接性差、異種材質(zhì)、兩層或多層、板厚相同或不同的板料連接。③不會(huì)對(duì)板料的表面鍍層或漆層造成破壞，其原有的防護(hù)特性不受影響。④板料鉚接處的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度較高，單點(diǎn)動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于點(diǎn)焊，靜連接強(qiáng)度與點(diǎn)焊差不多。⑤工序簡(jiǎn)單，無(wú)需預(yù)沖孔，可單點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)鉚接，便于實(shí)現(xiàn)大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。⑥減輕重量，鉚接過程不需要額外連接件，同時(shí)加工成本比點(diǎn)焊降低40%～70%。⑦鉚接過程噪聲較小，無(wú)有害氣體產(chǎn)生，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境沒有不良影響。

2. 大尺寸鈑金件連接過程難點(diǎn)分析

以某公司EH18風(fēng)機(jī)架組件為例，對(duì)大尺寸鈑金件連接過程難點(diǎn)進(jìn)行分析。該風(fēng)機(jī)架由三部分組成：風(fēng)機(jī)架、出風(fēng)口板及風(fēng)機(jī)架后板，如圖2所示。

其中，風(fēng)機(jī)架鈑金件尺寸較大，達(dá)到360mm×300mm×400mm，材質(zhì)為厚0.8mm冷軋鋼板或鍍鋅板，由于工件尺寸較大，屬于薄壁鈑金件，在進(jìn)行裝夾時(shí)，存在以下問題：①工裝夾具夾緊力需要柔性控制，過大或過小都會(huì)引起風(fēng)機(jī)架體的彎曲變形，影響后續(xù)鉚接精度。②工裝夾具的位置及方向需要合理規(guī)劃，否則影響鉚接加工動(dòng)作和工件裝卸。③工件與夾具的接觸部位及大小不合適，會(huì)造成鉚接過程風(fēng)機(jī)架傾斜、移位等。

同時(shí)，該風(fēng)機(jī)架鉚接點(diǎn)較多，總共有30個(gè)點(diǎn)需要鉚接，且鉚接位置不在同一平面，如圖3所示。

對(duì)于大尺寸多點(diǎn)鉚接鈑金件，需要保證鉚接點(diǎn)排布合理，鉚接部位受力均勻。否則，容易產(chǎn)生鉚接變形，造成組合件尺寸偏差，影響后續(xù)裝配。

3. 無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)應(yīng)用

（1）沖壓鉚接驅(qū)動(dòng)裝置 沖壓鉚接過程驅(qū)動(dòng)裝置的穩(wěn)定性對(duì)鉚接質(zhì)量影響較大。為確保自動(dòng)壓鉚過程受力平穩(wěn)，本系統(tǒng)采用BS50-100-15型氣液增壓缸作為驅(qū)動(dòng)裝置，如圖4所示。總行程100mm，其中增力行程15mm；在輸入6×105Pa氣壓時(shí)，最大沖壓力44kN；6×105Pa氣壓時(shí)，快進(jìn)行程力11.5kN，返回行程力17kN；含增壓行程轉(zhuǎn)換閥（外接式），能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的工作增力動(dòng)作；同時(shí)裝置含力行程控制節(jié)流閥“X”閥，可以調(diào)整增壓速度；內(nèi)置壓縮空氣控制接口G3/4。

圖1 板料無(wú)釘自沖鉚接過程原理

圖2 EH18風(fēng)機(jī)架結(jié)構(gòu)組件

圖3 EH18風(fēng)機(jī)架鉚接尺寸

圖4 BS50-100-15型氣液增壓缸

該型氣液增壓缸可實(shí)現(xiàn)快速小力到位，即“軟接觸”，可極大限度保護(hù)模具及工件不受損傷；增力活塞返程控制采用氣簧控制返程，可有效降低工作噪聲；同時(shí)支持快速返程，提高加工效率；具有自動(dòng)增力功能，在總行程范圍內(nèi)任一位置，模具一接觸工件，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增力，無(wú)需調(diào)整模具。

（2）鉚接模具設(shè)計(jì) 無(wú)釘自沖鉚接模具主要包括凸凹模，工作時(shí)通過上凸模擠壓使上板料嵌入下板料，最終在下凹模內(nèi)形成一定樣式接頭體，完成上下板材物理連接。

由于EH18風(fēng)機(jī)架組件尺寸較大，需要鉚接點(diǎn)較多，為保證連接可靠和鉚接過程平穩(wěn)，鉚接模具采用SIMIT標(biāo)準(zhǔn)工藝，16點(diǎn)無(wú)鉚釘連接設(shè)計(jì)，如圖5所示。鉚接模具表面進(jìn)行調(diào)質(zhì)發(fā)黑防銹處理，安裝在上下平臺(tái)。當(dāng)進(jìn)行壓鉚動(dòng)作時(shí)，上下平臺(tái)與鈑金件表面大面積壓合，保證鉚接部位受力均勻，不會(huì)發(fā)生變形。工裝采用自身可脫離式雙柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，能保證模具重復(fù)加工精度。

