半空心自沖鉚接工藝在車(chē)身輕量化中的應(yīng)用

摘要 : 介紹了自沖鉚接技術(shù)的概念、類(lèi)型、工藝原理以及在汽車(chē)車(chē)身制造中的應(yīng)用 , 對(duì)自沖鉚接和點(diǎn)焊的工藝連接做了比較 , 指出了自沖鉚接技術(shù)的應(yīng)用前景。

隨著汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益劇烈 , 各汽車(chē)制造廠家不斷向市場(chǎng)推出新款車(chē)型 , 新車(chē)型除了突出安全性
好、性?xún)r(jià)比高、款式新穎等特點(diǎn)之外 , 主要的競(jìng)爭(zhēng)矛頭指向汽車(chē)的行駛經(jīng)濟(jì)性 . 在過(guò)去的 20 a 中 , 汽車(chē)制造商一直在尋找解決問(wèn)題的方法 , 試驗(yàn)證明 , 采用新型輕金屬材料實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化 , 對(duì)改善汽車(chē)行駛經(jīng)濟(jì)性
是行之有效的 . 同時(shí) , 降低整車(chē)質(zhì)量可使汽車(chē)的多種性能得到改善和提高 . 研究表明 , 當(dāng)整車(chē)質(zhì)量降低
10 % 時(shí) , 燃油經(jīng)濟(jì)性提高 3. 8 % , 加速時(shí)間降低 8 % ,CO 排放減少 4. 5 % , 剎車(chē)距離減少 5 % , 輪胎壽命提高7 % , 轉(zhuǎn)向力減少 6 % [1] . 由此可以看出 , 汽車(chē)輕量化的重要性 . 汽車(chē)輕量化的重要潛力是在車(chē)身的制造中大量使用輕金屬和非金屬材料 , 例如鋁合金、強(qiáng)化塑料等等 . 顯然這些材料的連接采用目前的點(diǎn)焊技術(shù)不行 , 隨之提出采用鉚接技術(shù)對(duì)車(chē)身的內(nèi)外覆蓋件連接 . 而傳統(tǒng)的鉚接工藝都需要對(duì)鉚接材料進(jìn)行預(yù)沖孔 ,然后再用鉚釘進(jìn)行連接 , 這種鉚接工藝復(fù)雜、外觀質(zhì)量差、效率低且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 . 自沖鉚接
（Self2piercing riveting）工藝克服了傳統(tǒng)鉚接的弊端 , 實(shí)現(xiàn)了沖鉚一次完成 , 為汽車(chē)車(chē)身的連接開(kāi)辟了新途徑 。

國(guó)外許多汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了此工藝 , 例如美洲虎汽車(chē)公司已經(jīng)在 X350 系列、 XJ 型豪華轎車(chē)的鋁制車(chē)身上應(yīng)用自沖鉚接技術(shù) , 每輛車(chē)至少應(yīng)用 3 000 個(gè)鉚釘 ,U K 系列也將陸續(xù)應(yīng)用 , 奧迪汽車(chē)公司在私家轎車(chē)的鋁質(zhì)車(chē)身上至少應(yīng)用 1 400 個(gè)鉚釘 . 沃爾沃汽車(chē)公司不但有自己的自沖鉚接車(chē)輛生產(chǎn)線(xiàn) , 還建成了自沖鉚接設(shè)備和鉚釘生產(chǎn)線(xiàn) , 并首先在 Volvo FH12 系列重型貨車(chē)駕駛室應(yīng)用自沖鉚接技術(shù) , 重量比以前減少了 30 % , 每 a 節(jié)省 244 ,000 美元生產(chǎn)成本 [2] 。

1 　自沖鉚接工藝的類(lèi)型

1. 1 　實(shí)心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝 [3]

腰鼓形實(shí)心鉚釘自沖鉚接工藝 , 如圖 1 所示 , 沖頭推動(dòng)實(shí)心鉚釘一起向下運(yùn)動(dòng) , 鉚釘下部的刃口將鉚
接材料沖掉 , 置于凹模內(nèi)落下 , 鉚釘?shù)竭_(dá)凹模后停止運(yùn)動(dòng) ; 隨著沖頭的繼續(xù)下行 , 沖頭下端面的凸臺(tái)對(duì)鉚接
材料加壓 , 迫使其發(fā)生塑性變形而向內(nèi)做徑向流動(dòng) , 使其緊緊包住腰鼓形鉚釘 , 從而形成穩(wěn)定的鎖止?fàn)顟B(tài) .
這種鉚接工藝只用于塑性金屬間的連接 。

另 1 種實(shí)心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝如圖 2 所示 , 其鉚釘形狀并非腰鼓形 , 但鉚釘上有一環(huán)形凹槽 . 當(dāng)沖
頭下行至下死點(diǎn)后擠壓鉚接材料 , 下層的被鉚材料受壓產(chǎn)生塑性流動(dòng)充滿(mǎn)凹槽 , 而鉚釘?shù)纳隙嗣鎰t產(chǎn)生
“鐓頭” , 而將兩層材料鉚接在一起 . 這種鉚接工藝適用于相同金屬材料間的連接、不同金屬材料間的連接以及非金屬間的連接。

