汽車異種材料鉚接技術(shù)探討

陳嘉樂

摘 要：無鉚釘鉚接技術(shù)是汽車異種材料連接的重要技術(shù)，論文主要對無鉚釘鉚接新型沖壓變形連接工藝成形機(jī)理進(jìn)行分析，然后對接頭的分類、質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹;最后對接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行總結(jié)，為異種材料鉚接技術(shù)應(yīng)用提供有意義的參考。

關(guān)鍵詞：無鉚釘鉚接;異質(zhì)材料;成形過程;工藝參數(shù)

中圖分類號：TG938 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0061-02

0引言

隨時(shí)現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，汽車的保有量增加，節(jié)省資源，解決交通阻塞，防止污染是汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢。汽車正向輕量級，潔能，高工藝方向轉(zhuǎn)化。在整車的輕量化改進(jìn)過程中，應(yīng)用最廣的是采用高強(qiáng)鋼、鋁合金等輕質(zhì)合金或異種材料混用，既能增強(qiáng)安全性，增大汽車空間及車身強(qiáng)度，又能達(dá)到輕量化改善的目的，提高燃油使用經(jīng)濟(jì)性。但存在的問題是，當(dāng)多種異種材料混用時(shí)，由于不同的熔點(diǎn)、物理強(qiáng)度、化學(xué)性質(zhì)，使一般的連接技術(shù)受限，需要一種可塑性較強(qiáng)，且對材質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)沒有特定要求的連接方法。

無鉚釘鉚接技術(shù)作為一種“綠色”連接工藝應(yīng)用于汽車，不增加額外器材、沖孔或熱處理，利用板件的彈塑性變形特性，僅通過凸凹槽對板件加壓，使局部位置變形而達(dá)到自鎖作用，使板材發(fā)生彈塑性變形，而達(dá)到可靠連接的技術(shù)[1]。如汽車身表面覆蓋件的連接：引擎蓋板，行李箱蓋，前后左右車門，翼子板等;以及車身部分零部件的連接：天窗，雨刮器，座椅擋板，車窗搖桿機(jī)構(gòu)等使用無鉚釘鉚接技術(shù)。

1無鉚釘鉚接技術(shù)的成形機(jī)理

無鉚釘鉚接技術(shù)是一種沒有熱輸入的機(jī)械冷加工方式，不需要預(yù)留孔和附加零件且能耗低，主要利用沖壓模具，對兩層或三層金屬薄板進(jìn)行沖壓連接，在接頭成形中，涉及到多重材料的非線性特性，其主要的影響因素是金屬材料的塑性。無鉚釘鉚接的成形過程可分為五部分[2]：

（1）連接件定位階段：在進(jìn)行鉚接之前，固定連接物件的位置，保證凸、凹模的中心線與鉚接點(diǎn)的中心在一條線上，防止板件翹曲、折疊。

（2）塑性變形階段：上層與下層板料在壓力的作用下塑性變形，變形后的材料向凹模內(nèi)流動，使金屬材料發(fā)生塑性拉伸，金屬晶格產(chǎn)生錯位，形成金屬硬化現(xiàn)象。

（3）鉚接成形階段：塑性變形之后，上下板件的金屬材料在壓力作用下向凹模繼續(xù)流動，在凹模和凸模的共同作用下，上下板料逐漸形成鉚接“S”形自鎖結(jié)構(gòu)。

