鎖鉚技術(shù)在汽車輕量化鋁合金部件上的應(yīng)用

隨著“碳達峰和碳中和”政策法規(guī)的深入落實，汽車工業(yè)面臨的節(jié)能減排壓力越來越大，汽車輕量化不但是應(yīng)對日益嚴苛的二氧化碳排放法規(guī)所采取的重要手段，也是提升汽車關(guān)鍵性能的有效途徑。目前，采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用新型輕質(zhì)材料和新型制造工藝裝備是實現(xiàn)汽車輕量化的三個要素。鋁合金材料具有比強度高，密度小(約為鋼的1/3)及抗腐蝕性好等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為國內(nèi)外汽車制造商在實現(xiàn)汽車輕量化過程中替代傳統(tǒng)低碳鋼的主要材料之一。隨著汽車輕量化需求不斷推進，汽車單車用鋁量也在不斷增長。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)(圖1)，2014～2020年，汽車單車用鋁量從110千克/車增長到190千克/車，預(yù)計到2025年，將有望增長到250千克/車，2030年將大幅度上升至350千克/車。

對中心像素P，設(shè)置以下7個函數(shù)值：①A(k)=1,Pk為圖像像素,k=0-8;A(k)=0,Pk為背景像素②B(k)=1-|A(k)|③A(k)=1,C(k)=1;若 A(k)≠1,C(k)=0④A(k)=1,D(k)=1;若 A(k)≠1,D(k)=0 且 D(9)=D(1)⑤E(k)=1-|D(k)|,k=0-8⑥F=∑i=N1(E(i)-E(i)*E(i+1)*E(i+2))N1={1,3,5,7}⑦G(k)=F*,k=0-8（F*是 A(k)=0 時的 F）。

新能源汽車市場的高速發(fā)展，帶動鋁合金材料和各種加工工藝(板件沖壓/型材擠壓/鑄造/溫鍛成形等)的發(fā)展，并催生新型連接工藝技術(shù)(鎖鉚SPR、熱熔鉆鉚FDS和熱熔鉆拉鉚FDR等)在汽車工業(yè)的應(yīng)用，例如車身覆蓋件、全鋁車身、電池托盤以及鋁合金底盤部件。根據(jù)汽車研究機構(gòu)Ducker Frontier的數(shù)據(jù)，2020年非純電動汽車的單車用鋁量為206千克，純電動汽車的單車用鋁量為292千克，電動車單車用鋁量較傳統(tǒng)燃油車高42%(圖2)。

德國弗勞恩霍夫物流研究院中國首席科學(xué)家首席代表/中德智能技術(shù)博士研究院中方院長房殿軍博士做了“改革開放40 年，中國人才與技術(shù)發(fā)展的喜與憂”的主旨報告并深刻地指出，“中國制造2025要想實現(xiàn)領(lǐng)域的創(chuàng)新，技術(shù)和人才這兩大支柱不可缺少。”

宵禁的存在，在戰(zhàn)亂頻仍時確實可以起到一定的維護治安之用。但當經(jīng)濟發(fā)展，商業(yè)社會需要前行之時，這種制度就不免成為阻礙進步的枷鎖。制度本身無對錯，如何根據(jù)時代的發(fā)展需要采用相應(yīng)的政策，才是為政者必須不斷思考的問題。

鎖鉚連接技術(shù)

鎖鉚連接工作原理

鎖鉚鉚釘在外力的作用下，通過穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進行流動和延展，形成一個相互鑲嵌的永久塑性變形的鉚釘連接過程，這一過程稱作鎖鉚連接，又稱作SPR連接。該鉚接點具有較高的抗拉強度和抗剪強度，稱作鎖鉚鉚接點(圖3)。它可以用于連接各種混合材料組合，如帶鍍鋅層、有機層或預(yù)涂裝的鋼板以及鋁鋼混合板件或非金屬與金屬的混合板件材料組合。

