基于正交試驗的熱熔自攻絲工藝優(yōu)化

林巨廣, 蔣全超, 童長松

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

作為一種密度小、比強度高和比剛度較高的金屬材料,鋁合金一直以來都被汽車生產廠家所青睞[1],特別是在新能源汽車發(fā)展以及白車身輕量化過程中,鋁合金的用途越來越廣泛[2]。FDS(flow drill screw)又稱熱熔自攻絲技術,兼有摩擦鉆孔和螺紋成型2種工藝的特點[3]。相比使用比較多的自沖鉚接,熱熔自攻絲連接特點具有多樣性,從單面攻入擰緊固定這個特點為汽車車身的制造打開了新的領域[4]。

目前,熱熔自攻絲工藝研究正處于一種熱門趨勢。文獻[5]以熱熔鉆和螺紋攻絲鎖緊這2個比較成熟的工藝為基礎,對熱熔自攻絲鉚接曲線進行了研究與分析。國外學者對熱熔自攻絲的工藝特性[6]以及工藝過程模擬[7]也進行了廣泛研究。文獻[8]發(fā)現(xiàn),對于塑性較差的鑄造鋁合金及鎂合金,室溫下鉆孔后孔壁粗糙且襯套呈花瓣狀散開,預熱可以使鑄造金屬坯料的塑性增加,能改善鉆孔質量。

本文通過對熱熔自攻絲工藝參數(shù)的優(yōu)化,獲得鉆孔階段鉚槍最大下壓力的極小值,以達到優(yōu)化鉚接效果和為焊接機器人選型作參考的目的。

1 熱熔自攻絲工藝

1.1 FDS設備

試驗設備選自德國德派公司的智能自適應熱熔緊固系統(tǒng)，其關鍵部件智能裝配主機單元如圖1所示。

圖1 智能裝配主機單元

該設備配置的螺釘為阿諾德公司開發(fā)的專用螺釘,簡稱FFS,如圖2所示。該螺釘尖部表面有專用涂層,在與工件的高速旋轉摩擦過程中會產生600～900 ℃的高溫。

圖2 FDS緊固螺釘

1.2 FDS工藝過程

鉆頭帶動FDS螺釘高速旋轉,在設備下壓力的作用下,螺釘首先穿透板材,然后依靠其自帶的螺紋與板材實現(xiàn)螺紋連接。具體工藝過程分為孔成形、螺紋成形、螺釘旋入、擰緊4個部分[4],如圖3所示。

圖3 FDS工藝過程

(1) 孔成形。螺釘在高速旋轉的電機帶動下,與板材擠壓摩擦,接觸部位的板材處于熱熔狀態(tài)。螺釘穿透材料時,大部分熱熔狀態(tài)的鈑金件材料流向鉆孔下部形成厚度達1～3倍的金屬批鋒(襯套、凸臺)[9-10]。

(2) 螺紋成形?？壮尚魏筠D速降低,進行攻螺紋動作。

(3) 螺釘旋入。深度傳感器檢測到攻螺紋結束后,開始以一個很低的轉速擰螺釘。

(4) 擰緊。擰螺釘達到已經設定好的扭矩。

1.3 接頭質量評價

熱熔自攻絲接頭的連接質量決定著連接強度。對接頭質量評價主要包括外觀檢測和剖面檢測,其中外觀檢測是首要評價對象,如果外觀檢測不合理,剖面檢測也就沒有必要進行。本文研究的是孔成形階段,該階段的質量檢測主要包括:

(1) 連接點底部成型狀態(tài)。進給速度過快,熔融的金屬還沒有完全冷卻成形而被螺釘快速沖開,襯套產生裂紋。底部襯套的正常狀態(tài)和裂紋狀態(tài)如圖4所示。

(2) 板件彎曲狀態(tài)。若螺釘軸向下壓力過大或底部夾具設計不合理，則可能使板件彎曲變小,導致產品不合格。

圖4 底部襯套

2 FDS實驗設計

2.1 試驗背景與目的

安徽某車企的老生產線改造過程中,在熱熔自攻絲工藝設備和焊接機器人品牌已經確定的情況下,選擇既滿足鉚接要求又能成本最小化的機器人型號是十分重要的。機器人型號的選取主要與鉚接設備在鉚接過程中的最大下壓力相關,最大下壓力越小,機器人選用的型號越能節(jié)約成本。最大下壓力在鉆孔階段產生,鉆孔轉速、進給速度會影響最大下壓力。若進給速度過大,鉆孔時過快,則會導致孔成形過程中襯套形成裂紋；若進給速度小,鉆孔時間長,則會導致孔成形階段溫度過高,影響板材性能。根據(jù)實踐經驗,孔成形階段時長保持在600～800 ms為宜。因此監(jiān)測設定值的設置也是考慮因素。