（4）墩鍛定型階段：由于材料塑性變形在短時(shí)間內(nèi)形成，為了防止回彈，則凸模需要定型停留一段時(shí)間，確保壓力恒定，使材料墩鍛定型。

（5）撤模階段：保壓定型結(jié)束后，需要取出鉚接件，將凸模移除，此時(shí)完成整個(gè)連接過程。

2無鉚釘鉚接的分類

根據(jù)接頭形狀的不同，將無鉚釘鉚接分為兩種類型：圓形接頭式和方形接頭式。圓形接頭式又可分為直壁整體式、凸凹模分離式和平板式。直壁整體式是凹模為整體，其內(nèi)壁與底面可垂直，或有較小坡度，這種結(jié)構(gòu)方便脫模，同時(shí)利于板件防止其由于大變形而斷裂。凹模分離式是凹模由幾部分組成內(nèi)，內(nèi)壁凹模的開口處的半徑比凹模底部的半徑更大，形成的斜度與拔模斜度相反，造成板件的接頭內(nèi)嵌更加穩(wěn)固，但使模具制作成本增加;平板式是凹模的下模為一平板，成本低但承受強(qiáng)度小。方形接頭式是接頭形狀為方形，在拉伸或剪切時(shí)，比圓形接頭承受力強(qiáng)。但成型時(shí)，由于受力不均勻，易便板件受破壞，對于模具的精度要求高，因此應(yīng)用上沒有圓形接頭方式廣泛。

3鉚接接頭的評價(jià)指標(biāo)

質(zhì)量評價(jià)對鉚接可靠性、應(yīng)用性具有決定意義。在過大載荷下，鉚接接頭存在三種失效形式：拉伸失效（拉斷和拉脫）、剪切失效和疲勞失效[3]。所以對其質(zhì)量的評價(jià)分為直觀評價(jià)和間接評價(jià)?？赏ㄟ^對接頭整體外觀、尺寸、強(qiáng)度、金相組織結(jié)構(gòu)等進(jìn)行判定。從評價(jià)性能分類上主要通過視覺目測評價(jià)法、特征尺寸測量法、靜、動態(tài)實(shí)驗(yàn)法、疲勞力學(xué)法、微觀結(jié)構(gòu)評價(jià)法及其它方法。

3.1視覺目測評價(jià)法

良好的鉚接接頭，其外觀和尺寸滿足如下初步條件：

第一，鉚接接頭外形與凹模相似，接頭截面稱軸對稱形，而且向下帶有圓環(huán)突起，易于上下板材發(fā)生互相嵌合而形成自鎖。

第二，無鉚釘鉚接接頭的上下板料均不能有裂紋，否則會影響抗剪切能力和抗拉能力。

第三，上下層板料應(yīng)保持完整，無沖孔現(xiàn)象。

不合格的鉚接類型較多，有側(cè)傾型、穿透型、崩裂型等形式。

3.2特征尺寸測量法

主要通過測量幾何參數(shù)，如厚度、高度、嵌入量等來判斷性能。觀察截面的形狀、測量底部、頸部厚度值，接頭的特征尺寸。如底厚值、頸厚值和嵌入量，這三者同時(shí)決定正拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。而且頸厚值決定接頭的剪切強(qiáng)度，嵌入量決定接頭的剝離強(qiáng)度。一定范圍內(nèi)，頸厚值增大時(shí)會增加靜態(tài)剪切強(qiáng)度，相應(yīng)的嵌入量會相應(yīng)減小，進(jìn)而降低剝離強(qiáng)度。

3.3靜態(tài)實(shí)驗(yàn)判定法

通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)測量最大失效載荷，失效能量，失效形式，抗剪強(qiáng)度等性能指標(biāo)。各企業(yè)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)確定接頭的抗拉和抗剪性能，這決定著車輛的安全性能，只有抗拉和抗剪強(qiáng)度都達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才可達(dá)標(biāo)，方可在汽車上使用。異種材料無鉚鉚接技術(shù)時(shí)，可增大板材連接強(qiáng)度，將強(qiáng)度高的作為下層板材，增大鉚接的靜強(qiáng)度和剛度。

3.4動態(tài)實(shí)驗(yàn)判定法

通過對無鉚鉚接動態(tài)力學(xué)性能測試，研究在搭建異質(zhì)材料T形連接、十字形或U形連接時(shí)的力學(xué)特性，對比靜態(tài)實(shí)驗(yàn)性能參數(shù)，研究強(qiáng)度等參數(shù)變化趨勢、沖擊速度、失效位移等。