1. 2 　半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝
半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝如圖 3 所示 , 壓邊圈首先向下運(yùn)動(dòng)對(duì)鉚接材料進(jìn)行預(yù)壓緊 , 防止材料在鉚
釘?shù)淖饔昧ο孪虬寄?nèi)流動(dòng) , 而后沖頭向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)鉚釘向下刺穿上層材料 . 在凹模與沖頭的共同作用下 ,
鉚釘尾部在下層金屬中張開(kāi) , 形成喇叭口形狀以便鎖止鉚接材料 , 達(dá)到連接目的 . 半空心鉚接工藝鉚接兩層
相同金屬材料時(shí) , 較厚的放在下層 ; 鉚接兩層不同金屬材料時(shí) , 將塑性好的材料放在下層 ; 鉚接金屬與非金屬材料時(shí) , 將金屬材料放在下層 . 在汽車(chē)車(chē)身制造中 , 考慮到具體的生產(chǎn)環(huán)境、自沖鉚接工藝的特點(diǎn)、連接強(qiáng)度以及所應(yīng)用材料的物理性質(zhì)等 , 實(shí)心鉚釘?shù)你T接工藝有很多自身的局限性 , 所以在汽車(chē)輕量化生產(chǎn)中主要應(yīng)用半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。

2 　半空心自沖鉚接件與點(diǎn)焊件連接質(zhì)量比較

2. 1 　半空心自沖鉚接件與點(diǎn)焊件抗靜拉力比較

通過(guò)對(duì)相同材料的焊接件和鉚接件進(jìn)行靜拉力試驗(yàn) , 比較焊接件與半空心自沖鉚接件的抗靜拉力的情況 . 靜拉力試驗(yàn)通常是將連接件的兩端分別裝卡在材料試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)卡頭上進(jìn)行拉伸 , 測(cè)出連接點(diǎn)破壞時(shí)的拉力峰值 , 作為其抗靜拉指標(biāo) [4 2 5] . 針對(duì)汽車(chē)車(chē)身制造的實(shí)際情況 , 制作兩種連接形式的試驗(yàn)樣本 A
和 B , 尺寸和形狀如圖 4 ,5 所示 , 其中圖 5 中 L 為試驗(yàn)時(shí)的夾緊長(zhǎng)度 , 可以按照試驗(yàn)要求選取 . 連接件的材料匹配如表 1 所示 [6 2 7] 。

       對(duì) A ,B 兩種連接形式的試件 , 按照材料分別制成焊接件和鉚接件 . 對(duì)所有的焊接試件和半空心自沖
鉚接試件進(jìn)行靜拉力試驗(yàn) , 記錄試件的最大抗靜拉力值 . 對(duì)于焊接試件 , 最大抗靜拉力值為試件斷裂或脫
落時(shí)的最大拉力值 ; 對(duì)于半空心自沖鉚接試件 , 最大抗靜拉力值為鉚釘脫落時(shí)的最大拉力值 . 將 A 形式的
焊接件與鉚接件的最大拉力值按照序號(hào)制成直方圖進(jìn)行對(duì)比 , 如圖 6 ; 同理 , 將 B 形式的焊接件與鉚接件
的最大拉力值也按照序號(hào)制成直方圖進(jìn)行對(duì)比 , 如圖 7 所示。

通過(guò)對(duì)圖 6 和圖 7 的分析可以得出以下結(jié)論 :

（1）鋼板與鋼板間 : 焊接件的抗靜拉力能力好于鉚接件 , 特別是厚鋼板之間的連接 .

（2）鋁板與鋁板間 : 薄鋁板鉚接件的抗靜拉力能力好于焊接件 , 厚鋁板鉚接件的抗靜拉力能力不如焊接件好 。

（3）A 形式試件的抗靜拉力能力好于 B 形式的試件

2. 2 　半空心自沖鉚接工藝與點(diǎn)焊工藝其他性能比較

試驗(yàn)證明了對(duì)于鋁板的連接 , 半空心自沖鉚接件無(wú)論是抗靜拉力還是抗疲勞性方面都好于傳統(tǒng)的焊
接件 . 除了以上良好的連接性能外 , 半空心自沖鉚接工藝還有其他優(yōu)點(diǎn) , 如表 2 所示 . 因此 , 可以充分肯定
半空心自沖鉚接工藝將在汽車(chē)車(chē)身輕量化生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

3 　結(jié) 　　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自沖鉚接工藝的全面介紹及與現(xiàn)在汽車(chē)制造行業(yè)慣用的電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行的全面比較可知 ,
自沖鉚接可以進(jìn)行輕型金屬與非金屬 ( 如鋁和塑料 ) 、黑金屬與有色金屬、有色金屬 ( 如薄鋁板 ) 之間的連接 , 總之 , 凡是難于進(jìn)行焊接的材料都可采用自沖鉚接工藝連接 , 且自沖鉚接連接點(diǎn)的疲勞極限高于點(diǎn)焊
的疲勞極限 , 能夠適應(yīng)汽車(chē)車(chē)身承受變頻振動(dòng)的狀態(tài) . 在車(chē)身生產(chǎn)中 , “自沖”的特點(diǎn)為快速生產(chǎn)和流水線(xiàn)
制造創(chuàng)造了條件 . 該工藝可用于汽車(chē)底盤(pán)件、汽車(chē)覆蓋件、車(chē)座椅、內(nèi)飾件之間的連接 , 特別是對(duì)于貨車(chē)車(chē)廂板間的連接有重要的意義 . 隨著汽車(chē)制造業(yè)的不斷發(fā)展 , 各種新型材料的廣泛應(yīng)用 , 自沖鉚接工藝在實(shí)
現(xiàn)汽車(chē)輕量化中將呈現(xiàn)異軍突起的勢(shì)態(tài)。