無鉚釘沖連質(zhì)量檢驗(yàn)及其影響因素

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春130011）

0 前言

隨著汽車、航天等機(jī)械行業(yè)的發(fā)展及競爭的加劇，面對多種材料的連接方式、高自動化的要求，無鉚釘鉚接憑借著其板材范圍適應(yīng)廣、經(jīng)濟(jì)性、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)中。以汽車門蓋表面件為例，介紹說明沖連工藝過程、原理及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、沖連質(zhì)量檢驗(yàn)方式等，以及不同模具形式的鉚點(diǎn)在金相檢驗(yàn)質(zhì)量評價(jià)時(shí)的注意事項(xiàng)，通過分析生產(chǎn)過程中遇到的沖連質(zhì)量問題，闡述影響沖連質(zhì)量的相關(guān)因素——板材厚度、凸凹模的形狀及尺寸、凹模的深度及凹模環(huán)形凹槽深度，鉚鉗的對中性、零件與凸凹模的垂直度等方面因素對沖連點(diǎn)質(zhì)量的影響，為無鉚釘沖連工藝的制定及質(zhì)量優(yōu)化提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 無鉚釘鉚接工藝過程及特點(diǎn)

無鉚釘TOX連接也稱之為Clinch，是德國TOX公司在20世紀(jì)80年代末研發(fā)的，并獲得了國際專利技術(shù)。TOX板件沖壓連接技術(shù)又稱無鉚釘鉚接，是在TOX氣液或電動缸驅(qū)動下，采用TOX專用連接模具對被連接件進(jìn)行冷擠壓，通過板件自身材料塑性變形，完成板材鑲嵌而形成TOX連接點(diǎn)的工藝技術(shù)，適用于單層板厚小于等于3 mm、總厚度小于等于5 mm，凸凹模側(cè)兩側(cè)板材厚度比例大于0.5的板材組合。

沖連過程主要分為壓入準(zhǔn)備、前期成型、填充、保壓及退模幾個階段，沖擊過程示意如圖1所示。

圖1 沖連過程示意

TOX連接是板材間的冷作硬化，連接點(diǎn)無微觀損傷，無應(yīng)力集中，組織更細(xì)密。它的連接強(qiáng)度高，曾有試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，TOX單點(diǎn)連接靜態(tài)強(qiáng)度相當(dāng)于點(diǎn)焊的70%，雙點(diǎn)連接則可與點(diǎn)焊相等，而在動態(tài)強(qiáng)度上則相當(dāng)于點(diǎn)焊的2～3倍，也就是說TOX沖連連接點(diǎn)的壽命比焊點(diǎn)長，TOX模具焊接點(diǎn)數(shù)為10～35萬次，鉚接疲勞強(qiáng)度示意如圖2所示。由于板材表面原有的鍍層、漆層不受損傷，板材無需特殊處理，對連接板材表面要求低；自動化程度高，工藝步驟簡單，無需預(yù)先沖孔；節(jié)能環(huán)保；模具使用壽命長等多方面優(yōu)點(diǎn)，TOX連接被越來越多地應(yīng)用到車身生產(chǎn)中。點(diǎn)焊、鉚接、沖連工藝對比如表1所示。

圖2 鉚接疲勞強(qiáng)度示意

表1 點(diǎn)焊、鉚接、沖連工藝對比

2 TOX鉚接設(shè)備

2.1 TOX鉚接設(shè)備結(jié)構(gòu)

按照無鉚釘鉚接設(shè)備驅(qū)動形式的不同分為電動及氣液混合驅(qū)動形式，無鉚釘設(shè)備主要由鉚鉗鉗體、驅(qū)動缸、上下模具、控制器等組成。沖連鉚接設(shè)備連接加工過程可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)存儲和處理，鉚鉗或電缸上帶有壓力檢測，通過鉚鉗鉚接時(shí)的變形量進(jìn)行壓力和位置換算，設(shè)備可以設(shè)置底厚監(jiān)控（見圖3），在鉚接過程中對質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警。TOX氣液鉚接鉗如圖4所示。

圖3 設(shè)備底厚監(jiān)控

圖4 TOX氣液鉚接鉗

2.1.1 氣液混合驅(qū)動增力缸驅(qū)動

氣液混合驅(qū)動，上部氣缸驅(qū)動凸模運(yùn)動，下部液壓增力缸驅(qū)動進(jìn)行鉚接，完成鉚接后，由氣液缸共同驅(qū)動脫模。此種驅(qū)動形式鉚鉗的價(jià)格相對便宜，但參數(shù)調(diào)節(jié)不方便，需要手動調(diào)節(jié)氣缸的硬限位來調(diào)節(jié)壓力，操作上沒有電子壓機(jī)方便，但價(jià)格比電子壓機(jī)便宜。TOX氣液鉚接鉗驅(qū)動過程如圖5所示。