綜上所述,通過試驗確定 FDS 工藝中孔成形階段螺釘轉速、進給速度、監(jiān)測設定值3個過程參數(shù)對孔成形階段最大下壓力和鉆孔時間的影響程度,再優(yōu)化過程參數(shù),從而為生產過程提供一定的參考。

2.2 試驗器材準備

(1) 板材的選取。本次試驗選用白車身側身外板組件與門檻連接部位,如圖5所示,此為最厚搭接,板材型號為RC5754與6082-T6的板材,其規(guī)格為40 mm×100 mm,板材厚度和材料的力學性能見表1所列。其中：RC5754為上層板;6082-T6為下層板。

圖5 門檻與外板連接部位

表1 鋁合金板材的力學性能

(2) 試驗設備。本次試驗設備為德國Deprag公司研發(fā)生產的智能自適應熱熔緊固系統(tǒng),采用阿諾德公司提供的M5×22緊固螺釘。

2.3 正交試驗設計

(1) 確定影響試驗結果的因子和水平。影響熱熔自攻絲工藝孔成形階段最大下壓力和鉆孔時間的3個因素分別為螺釘轉速(A)、進給速度(B)、監(jiān)測設定值(C)。根據(jù)實際經驗,各因素采用的水平見表 2所列。

表2 正交試驗因素及水平

(2) 試驗方案。試驗為3因素3水平,選用L9(34)型正交表共9組試驗,設計出的試驗方案見表3所列。

試驗按表3所列進行,每組試驗求得2個結果,分別為鉆孔階段最大下壓力Fmax和鉆孔時間t。每組試驗做3次重復試驗,求其平均值,試驗結果見表4所列。

表3 FDS試驗正交表

表4 正交試驗結果

3 試驗結果分析與處理

利用極差分析法分析表4的試驗數(shù)據(jù),分析結果見表5所列。

表5 試驗結果參數(shù)的極差計算結果

從極差R值可以看出因素對指標的影響程度。R值越大,說明這個因素對指標的影響程度也就越大。

從表5可以看出,對于鉆孔時間t,進給速度(B)對其影響最大;監(jiān)測設定值(C)對其影響次之;螺釘轉速(A)對其影響最小。

各因素水平對鉆孔時間的的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 鉆孔時間水平變化規(guī)律

由于工藝效果要求鉆孔時間t在600～800 ms之間為宜,由表5可知,進給速度對t的影響最大,且只有12 mm·s-1時符合條件,而其他因素各個水平都可以保證試驗結果要求。

從表5可以看出,對于最大下壓力Fmax,螺釘轉速(A)對其影響最大;進給速度(B)對其影響次之;監(jiān)測設定值C對其影響最小。

各因素水平對最大下壓力的的影響規(guī)律如圖7所示。

從圖7可以看出,因素A的鉆孔轉速從6 000 r·min-1逐漸增加到8 000 r·min-1時,最大下壓力Fmax逐漸減小;因素B的進給速度從6 mm·s-1逐漸增加到10 mm·s-1時,最大下壓力Fmax逐漸增加;因素C的監(jiān)測設定值從40%逐漸增加到80%,最大下壓力Fmax先增大后減小。

圖7 最大下壓力水平變化規(guī)律

由于最大下壓力越小越好,且進給速度只有在12 mm·s-1時才能滿足要求,因此最佳的組合為A3B3C2,即正交試驗第9組。

以正交試驗表4可以看出,最優(yōu)參數(shù)對應的鉚接下壓力大小為1 928 N。

4 結 論

本文選用某車型門檻連接部位搭接,通過幾組正交試驗,對熱熔自攻絲工藝孔成形階段的工藝參數(shù)進行分析與優(yōu)化,得到以下結論:

(1) 對于1.2 mm RC5754和3.5 mm 6082-T6鋁合金板材在孔成形階段的連接工藝,在保證鉆孔時間滿足600～800 ms的條件下,選用8 000 r·min-1的螺釘轉速、12 mm·s-1的進給速度、60%的監(jiān)測設定值組合可以實現(xiàn)良好的鉚接質量，得到最小的鉚槍最大下壓力。

(2) 根據(jù)試驗結果可知,螺釘轉速和進給速度對鉆孔階段的鉚槍最大下壓力影響較大,監(jiān)測設定值對最大下壓力影響很??；鉆孔時間與進給速度并非線性關系,進給速度對其影響最大，鉆孔時間也受螺釘轉速和監(jiān)測設定值的影響,但螺釘轉速和監(jiān)測設定值相對于進給速度而言影響較小。

(3) 本次試驗選用的搭接為白車身側身外板組件與門檻連接部位,本文方法可以為白車身其他部位的工藝分析提供一定的參考。優(yōu)化工藝參數(shù)不僅能提高鉚接質量,也可以為生產設備中焊接機器人的選取提供參考。