3.5疲勞力學(xué)實(shí)驗(yàn)法

通過測試在疲勞狀態(tài)下的力學(xué)特性，如靜態(tài)拉伸，疲勞振動，疲勞失效形式等評估性能工藝參數(shù)，對板材厚度、強(qiáng)度、無鉚鉚釘直徑研究在不同疲勞負(fù)荷下的失效周期、最優(yōu)特性等。

3.6微觀結(jié)構(gòu)評價(jià)法

通過接頭切面在顯微鏡下的形態(tài)，大小，分布等金相組織結(jié)構(gòu)判斷鉚接接頭的質(zhì)量，觀察金相組織結(jié)構(gòu)可查找接頭質(zhì)量問題和原因。

3.7其它評定方法

其它評定方法，例如基于力-位移曲線的在線評定方法，通過在線監(jiān)測力與位移曲線的特征值、特征公差，分析部分參數(shù)，如板件間隙、鉚接力、或凹模尺寸參數(shù)等，實(shí)時(shí)判定并輸出不合格接口類型。

4影響接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)

從工藝參數(shù)上，影響無鉚釘鉚接質(zhì)量參數(shù)可分為三類：模具參數(shù)，板件材料和鉚槍控制[4]。

模具參數(shù)是決定鉚接接頭質(zhì)量好壞的決定性因素。模具參數(shù)主要有點(diǎn)徑D（凹模直徑），凹模深度H，凹模圓角半徑尺R，凸模直徑d和凸模圓角半徑r。在點(diǎn)徑D確定的情況下，改變凸模直徑d，凸凹模的間隙X也會隨之改變，即

X=D-d? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

當(dāng)凸凹模之間的間隙X過小，會導(dǎo)致接頭頸部厚度太小或沖斷，而間隙值X過大，也會使接頭嵌入量過小，導(dǎo)致鉚接失敗，因此需合理選擇凸模直徑以得到最好接頭質(zhì)量。

對于沖壓行程S，由上板厚度dl，下板厚度d2，凹模深度H和接頭底厚C決定，見公式2。

S=dl+d2+H-C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

凹模深度H對接頭質(zhì)量的影響也很大，H過大，容易造成頸厚值較小或沖斷，H過小則易使上、下板的材料流動，從而嵌合失敗。凹模和凸模圓角半徑也會影響鉚接過程中材料的流動，進(jìn)而影響接頭的質(zhì)量。

上下板材的力學(xué)性能、材料塑性越好的材料形成的鉚接接頭質(zhì)量越好，但塑性增大時(shí)，接頭強(qiáng)度就會有所下降。其他條件不變時(shí)，點(diǎn)徑越大則接頭的抗拉抗剪強(qiáng)度也越大，但實(shí)際應(yīng)用中點(diǎn)徑還受其他條件制約，如板厚、外觀工藝以及經(jīng)濟(jì)成本等。

5總結(jié)

無鉚釘鉚接在異種材料連接上具有獨(dú)特優(yōu)勢，避免因熔點(diǎn)、密度等物理、化學(xué)性質(zhì)不同，而產(chǎn)生的連接性能局限。而且操作用效率高，故障率低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。但也存在一定的局限性，如對材料的塑性要求要高，材料不宜過厚，連接強(qiáng)度不如焊接接頭強(qiáng)度高，所以有時(shí)需要增加鉚接點(diǎn)的個(gè)數(shù)以提高強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 高玉嬌.汽車車身異質(zhì)材料無鉚釘連接工藝及接頭性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

[2] 周璐瑤.基于耐撞性無鉚釘鉚接接頭建模方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

[3] 沈永飛，何冠中，樓銘，等.鋁合金與靜音鋼異種材料匹配無鉚釘鉚接成形特性[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，34（1）：103-106.

[4] 張文城.沖壓連接的成形過程及其結(jié)合強(qiáng)度的分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.