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      熱熔自攻絲夾具的合格支撐間距探究

      2022-09-19 01:31:14王健強(qiáng)李尚鴻段德宇倪明
      機(jī)床與液壓 2022年8期
      關(guān)鍵詞:攻絲板件熱熔

      王健強(qiáng),李尚鴻,段德宇,倪明

      (合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

      0 前言

      汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%,空載情況下,約70%的油耗用在車身質(zhì)量上,因此減輕車身的質(zhì)量,對(duì)提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。鋁及鋁合金的材料比重小、比強(qiáng)度高,具有良好的成形性能、力學(xué)性能、物理性能以及工藝性能,是當(dāng)今社會(huì)汽車車身輕量化的首選材料。

      在鋁車身連接工藝中,常用的連接工藝有自沖鉚、鋁點(diǎn)焊、熱熔自攻絲等。熱熔自攻絲(Flow Drill Screwdriving,F(xiàn)DS)是一種新型的連接工藝。它綜合了摩擦鉆孔以及螺紋成型技術(shù),在其工作過(guò)程中緊固螺釘即作為鉆孔工具,又作為緊固件。FDS的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行單面連接,提高了焊接過(guò)程中的空間利用率,保證了設(shè)計(jì)的靈活性。

      近年來(lái),奔馳、奧迪、特斯拉等眾多公司都相繼引入了熱熔自攻絲技術(shù),奧迪的某新款車型就采用了700多處的FDS連接。FDS技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開(kāi)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究。SKOVRON等分析了鋁點(diǎn)焊工藝存在的缺陷,并且詳細(xì)介紹了FDS的工藝流程,通過(guò)試驗(yàn)研究了FDS的螺釘轉(zhuǎn)速以及擰緊扭矩對(duì)接頭幾何形狀的影響。SZLOSAREK等使用熱熔自攻絲連接高強(qiáng)塑料和鋁板,結(jié)果表明該組合在不同的加載角度和不同的失效機(jī)制下具有相同的失效載荷。SCHOLZ等研究了腐蝕條件對(duì)FDS接頭機(jī)械性能的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)腐蝕測(cè)試后,接頭的疲勞強(qiáng)度和失效形式都發(fā)生了明顯的變化。GRUJICIC等對(duì)FDS工藝進(jìn)行了有限元建模和數(shù)值模擬,建立了FDS工藝參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)其接頭質(zhì)量和機(jī)械性能的影響模型。在國(guó)內(nèi),林巨廣等通過(guò)試驗(yàn)研究了FDS打孔階段的軸向下壓力和擰緊階段目標(biāo)扭矩對(duì)板件連接質(zhì)量的影響。

      在FDS工藝流程中,槍頭以及預(yù)壓緊機(jī)構(gòu)會(huì)對(duì)所連接的板件施加較大的壓力,為避免它對(duì)板件造成過(guò)量的形變,夾具支撐間距長(zhǎng)度的設(shè)置十分關(guān)鍵。本文作者以6k21和6061鋁合金板件為研究對(duì)象,測(cè)試100 mm×40 mm板件兩端無(wú)夾緊點(diǎn)、100 mm×40 mm板件兩端有夾緊點(diǎn)和300 mm×120 mm板件兩端無(wú)夾緊點(diǎn)3種不同的情況,得到不同厚度板件在不同支撐間距下的形變量。試驗(yàn)結(jié)果可以為熱熔自攻絲板件夾具的設(shè)計(jì)提供參考。

      1 FDS簡(jiǎn)介

      1.1 FDS工藝系統(tǒng)介紹

      本文作者用于熱熔自攻絲工藝試驗(yàn)的自動(dòng)化設(shè)備是德國(guó)某公司研發(fā)生產(chǎn)的智能自適應(yīng)熱熔緊固系統(tǒng),如圖1(a)所示。

      對(duì)于整個(gè)熱熔自攻絲工藝系統(tǒng),最重要的單元是智能裝配主機(jī)單元,其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。主要由套筒刀頭、預(yù)壓緊機(jī)構(gòu)、擰緊伺服電機(jī)、壓力進(jìn)給伺服電機(jī)、控制模塊和主軸組成。該機(jī)構(gòu)最大軸向進(jìn)給行程壓力可達(dá)3 500 N,預(yù)壓緊機(jī)構(gòu)的下壓力最大可達(dá)1 200 N。該機(jī)構(gòu)工作時(shí),板件所受到的最大下壓力等于預(yù)壓緊機(jī)構(gòu)的下壓力與軸向進(jìn)給行程壓力之和。

