流鉆自攻連接與抽芯鉚接對(duì)比分析

王 利，楊 宇，李 巖，郝玉喜，劉佳欣

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著鋁合金材料在車身中的廣泛應(yīng)用，連接方式也呈現(xiàn)多樣化。由于緊固連接具有熱輸入低、可拆卸和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)被廣泛采用。然而對(duì)于板件與型材等管狀封閉結(jié)構(gòu)的連接，SPR、螺栓與螺母配合等連接方式通常很難完成連接操作，流鉆自攻連接技術(shù)和抽芯鉚接技術(shù)則可以很好解決此類問題[1]。流鉆自攻連接技術(shù)具有無需開設(shè)預(yù)制孔、生產(chǎn)效率高、適用于單面操作等優(yōu)點(diǎn)，但是也有生產(chǎn)設(shè)備投入大、生產(chǎn)成本高的劣勢(shì)；抽芯鉚接具有成本低、操作簡(jiǎn)便和單面操作的特點(diǎn)。因此本文介紹了上述兩種工藝，同時(shí)對(duì)比了流鉆自攻連接、開口型抽芯鉚釘和結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘連接的連接強(qiáng)度，為產(chǎn)品返修和工藝替代提供參考。

1 流鉆自攻連接和抽芯鉚接介紹

1.1 流鉆自攻連接

流鉆自攻連接是指特制螺釘在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)帶動(dòng)下使板料摩擦生熱產(chǎn)生塑性形變攻制螺紋同時(shí)擰緊螺釘?shù)倪B接技術(shù)，單面操作即可完成連接，英文簡(jiǎn)稱FDS（Flow drill screw）。由于設(shè)備最大下壓力可達(dá)3 500 N 以上，無法實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備操作，因此通常需要與機(jī)器人配合使用；并且要求被連接件具有一定強(qiáng)度，保證連接過程中不會(huì)嚴(yán)重變形，同時(shí)保證由薄到厚、由軟到硬的板材搭接順序。另外，連接后螺釘?shù)募舛瞬糠謺?huì)裸露在板材外，設(shè)計(jì)時(shí)需保證不會(huì)與其它結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，因此更適合于連接板材與空腔型材、板材與鑄件的組合[2-4]。流鉆自攻連接工藝過程包括五個(gè)階段：材料接觸（加熱）→孔成型→攻螺紋→擰螺紋→擰至規(guī)定扭矩。鋁合金材料可以連接總厚度約1.8～5 mm，過厚的材料可以通過開設(shè)預(yù)制孔完成連接，能夠?qū)崿F(xiàn)同種材料或異種材料連接。

圖1為流鉆自攻連接釘頭、頭部成型要素及成型過程。流鉆自攻連接接頭成型主要包含以下幾大要素[5]：（1）螺釘頭部與板材縫隙：通常頭部與板材緊密貼合，各接觸點(diǎn)保持在同一水平面上；（2）螺紋成型：錐孔無裂紋，沒有滑牙、錯(cuò)牙現(xiàn)象；（3）材料間隙：針對(duì)不同材料，不同使用要求確定材料之間缺口允許范圍，通常在0.3 mm 以下判定為合格；（4）螺紋錐孔形態(tài)：觀察板材上下擠出部分與螺釘旋合處是否爆開。流鉆自攻連接不但需要通過頭部成型分析連接質(zhì)量，也需進(jìn)行剪切性能和剝離性能等力學(xué)性能分析。

1.2 抽芯鉚釘連接

抽芯鉚釘也叫盲鉚釘或拉鉚釘，一般由不銹鋼、鋁合金及碳鋼制成，抽芯鉚釘具有單面鉚接、可實(shí)現(xiàn)不同材料間的混合連接、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，通常手持鉚釘槍即可完成鉚接[6]?，F(xiàn)有的抽芯鉚釘可分為普通開口抽芯鉚釘、封閉型抽芯鉚釘（防水鉚釘）及結(jié)構(gòu)型鉚釘。其中普通開口抽芯鉚釘、封閉型抽芯鉚釘?shù)姆诸愐罁?jù)為釘芯是否封閉于釘體，而結(jié)構(gòu)型鉚釘與這兩種鉚釘最大的區(qū)別除了具有很高的強(qiáng)度外，一個(gè)最典型的特征就是鉚接完畢后釘芯在釘體內(nèi)的鎖緊程度高，如圖2 所示。抽芯鉚釘連接時(shí)需要對(duì)被連接材料開設(shè)規(guī)定尺寸的圓孔，但對(duì)連接材料種類、連接結(jié)構(gòu)無特殊要求，不同厚度的材料選擇對(duì)應(yīng)規(guī)格的鉚釘即可完成操作，因此用途較為廣泛。