對(duì)于厚0.8mm冷軋板或鍍鋅板連接及PCM預(yù)鍍板，無(wú)鉚釘連接強(qiáng)度（靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告）：當(dāng)用于壓鉚的折彎邊有效寬度不大于12mm，凹模側(cè)連接點(diǎn)徑φ=5mm，凸模側(cè)材料為Q235A，厚度0.8 m m；凹模側(cè)材料為Q235A，厚度0.8mm時(shí)，抗剪強(qiáng)度τ=1000×0.8J=800MPa；抗拉強(qiáng)度σb=750×0.8J=600MPa（J為材料離散系數(shù)）。

（3）EH18風(fēng)機(jī)架鉚接過程 EH18風(fēng)機(jī)架組件總共30個(gè)點(diǎn)需要鉚接，分兩個(gè)工位完成：分別由工位1—風(fēng)機(jī)架與出風(fēng)口板鉚接專機(jī)完成14點(diǎn)鉚接（見圖6左）；工位2—風(fēng)機(jī)架與風(fēng)機(jī)架后板鉚接專機(jī)完成16點(diǎn)鉚接（見圖6右）。

工位1：風(fēng)機(jī)架與出風(fēng)口板鉚接專機(jī)主要裝置包括2臺(tái)C型五點(diǎn)鉚鉗、2臺(tái)C型兩點(diǎn)鉚鉗、2具驅(qū)動(dòng)增壓器、2副五點(diǎn)無(wú)鉚釘連接模具及工裝、2副兩點(diǎn)無(wú)鉚釘連接模具及工裝、零件定位夾緊機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)等組成，外觀如圖7所示。

工位2：風(fēng)機(jī)架與風(fēng)機(jī)架后板鉚接專機(jī)主要裝置包括1具氣液增壓缸、1臺(tái)沖壓設(shè)備機(jī)體、下移動(dòng)滑臺(tái)、1副16點(diǎn)無(wú)鉚釘連接模具及工裝、電氣控制系統(tǒng)等組成，外觀如圖8所示。

在工作狀態(tài)下，操作人員將零件放入定位模具中，給出零件到位信號(hào)，啟動(dòng)雙手按鈕開關(guān)，工作平臺(tái)水平移動(dòng)至加工位置，傳感器給出信號(hào)，下滑臺(tái)定位；氣液增壓缸快進(jìn)行程工作，上?？焖傩×Φ轿唤佑|工件，無(wú)沖擊，無(wú)噪聲，上模具接觸工件，氣液增力缸自動(dòng)轉(zhuǎn)換為力行程，增力行程開始工作對(duì)產(chǎn)品壓鉚加工，直至達(dá)到設(shè)定壓力（指相應(yīng)油壓繼電器ZDO達(dá)到設(shè)定值），表示產(chǎn)品已無(wú)鉚釘連接完畢合格，油壓繼電器動(dòng)作，控制上模返程。

圖5 TOX多圓點(diǎn)沖鉚模具

圖6 EH18風(fēng)機(jī)架結(jié)構(gòu)組件

圖7 EH18風(fēng)機(jī)架組鉚接專機(jī)1

圖8 EH18風(fēng)機(jī)架組鉚接專機(jī)2

若沖壓力達(dá)不到設(shè)定值，表示無(wú)鉚釘連接未達(dá)到設(shè)定要求，則上模不能自動(dòng)返程，此時(shí)需按動(dòng)緊急制動(dòng)按鈕，強(qiáng)制設(shè)備返程，由此可提醒操作人員檢查原因，從而保證無(wú)鉚釘連接加工質(zhì)量合格；該工作方式帶增力行程自鎖功能，當(dāng)增力缸快速下降未轉(zhuǎn)換成液壓增力狀態(tài)，若松開雙手按鈕開關(guān)，工作缸可自動(dòng)返程，若雙手按鈕開關(guān)啟動(dòng)時(shí)，工作缸液壓增力已經(jīng)啟動(dòng)（具體為工作壓力超過油壓繼電器ZDO中設(shè)定自鎖壓力），則設(shè)備自鎖至完成設(shè)定壓鉚力過程，即使此時(shí)松開雙手按鈕開關(guān)，設(shè)備也自動(dòng)完成壓鉚動(dòng)作后自動(dòng)返程；調(diào)?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)，調(diào)整至調(diào)模狀態(tài)，進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)模處理，同時(shí)系統(tǒng)含雙向氣控單向閥鎖緊氣路，保證調(diào)模過程平穩(wěn)。

4. 結(jié)語(yǔ)

無(wú)釘自沖鉚接技術(shù)具有連接強(qiáng)度高、成本低、工序少，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)連接件表面質(zhì)量影響小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對(duì)輕量化和表面加工質(zhì)量有一定要求的鈑金件產(chǎn)品連接。

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