鎖鉚連接工藝過程

⑴連接材料組合廣泛。可以連接不同材質(zhì)、硬度、厚度材料組合，有鍍層、夾層包括結(jié)構(gòu)膠等材料連接組合，以及非金屬材料組合和多層材料組合。

鎖鉚連接技術(shù)優(yōu)勢

圖4是鎖鉚連接工藝過程示意圖，鉚接過程分別為定位、夾緊、送釘、刺穿、變形、成形階段。夾具定位被連接工件，預(yù)夾緊工裝向下運動壓緊待被連接工件，與此同時，鎖鉚鉚釘在沖頭的作用下垂直向下對被連接工件進行預(yù)壓緊。在動力源施加外力下，使鉚釘刺穿上層工件(和中層材料)，并繼續(xù)運動向下到下層工件。鉚釘在沖頭作用下繼續(xù)向下運動，下層工件材料發(fā)生變形逐漸填充入凹模，鉚釘腿部向周圍擴張與發(fā)生塑性變形的材料形成了機械互鎖結(jié)構(gòu)；當鉚釘頭部(平頭鉚釘)與上層工件的上表面緊密接觸且平齊，且鉚釘沒有刺穿被連接工件下層材料，即鉚接完成。此時沖頭和預(yù)壓緊工裝在返程作用力下，返回初始工位。

⑵鉚接質(zhì)量高。專用鎖鉚連接設(shè)備保證鉚接點質(zhì)量穩(wěn)定可靠，一致性好，大大降低客戶維護成本，動態(tài)疲勞強度高，撞擊能量吸收性能好，可無損傷檢測連接質(zhì)量(圖5)。

⑶信息化：對質(zhì)量大數(shù)據(jù)進行采集、分析、存儲和追溯管理，不斷優(yōu)化改善和提高。

鎖鉚連接智能裝備由C形鉗體、鉚接系統(tǒng)、自動供釘系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和其他輔助裝置組成，圖6為機器人數(shù)控伺服鎖鉚成套裝備。

⑴自動化：連接機器人，可實現(xiàn)自動操作，生產(chǎn)效率高。

鎖鉚連接智能裝備

⑷柔性組線好。可以實現(xiàn)鉚接自動化作業(yè)，易于與生產(chǎn)過程自動化集成，更換產(chǎn)品只需調(diào)整參數(shù)設(shè)置即可，減少了多臺設(shè)備的投資，降低了固定資產(chǎn)的投入。

機器人數(shù)控伺服鎖鉚成套裝備是以數(shù)控伺服驅(qū)動技術(shù)為驅(qū)動動力，以在線質(zhì)量監(jiān)控與管理系統(tǒng)為核心，以機器人柔性集成應(yīng)用為場景，實現(xiàn)了對每個鉚接點過程參數(shù)(速度、壓力和位移)的精確、精密、精準控制。

工作原理：使用精密的扭力傳感器和位移傳感器,采集鉚接過程中的力和行程數(shù)據(jù)，通過設(shè)置質(zhì)量判斷窗口條件,對實際發(fā)生的力和行程X/Y數(shù)值進行實時比對分析和結(jié)果判斷,從而實現(xiàn)對鉚接過程質(zhì)量的監(jiān)控和質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和追溯管理(圖7)。

表1中是鎖鉚點剖面金相圖和鉚接強度數(shù)據(jù)，可以看出鎖鉚連接在鋁合金材料組合連接和鋼鋁混搭材料組合連接中的優(yōu)勢。

本文通過分組研究可知,研究組治療有效性優(yōu)于對照組,但兩組治療安全性對比并無明顯差異,此結(jié)論與付士平[2]等人研究結(jié)果相符。分析原因為:球囊于骨折處擴張時僅需利用較小壓力即可達到理想的傷椎高度恢復(fù)效果,因此對因球囊擴張治療原發(fā)疾病的過程中所致骨小梁損傷情況得以有效避免[1],此外椎體高度恢復(fù)效果較優(yōu)則有利于保障骨水泥的彌散效果,對確保臨床療效也具有一定的積極意義[2]。

⑵智能化：鉚接過程質(zhì)量實時100%自動監(jiān)控，避免批量缺陷事故發(fā)生。

⑶綜合成本低。無需連接前后的處理工序，單一工序，工作效率高，操作成本低，能耗低，無需額外的環(huán)保和勞保投資。

（3）榨汁過濾。按1∶1的姜水比例用榨汁機打漿3～5 min，至組織細膩，然后榨汁，并用100目的濾布進行過濾，得到姜汁。

⑷網(wǎng)絡(luò)化：配置標準通訊接口，實現(xiàn)智能工廠制造信息系統(tǒng)MES互聯(lián)互通和遠程控制。

“四年前創(chuàng)建這一東北地區(qū)少有、后被全國推廣的智慧化醫(yī)聯(lián)體模式，著實不易?！贝筢t(yī)二院信息科主任孫巖國也表示，這一模式需要醫(yī)院班子的頂層設(shè)計、勇氣，以及智慧?！跋麓罅獯蛲ㄏ嚓P(guān)瓶頸，目標只有一個，就是提高百姓的就醫(yī)感受?！?/p>