      圖1 FDS設(shè)備及其智能裝配主機(jī)單元

      1.2 熱熔自攻絲的工藝過(guò)程

      FDS的工藝流程如圖2所示。在德派的FDS系統(tǒng)中,預(yù)壓緊機(jī)構(gòu)的下壓力在整個(gè)工藝工程中保持不變,軸向進(jìn)給行程壓力根據(jù)焊接槍的進(jìn)給速度自動(dòng)調(diào)節(jié),因此在各個(gè)階段都不同。圖3所示為某一搭接的FDS軸向進(jìn)給行程壓力,圖中的最大力出現(xiàn)在熱熔穿刺階段。

      圖2 FDS工藝流程

      圖3 軸向進(jìn)給行程壓力

      2 FDS試驗(yàn)

      2.1 接頭質(zhì)量的評(píng)價(jià)

      對(duì)FDS接頭質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要包括3個(gè)方面的檢測(cè),分別是外觀檢測(cè)、剖面檢測(cè)以及力學(xué)性能檢測(cè)。本文作者主要關(guān)注的是板件彎曲狀態(tài)檢測(cè)和力學(xué)性能檢測(cè),規(guī)定合格板件的彎曲形變量小于1 mm,并對(duì)不同形變量的板件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,觀察其剪切力變化情況。

      2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)搭接上層板為6k21鋁合金,下層板為6061鋁合金,二者的材料性質(zhì)如表1所示,使用的夾具實(shí)物如圖4所示。支撐間距的簡(jiǎn)單示意見(jiàn)圖5,該夾具可以任意調(diào)節(jié)支撐間距,同時(shí)可以?shī)A緊板件的兩端。

      表1 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

      圖4 FDS試驗(yàn)夾具

      圖5 支撐間距示意

      本文作者設(shè)計(jì)3組不同的試驗(yàn),第1組試驗(yàn)中選取的是100 mm×40 mm的小板件并且板件兩端沒(méi)有夾緊;第2組試驗(yàn)中選取的是100 mm×40 mm的小板件并且兩端有夾緊;為模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)大板件進(jìn)行連接的情況,第3組試驗(yàn)中選取的是300 mm×120 mm的大板件。以上3組試驗(yàn)分別在不同支撐間距下進(jìn)行,測(cè)量形變量。

      2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量

      文中的板件形變量測(cè)量方式是制作一個(gè)基準(zhǔn)平板,將基準(zhǔn)平板平放于待測(cè)試件之上,利用深度尺測(cè)量基準(zhǔn)平板上表面距離待測(cè)試件最大變形區(qū)域底部的高度,則形變量等于深度尺測(cè)得的高度減去基準(zhǔn)板的厚度。

      3 試驗(yàn)結(jié)果分析

      3.1 第一組試驗(yàn)結(jié)果分析

      此次試驗(yàn)?zāi)M小板件兩端沒(méi)有設(shè)置夾緊點(diǎn)的情況,結(jié)果如表2所示??偤穸葹?.5 mm以及5.5 mm的搭接在支撐間距為40 mm時(shí),形變量都超過(guò)了1 mm??偤穸葹?.5 mm的板件最大合格支撐間距為20 mm,而總厚度為5.5 mm的板件合格支撐間距小于40 mm。

      表2 100 mm×40 mm板件無(wú)夾緊試驗(yàn)結(jié)果 單位:mm

      推測(cè)合格支撐間距過(guò)小的原因有兩個(gè):(1)未在板件的兩端添加夾緊點(diǎn);(2)與試件的尺寸有關(guān),100 mm×40 mm的板件尺寸小,整體的抗變形能力差。

      3.2 第2組試驗(yàn)結(jié)果分析

      對(duì)比第1組的試驗(yàn),此次試驗(yàn)在板件兩端添加了夾緊點(diǎn),結(jié)果如表3所示。在板件總厚度為4.5 mm的搭接中,有夾緊點(diǎn)的板件的最大合格支撐間距可以達(dá)到70 mm,而沒(méi)有夾緊點(diǎn)的板件的最大合格支撐間距只有20 mm??梢?jiàn)夾緊點(diǎn)的設(shè)置可以顯著提高板件的合格支撐間距。

