鐵道車輛整車鉚接質(zhì)量分析診斷系統(tǒng)概述

蔣新華

摘 要 采用了試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的方法，對自沖鉚接（Self-PiercingRiveting，SPR）設(shè)備中的重要部件凹模出現(xiàn)的不同程度的損傷情況可能對SPR接頭質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對凹模的受損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，根據(jù)凹模的受損程度將凹模分為早期受損、中前期受損等5個(gè)級別。使用不同受損程度的凹模對厚度為1.5mm的A6111鋁板進(jìn)行自沖鉚接，測量鉚接接頭的外觀質(zhì)量與接頭剖面幾何參數(shù)。通過拉伸-剝離仿真試驗(yàn)，探究凹模斷裂損傷對SPR鉚接接頭的連接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：凹模損傷會對接頭表面外觀質(zhì)量造成損傷，并且會隨著凹模損傷程度的增加而增大;凹模沒有發(fā)生斷裂時(shí)，凹模損傷對接頭剖面的幾何參數(shù)不會產(chǎn)生太大影響;凹模發(fā)生斷裂，會降低接頭的連接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 自沖鉚接;凹模損傷;鉚接質(zhì)量;接頭外觀;斷裂

引言

鋼結(jié)構(gòu)件的連接方式主要有螺栓連接、鉚接連接及焊接連接等方式。在鐵道車輛生產(chǎn)中，鉚接是除了焊接外，應(yīng)用最為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)件連接方式。近年來，國內(nèi)軌道車輛企業(yè)和中國鐵路總公司大力投資信息化系統(tǒng)建設(shè)，不斷推動(dòng)鐵路車輛診斷技術(shù)的發(fā)展，但鉚接質(zhì)量在線診斷方面缺少可靠的解決方案及鉚接質(zhì)量追溯措施。目前車輛制造過程中鉚釘鉚接完成后的檢查都是通過目測等人工方法進(jìn)行，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以消除人為因素對檢測結(jié)果的影響在車輛企業(yè)質(zhì)量管控廣泛采用ERP/MES/PCS/LIMS等分層架構(gòu)的今天，仍然采用人工監(jiān)測方式將會導(dǎo)致各平臺間數(shù)據(jù)傳輸不便、未對過程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警、出現(xiàn)質(zhì)量問題缺乏有效的工藝質(zhì)量追溯和離線分析措施等問題，不能夠使質(zhì)量管控達(dá)到最完善[1]。

1自沖鉚接的基本原理

自沖鉚接技術(shù)是一種冷機(jī)械連接工藝，在這種工藝中，多片材料無須預(yù)先鉆孔即可鉚接在一起。它的工作原理是將一個(gè)典型的半管狀鉚釘推入材料的目標(biāo)堆中，在此期間材料和鉚釘?shù)乃苄宰冃问沟貌牧隙褍?nèi)形成機(jī)械鎖。自沖鉚接技術(shù)各零部件包括沖頭、壓邊圈、上下板料、鉚釘和凹模。成型過程可分為4個(gè)階段：①夾緊階段。壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，與此同時(shí)，鉚釘也在沖頭的驅(qū)動(dòng)下垂直向下對板料進(jìn)行預(yù)壓緊。②沖刺階段。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。③擴(kuò)張階段。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。④鉚接完成。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。

2關(guān)鍵問題研究

2.1 整車鉚接工藝質(zhì)量追溯體系的建立

整車鉚接工藝質(zhì)量追溯體系的建立不僅需要判定鉚釘鉚接質(zhì)量，還需要將每個(gè)鉚釘?shù)你T接質(zhì)量及鉚接位置進(jìn)行匹配，并生成質(zhì)量卡片。拉鉚槍上的工業(yè)相機(jī)會將拉鉚時(shí)的鉚接對象及周圍環(huán)境記錄下來，并上傳給工控機(jī)。對于轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等具有明顯輪廓特征的對象，只要找出鉚接時(shí)采集圖像的輪廓特征即可判別鉚接位置;對于罐車、敞車以及其他鉚接位置無明顯輪廓特征的對象，可以采用事先對鉚接處信息的條形碼即可實(shí)現(xiàn)對該鉚接位置采集圖像的識別[2]。