2.1.2 電子壓機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 TOX氣液鉚接鉗驅(qū)動過程

電機(jī)驅(qū)動式鉚鉗（見圖6）通過電機(jī)驅(qū)動絲杠運(yùn)動完成鉚接，該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種板材組合形式的沖連，鉚接不同板材時(shí)調(diào)用相應(yīng)的程序完成沖連連接，設(shè)備精度高，壓力調(diào)節(jié)方便，程序更改設(shè)定可自動調(diào)節(jié)。TOX電缸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 TOX電動鉚鉗

2.2 TOX鉚接模具結(jié)構(gòu)

TOX沖連模具有多種形式，如圖8所示。

圖7 TOX電缸結(jié)構(gòu)

圖8 TOX鉚接形式

TOX鉚接模具根據(jù)其外部形狀分為圓形和方形無鉚釘鉚接。圓形無鉚釘鉚接是軸對稱的，用于使上、下板料相互鑲嵌的凹模底部凹槽是軸對稱的，鉚接點(diǎn)上、下板料互相嵌入的部分也是軸對稱的環(huán)形。

沖連使用的SKB模具鉚接接頭只有矩形凹模四邊有上下板料的相互嵌合，嵌合最大點(diǎn)對應(yīng)的承載能力也最強(qiáng)，所以剪切作用時(shí)載荷垂直于相嵌合的面時(shí)，承載能力為最大[1]。

2.3 不同工藝對應(yīng)的設(shè)備差異

沖連工藝有帶膠和不帶膠兩種形式。帶膠時(shí)凸模與工件優(yōu)先接觸，先完成膠的擠壓，然后進(jìn)行沖連鉚接，不帶膠時(shí)脫模套與工件接觸直接進(jìn)行沖連。

鋁件與鋼件對應(yīng)的沖連設(shè)備除模具材料上的差異性，同時(shí)考慮到鋁件易粘連，鋁件鉚接設(shè)備上還帶有潤滑保護(hù)裝置（見圖9），在鉚接過程中起到模具的潤滑和保護(hù)作用。

圖9 TOX鋁件噴液保護(hù)裝置

設(shè)備安裝調(diào)試過程中，設(shè)備廠家根據(jù)對應(yīng)的板材組合形式，通過試片試驗(yàn)的形式選擇確定匹配的模具型號，并調(diào)整參數(shù)，確定最終的鉚鉗設(shè)備參數(shù)。在設(shè)備選型調(diào)試結(jié)束后，將TOX檢驗(yàn)報(bào)告附到相應(yīng)的設(shè)備上，作為后續(xù)調(diào)整優(yōu)化及沖連點(diǎn)檢驗(yàn)的依據(jù)。沖連檢驗(yàn)報(bào)告中對于鉚接對應(yīng)的板材信息、凸凹模模具型號、抗拉及抗剪力、沖連壓力及脫模力、沖連點(diǎn)底厚范圍等都做出了定義，如圖10所示。

3 沖連質(zhì)量檢驗(yàn)

沖連質(zhì)量的檢驗(yàn)分為破壞性及非破壞性兩種。非破壞性檢測主要為外觀目視檢查及底厚的測量；破壞性檢驗(yàn)主要有抗剪力、抗拉力及金相檢驗(yàn)[2]，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為大眾標(biāo)準(zhǔn)PV1607及VW01087。

3.1 外觀檢驗(yàn)

圖10 TOX檢驗(yàn)報(bào)告

外觀檢驗(yàn)主要檢驗(yàn)鉚點(diǎn)的位置、數(shù)量、大小、同軸度及外觀缺陷，如裂紋、鉚穿、底厚的測量等?？梢酝ㄟ^底厚表測量底厚，如圖11所示。TOX尺寸定義如圖12所示。

圖11 TOX檢驗(yàn)底厚表

圖12 TOX尺寸定義

3.2 破壞性檢驗(yàn)

3.2.1 抗剪/抗拉力檢測

沖連點(diǎn)的質(zhì)量可以通過制作試片形式，進(jìn)行抗剪、抗拉力力學(xué)檢驗(yàn)來評判鉚點(diǎn)強(qiáng)度是否符合要求，檢驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試片數(shù)量最少5件。該檢驗(yàn)一般適合于調(diào)整鉚鉗參數(shù)及驗(yàn)證設(shè)備性能。拉伸試片如圖13所示，拉伸試驗(yàn)及抗剪力曲線如圖14所示。