鉚接后的產(chǎn)品要求鉚釘釘帽與工件表面無縫隙，鉚釘墩頭包裹均勻、成型良好、無墩頭開裂現(xiàn)象。力學(xué)性能可通過拉脫試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)進(jìn)行分析。

圖1 流鉆自攻連接釘頭、頭部成形要素及成形過程

2 試驗(yàn)方案

選取Flow Form M5×25 mm 規(guī)格螺釘，選取的普通開口型抽芯鉚釘為51級(jí)?5 mm鉚釘，結(jié)構(gòu)型抽芯鉚釘為?5 mm 內(nèi)鎖拉絲鉚釘和?6.4 mm 內(nèi)鎖拉絲鉚釘。鉚接材料為6005A-T6 板材，規(guī)格為40 mm×100 mm×3 mm。由于鉚接總厚度6 mm 時(shí)流鉆自攻連接成型不穩(wěn)定，因此對(duì)上層板材開設(shè)預(yù)制孔，同時(shí)確保上下層板材抽芯鉚釘孔精度一致，孔中心距板材邊緣尺寸為20 mm，最后利用抽芯鉚釘槍及流鉆自攻擰緊設(shè)備制備剪切性能接頭。

對(duì)流鉆自攻連接試樣進(jìn)行低倍成形檢驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，對(duì)抽芯鉚接試樣進(jìn)行宏觀觀察和剪切試驗(yàn)。其中剪切試驗(yàn)利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)各組試樣拉伸直至破壞以記錄載荷值及接頭破壞形式，試樣夾持區(qū)寬度為40 mm，裝夾后的試樣保證拉伸時(shí)螺釘或鉚釘只受剪切力，加載速度為8 mm/min。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 低倍成形及宏觀分析

流鉆自攻連接試樣低倍形貌見圖2。螺釘與板材緊密貼合，上下層板材無明顯縫隙，螺釘自攻螺紋無滑牙、錯(cuò)牙，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。抽芯鉚接宏觀形貌見圖3。抽芯鉚釘與板材緊密貼合，鉚釘墩頭包裹完成，成型良好，無墩頭開裂現(xiàn)象，自沖鉚接和抽芯鉚接均滿足使用要求。

圖2 流鉆自攻連接形貌

圖3 抽芯鉚接宏觀形貌

3.2 剪切性能

對(duì)上述試樣進(jìn)行剪切強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果見表1。?5 mm 開口型抽芯鉚釘剪切載荷值最大可達(dá)6 860.73 N，?5 mm內(nèi)鎖拉絲型抽芯鉚釘剪切載荷最大值可達(dá)6 401.60 N，均低于流鉆自攻連接接頭，而?6.4 mm 內(nèi)鎖拉絲型抽芯鉚釘剪切載荷最大值與流鉆自攻連接接頭剪切載荷接近，最大值可達(dá)9 140.10 N。

剪切失效圖片如圖4所示。根據(jù)剪切失效形式分析，?5 mm 拉絲鉚釘試樣的剪切載荷雖然與51級(jí)開口型抽芯鉚釘接近，但拉絲鉚釘未被剪切斷裂，均是板材變形使鉚釘受到剪切力與拉脫力綜合作用導(dǎo)致鉚釘從材料脫落所致，因此拉絲鉚釘抗剪性能優(yōu)于51 級(jí)開口型抽芯鉚釘；連接鋁合金板材時(shí)，?6.4 mm 拉絲鉚釘與流鉆自攻連接試樣抗剪性能相接近，二者失效形式均是鉚釘或螺釘從材料脫落，主要原因是鉚釘和螺釘強(qiáng)度高于板材強(qiáng)度，拉伸時(shí)板材變形使鉚釘或螺釘受到剪切力與拉脫力綜合作用所致。

圖4 剪切失效圖片

表1 剪切強(qiáng)度結(jié)果

4 結(jié)論

（1）流鉆自攻連接通常可不開預(yù)制孔，并且連接強(qiáng)度高，但是需要與機(jī)器人配合使用，因此生產(chǎn)成本較高；抽芯鉚接具有生產(chǎn)成本低和手持設(shè)備操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

（2）?6.4 mm 內(nèi)鎖拉絲型抽芯鉚釘剪切強(qiáng)度與M5流鉆自攻連接剪切強(qiáng)度接近。