      表3 100 mm×40 mm板件有夾緊試驗(yàn)結(jié)果 單位:mm

      由圖6可得,支撐間距與形變量呈正相關(guān),板件的總厚度與形變量呈負(fù)相關(guān)。在總厚度為3 mm的板件組合中,最大合格支撐間距為50 mm;總厚度為4 mm以及4.5 mm的板件組合在支撐間距為80 mm時(shí),形變量都發(fā)生了顯著增大,最大合格支撐間距建議設(shè)置為70 mm;總厚度為5.5 mm的板件組合,此時(shí)的合格間距超過(guò)了80 mm。綜合對(duì)比第1組試驗(yàn)結(jié)果,在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于小尺寸的板件且支撐間距大于40 mm時(shí),應(yīng)該添加夾緊點(diǎn)。

      圖6 不同厚度的小板件支撐間距與形變量的關(guān)系

      3.3 第3組試驗(yàn)結(jié)果分析

      由于實(shí)際生產(chǎn)中多為大板連接,故選用較大尺寸的板件進(jìn)行模擬。此次試驗(yàn)中選用的板件尺寸均為300 mm×120 mm×1.5 mm,6k21為上層板,6061為下層板,其中總厚度為4.5 mm的材料組合為三層板搭接,中層板牌號(hào)為6k21。

      由表4中的數(shù)據(jù)可得,在不設(shè)置夾緊點(diǎn)的情況下,300 mm×120 mm×4.5 mm無(wú)折邊的板件的合格支撐間距為60 mm,而在相同材料組合下,有折邊板件的合格支撐間距為80 mm。如圖7所示,當(dāng)支撐間距大于60 mm時(shí),300 mm×120 mm×3 mm有折邊搭接的形變量的增長(zhǎng)速度要小于總厚度為4.5 mm無(wú)折邊的搭接,綜合可得大板件的折邊可以顯著減小FDS板件的形變量。在實(shí)際的生產(chǎn)中,大多數(shù)情況下兩塊大板件的搭接都是屬于有折邊的情況,故不需要額外設(shè)置夾緊點(diǎn)??偤穸葹?.5 mm的板材組合的最大合格支撐間距可以設(shè)置為80 mm,總厚度為3.0 mm板件的最大合格支撐間距設(shè)置為40 mm。

      表4 300 mm×120 mm板件無(wú)夾緊點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

      圖7 不同厚度的大板件支撐間距與形變量的關(guān)系

      4 形變量對(duì)接頭力學(xué)性能影響

      選取表3中序號(hào)為9、10、11、12的4組搭接進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),探究形變量對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。

      上述4組材料組合上層板牌號(hào)為6k21,下層板牌號(hào)為6061,總厚度為4.5 mm。如表5所示:當(dāng)板件的形變量小于1 mm時(shí),最大剪切力下降速度較為緩慢;當(dāng)形變量為2.78 mm時(shí),其最大剪切力比形變量為0.1 mm的接頭下降了11%。說(shuō)明隨著支撐間距的增大,板件發(fā)生明顯形變的情況下,力學(xué)性能會(huì)顯著減弱。因此,合理控制板件的支撐間距,防止發(fā)生過(guò)大的形變量對(duì)保證FDS接頭質(zhì)量十分重要。

      表5 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

      5 結(jié)論

      本文作者主要研究了不同支撐間距對(duì)熱熔自攻絲板件形變量的影響,通過(guò)3組試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

      (1)100 mm×40 mm的板件在兩端沒(méi)有設(shè)置夾緊點(diǎn)的情況下合格支撐間距較小。在小尺寸板件兩端設(shè)置夾緊可以顯著提高板件的合格支撐間距。在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)于小尺寸的板件且支撐間距大于40 mm的情況,應(yīng)該添加夾緊點(diǎn)。

      (2)大尺寸板件的折邊可以顯著減小板件的形變量。在實(shí)際的生產(chǎn)中,大板的最大合格支撐間距可以設(shè)置為80 mm,且不需要設(shè)置夾緊點(diǎn)。

      (3)板件的形變量過(guò)大會(huì)降低板件的力學(xué)性能,在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該合理設(shè)計(jì)FDS夾具的支撐間距,避免因?yàn)橹螉A具過(guò)大而對(duì)板件造成過(guò)大的形變。

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