圖13 拉伸試片

3.2.2 金相檢驗(yàn)

通過對沖連點(diǎn)切樣、鑲樣、磨拋，并在金相顯微鏡下測量鉚點(diǎn)的內(nèi)部嵌入尺寸，來評定沖連點(diǎn)是否滿足要求。雖然該檢驗(yàn)操作程序較復(fù)雜，檢驗(yàn)周期相對較長，但該方式能夠檢測實(shí)際鉚接工件的沖連點(diǎn)強(qiáng)度。

圖14 拉伸試驗(yàn)及抗剪力曲線

（1）評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

金相檢驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)主要有沖連點(diǎn)的咬邊深度、頸部厚度及底厚值[3]。咬邊深度是指處在頸部的上板料嵌入下板料的最大外凸臺處的水平距離，咬邊鑲嵌量反映鉚接完成后鉚接件的自鎖性能好壞，鑲嵌值越大，接頭自鎖性能越好。頸部厚度是指在鉚點(diǎn)的上板料環(huán)形面凹陷處的最小徑向距離，這個距離越小，抗剪切能力越弱，而且在此頸部的某處出現(xiàn)裂紋的可能性越高。底部厚度為鉚點(diǎn)位置上下板材的厚度距離，即底厚，它是鉚點(diǎn)力學(xué)強(qiáng)度的重要評價(jià)指標(biāo)。金相檢驗(yàn)各指標(biāo)定義標(biāo)準(zhǔn)如表2、圖15所示。

表2 金相檢驗(yàn)各指標(biāo)定義標(biāo)準(zhǔn)

圖15 金相檢驗(yàn)各指標(biāo)定義

（2）檢驗(yàn)過程。

金相檢驗(yàn)主要分為切割、鑲嵌、磨剖、腐蝕等步驟，檢驗(yàn)涉及到帶鋸機(jī)、切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨剖機(jī)及顯微鏡等設(shè)備，檢驗(yàn)過程及設(shè)備如圖16所示。

（3）金相檢驗(yàn)注意事項(xiàng)。

金相檢驗(yàn)需要在檢驗(yàn)操作、切樣位置、切樣方向等方面十分注意，因?yàn)獒槍Σ煌你T接結(jié)構(gòu)，操作的合理性直接影響了沖連點(diǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果。注意事項(xiàng)為：

①切割是試樣制備中的重要工序，注意切割參數(shù)優(yōu)化，如：切割片類型、厚度、磨料的濃度、切割潤滑劑等。

②對于SKB圓點(diǎn)連接，切樣時(shí)要垂直于凹模鉚點(diǎn)成型方向，如圖17所示，不要切在沖連點(diǎn)斜邊位置，不同的切樣位置將得到不同的咬邊及頸部厚度值。

圖16 金相檢驗(yàn)過程及設(shè)備

圖17 正確的切樣位置

③切樣時(shí)要預(yù)留出磨拋量，一般在最大截面處預(yù)留2～3 mm的磨拋量，如圖18所示，以保證金相檢驗(yàn)部位為沖連點(diǎn)樣件的中心，此時(shí)測量的指標(biāo)值也最大。錯誤的檢測位置如圖19所示。

圖18 磨拋后正確的檢測位置

④磨拋時(shí)要盡量接近最大截面位置，以保證測量時(shí)獲取最大咬邊及頸部厚度值，如圖19所示。

⑤選擇合適的顯微放大倍數(shù)。

⑥采用不同的腐蝕液進(jìn)行腐蝕，鋁件采用NaOH，鋼件用5%硝酸酒精溶液進(jìn)行。

⑦拋光分為粗磨、精磨、拋光3個階段，要求使用材料為不同粒度的SiC砂紙及研磨料，拋光后在顯微鏡下進(jìn)行檢測。

圖19 磨拋后錯誤的檢測位置

由于SKB模形成的鉚點(diǎn)（見圖20）只在凹模接觸的位置處，咬邊及頸部厚度嵌入值最大，所以金相檢驗(yàn)時(shí)要確保截取此位置的嵌入值，切樣方向、測量截面的位置直接影響了評價(jià)的準(zhǔn)確性。不同檢測切面對應(yīng)的檢測結(jié)果如圖21所示。

圖20 SKB模具及沖連點(diǎn)