2.2 鉚釘參數(shù)對接頭性能的影響

在鉚釘材料方面，的研究指出，由于鉚釘不僅要求較高的強(qiáng)度，而且要求適當(dāng)?shù)难诱剐?，因此鉚釘強(qiáng)度的提高是有限的。出鉚釘必須有足夠的硬度來穿透上層板料，同時(shí)也要有足夠的塑性與底層板料一起向外擴(kuò)張。提出在成型階段，硬度高的鉚釘所需要的壓力明顯高于硬度低的鉚釘。鉚釘硬度提高，抗剪強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度提高。認(rèn)為鉚釘材料直接影響到鉚釘穿透鋁板的能力和鉚接接頭截面形貌。通過上述學(xué)者的研究，可以得出如下結(jié)論：鉚釘硬度不能太低，否則無法刺穿上層板，隨著鉚釘硬度的提高，鉚接質(zhì)量顯著提高;但鉚釘?shù)挠捕纫膊荒芴?，否則容易穿透下板材料。在壓緊和上層板穿刺階段，鉚釘?shù)挠捕扔绊懖淮螅阢T釘腿部張開和成形階段，硬度大的鉚釘所需成形壓力較大。鉚釘硬度提高，抗剪強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度提高，但不同板料對應(yīng)何種硬度的鉚釘還有待研究。

2.3 沖頭參數(shù)對接頭性能的影響

認(rèn)為由于板料之間有間隙，鉚釘在嵌入板料之前需要先通過彈性變形消除間隙，故沖頭位移應(yīng)比鉚釘長度大0.2mm。鉚接到位時(shí)載荷變化曲線非常陡，故用載荷控制誤差相對應(yīng)位移控制較小。分析了鉚釘/板材組強(qiáng)度匹配、鉚接速度對鉚接成型質(zhì)量的影響，認(rèn)為鉚接速度主要通過兩方面來影響鉚接質(zhì)量：一是由于沖壓載荷峰值的變化影響了接頭的成型性，二是由于應(yīng)變速率的不同，對板材加工硬化程度和斷裂應(yīng)力的影響不同。提出接頭強(qiáng)度隨加載速率的增大而增大。采用5種不同的鉚接速度進(jìn)行接頭的自沖鉚接試驗(yàn)。觀察各鉚速下接頭的截面成形形貌，并測得鉚速增大時(shí)，接頭底切量增大，底部厚度和剩余厚度均減小。的研究表明，應(yīng)變速率增大時(shí)，板材加工硬化率提高，斷裂應(yīng)力有減小的趨勢，會過早產(chǎn)生斷裂。張雨桐等的研究表明，沖頭速度過大，板料容易發(fā)生回彈現(xiàn)象，沖頭速度過小，達(dá)不到預(yù)期的鉚接效果。上述學(xué)者的研究表明：隨著鉚接速度的增加，從成型狀態(tài)來觀察，接頭底切量增大，剩余厚度和底部厚度均減小;從板料性能來觀察，板料加工硬化率提高，斷裂應(yīng)力有減小的趨勢。成型狀態(tài)此時(shí)處于優(yōu)勢地位，對接頭性能的影響大于板料本身的影響，所以接頭拉剪強(qiáng)度明顯增大，而脫落強(qiáng)度增大幅度較小[3]。

3結(jié)束語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

①影響接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要是鉚釘材料、長度、鉚釘間距、板邊間距、凹模的凸臺高度、板料的厚度和沖頭的載荷與速度。不同學(xué)者對影響程度優(yōu)先順序之間的研究結(jié)果并不相同，所以仍需采用更完善的試驗(yàn)方法對工藝參數(shù)的重要程度進(jìn)行判斷。②根據(jù)工藝參數(shù)對接頭的幾何性能和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，可以指導(dǎo)工藝參數(shù)的選取，簡化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率。但目前的預(yù)測模型仍有一定的缺陷，所以需要研究新的強(qiáng)度預(yù)測模型和方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣滔，方輝，董秀麗.飛機(jī)蒙皮鉚接質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)建[J].航空制造技術(shù)，2017，60（6）：88-91.

[2] 戴云鵬.汽車輕量化中自沖鉚連接技術(shù)的工藝特點(diǎn)[J].機(jī)電技術(shù)，2017（1）：61-63.

[3] 王雷，張志超.鉚接過程質(zhì)量控制工藝及生產(chǎn)技術(shù)研究[J].機(jī)電元件，2016，36（4）：36-39.