在線質(zhì)量過程監(jiān)控與管理功能

鎖鉚連接智能裝備具備工業(yè)4.0四大功能特征：

在線質(zhì)量過程監(jiān)控與管理功能既保證生產(chǎn)的每個鉚接點都是受控的良品100%檢驗，也間接為后期優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支持，專業(yè)保證鉚接質(zhì)量。并且可以實現(xiàn)人機交互和故障自診斷報警功能，當出現(xiàn)質(zhì)量問題或者發(fā)生設(shè)備操作故障時，能夠智能停止系統(tǒng)同時三色燈報警，并在顯示屏上提示可能的錯誤原因，幫助操作者解決問題。外部通訊對接智能制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，具備多種通訊接口，滿足MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和自動化總線控制要求。

鎖鉚技術(shù)在鋁合金上的應(yīng)用

機器人智能鎖鉚系統(tǒng)(圖8)是一套為解決汽車車身中地板總成鋼鋁混搭材料鉚接的工作站。該裝備由精密伺服驅(qū)動裝置、自動吹送供釘系統(tǒng)和智能鉚接質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)組成，實現(xiàn)同一個產(chǎn)品上多種材料組合的鎖鉚鉚接工況。一個中地板總成產(chǎn)品由兩種不同材料和不同厚度的鋁板和鋼板組合而成(圖9)，當機器人智能鉚接系統(tǒng)工作時，鉚接操作系統(tǒng)可以按工作順序根據(jù)通訊協(xié)議自動切換相應(yīng)的鉚接程序進行快速鉚接，不同的材料組合對應(yīng)的鉚接參數(shù)(速度、壓力和位移)是不相同的。這套系統(tǒng)，不但可以滿足各種汽車輕量化材料組合之間的自動化高強度連接需要，而且實現(xiàn)100%鉚接質(zhì)量檢測和質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯管理，避免出現(xiàn)批量缺陷產(chǎn)品。一旦出現(xiàn)缺陷鉚點，智能鉚接設(shè)備立即報警，并提示和幫助操作人員排除故障，保證產(chǎn)品質(zhì)量得到控制。

鎖鉚技術(shù)與點焊技術(shù)的對比分析

作為鋁合金材料或者鋼鋁混搭材料組合的重要連接工藝，鎖鉚連接技術(shù)為各種鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域創(chuàng)造了更多應(yīng)用場景。尤其是在節(jié)能減排和“雙碳”背景下，各種輕量化材料不斷涌現(xiàn)和搭配應(yīng)用，鎖鉚技術(shù)在鋁合金車身上應(yīng)用越來越多，數(shù)量遠遠超過鋁點焊。例如在Audi A8(D3)上使用數(shù)量達2400點，Audi TT.上數(shù)量達1606點。我國具有豐富的鋁鎂合金材料儲備，具備各種鋁合金材料(板材/型材/鑄材)深加工工藝技術(shù)，鎖鉚技術(shù)和裝備必將大大推動汽車輕量化進程，推動新能源汽車的快速發(fā)展。例如全鋁車身車型的蔚來ES8；框架式全鋁車身車型的吉利英倫TX等。

與熱連接鋁點焊工藝相比，鎖鉚連接具有三個明顯的優(yōu)勢：⑴連接點強度高30%以上；⑵連接點應(yīng)力均勻分布，沒有應(yīng)力集中和熱變形；⑶沒有加熱過程，連接成本比較低。

鎖鉚技術(shù)與點焊技術(shù)的成本分析見表2，可以看到鎖鉚連接技術(shù)在鋁合金應(yīng)用中具有明顯的成本優(yōu)勢。

結(jié)束語

由此可見，鋁合金材料是我國新能源汽車輕量化主要材料，2019年中國乘用車平均單車用鋁量為129千克，對標北美單車用鋁量和鋁化率，中國汽車用鋁市場仍有很大上升空間。由于鋁合金和傳統(tǒng)鋼材在物理屬性等方面存在巨大差異，傳統(tǒng)的點焊工藝技術(shù)已經(jīng)不能滿足行業(yè)的發(fā)展需求，也不是最佳的連接工藝。在“雙碳”和節(jié)能減排的大背景下，加之汽車輕量化與汽車續(xù)航里程正相關(guān)，鎖鉚連接工藝技術(shù)，將成為鋁合金材料在汽車輕量化領(lǐng)域應(yīng)用的主要推手，為鋁合金材料深加工帶來巨大的增值空間，為汽車輕量化鋁合金部件帶來巨大的市場應(yīng)用空間。