4 沖連缺陷及分析

通常沖連缺陷形成原因主要涉及設(shè)備、參數(shù)及環(huán)境因素等的影響。常見缺陷為位置偏、底厚小、鉚穿、裂紋、咬邊小、頸部厚度不足等。

設(shè)備方面涉及到設(shè)備本身的精度、鉚鉗對中性、模具狀態(tài)等[4]。

圖21 不同檢測切面對應(yīng)的檢測結(jié)果

參數(shù)方面涉及到鉚接壓力、脫模力、鉚接位置參數(shù)、底厚、行進(jìn)距離等。

環(huán)境因素包括很多方面，如：板材材料、板厚、表面狀態(tài)的變化；現(xiàn)場零件的匹配狀態(tài)；工件與設(shè)備的垂直度、氣壓、電壓的波動等都會影響沖連點(diǎn)質(zhì)量。

4.1 缺陷分析、優(yōu)化

（1）實(shí)例1：板材咬邊值小。如圖22所示，咬邊深度0.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)要求為0.2 mm。

圖22 沖連點(diǎn)咬邊小

優(yōu)化措施：調(diào)整機(jī)器人軌跡及鉚鉗的位置；更換模具，模具凹槽深度由1 mm調(diào)整為0.8 mm（見圖23）；調(diào)整設(shè)備參數(shù)零點(diǎn)，鉚接位置設(shè)置與凹模深度值匹配。

在鉚點(diǎn)位置對中的情況下，通過降低凹模模具凹槽的深度，可實(shí)現(xiàn)咬邊值的增大，但在調(diào)整時(shí)要注意保證底厚值在標(biāo)準(zhǔn)要求的公差范圍內(nèi)。

圖23 更換前后模具狀態(tài)

（2）實(shí)例2。缺陷描述：沖連點(diǎn)不對稱，一側(cè)沖連頸部厚度不足。如圖24所示，左側(cè)0.134 mm，右側(cè)0.26 mm，沖連位置偏。

圖24 優(yōu)化前

優(yōu)化措施：鉚鉗對中性調(diào)整；調(diào)整機(jī)器人帶鉚鉗模具與工件的垂直度。優(yōu)化后沖連點(diǎn)位置如圖25所示。

（3）實(shí)例3：帶膠鋁件沖連點(diǎn)斷裂，如圖26所示。

優(yōu)化措施：調(diào)整匹配狀態(tài)、軌跡檢查，如圖27所示；檢查、修復(fù)噴油裝置，如圖28所示；更改設(shè)備噴液參數(shù)，如圖29所示。

圖25 優(yōu)化后

圖26 缺陷圖片

圖27 設(shè)備軌跡調(diào)整

圖28 噴油裝置修復(fù)

圖29 噴油參數(shù)更改

4.2 沖連常見缺陷及產(chǎn)生原因

沖連常見缺陷及產(chǎn)生原因如表3所示。

表3 沖連常見缺陷及產(chǎn)生原因

5 Clinch沖連點(diǎn)返修

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。沖連的返修可采用在原沖連點(diǎn)旁補(bǔ)壓一個新沖連點(diǎn)的方式進(jìn)行，距離原鉚點(diǎn)大約15 mm；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，將原不合格沖連點(diǎn)移除，重新鉆一個圓孔，通過拉鉚的方式進(jìn)行返修。沖連工藝的設(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)波動很小，返修量也很少，返修過程如圖30所示。

6 沖連工藝的發(fā)展趨勢

隨著工業(yè)4.0的到來，鉚接技術(shù)將大量應(yīng)用在航空航天，輪船，五金等制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)異常迅猛發(fā)展的今天[5]，伴隨著電動汽車及汽車輕量化、智能化、高性能化的發(fā)展需求，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)境以及對汽車安全、可靠、舒適、美觀等方面的需求，鋁合金、復(fù)合材料已經(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沖連工藝作為延展性好的多種材料連接的必要工藝已在全球范圍內(nèi)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，它以獨(dú)特的冷擠壓變形工藝、成本低、高自動化率、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。

圖30 Clinch沖連點(diǎn)返修過程

[1]嚴(yán)柯科，何曉聰，邢保英，等.輕型車身自沖鉚接頭拉伸剪切實(shí)驗(yàn)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29（2）：79-82.

[2]PV1607車身Clinch連接接頭評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]VW01087 TOX連接標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]汪玲.淺析鉚接技術(shù)[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2015（7）：328.

[5]孫顏良.鉚接技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].科技致富向?qū)В?013（19）：[頁碼不詳].