自沖鉚接工藝的研究及改進(jìn)措施

1、【doc】自沖鐘接工藝的研究及改進(jìn)措施自沖怫接工藝的研究及改進(jìn)措施第21卷第5期2005年10月天津理工大學(xué)JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOFOLOGYV01.21NO.5Oct.20o5文章編號：1673095X(2005)05006104自沖怫接工藝的研究及改進(jìn)措施李曉靜,李雙義，張連洪，畢大森，張健(1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072;2.天津理工大學(xué)材料工程學(xué)院，天津300191)摘要:采用3種不同尺寸的半空心怫釘，對4種不同材質(zhì)，不同厚度的板料進(jìn)行了自沖怫接試驗(yàn)；提供了怫接過程中的力一行程試驗(yàn)曲線和怫接的單位成形力，并進(jìn)行了分析；展示出怫接試驗(yàn)結(jié) 果;在

2、分析影響怫接質(zhì)量的諸因素的基礎(chǔ)上，對怫釘和凹模的設(shè)計(jì)提出了量化指標(biāo)和改進(jìn)方案.關(guān)鍵詞：連接工藝；自沖怫接；汽車輕量化中圖分類號：TG4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudyoftechnologyofself-piercingrivetingandimprovedapproachLIXiao jing,LIShuang -yi,ZHANGLianhong,BIDasen2,ZHANGJian2（1.SchoolofMechanicalEngineering,TiinUniversity,Tiin300072,China;2.SchoolofMaterialEngineering,TianjinUnivers

3、ityofTechnology,Tiain300191,China）Abstract:Thispaperdescribesself-piercingrivetingtestscarriedoutwithhalf-hollowrivetSofthreespecificationswithfourkindsofplatesofdifferentmaterialsandthicknesses.l aeload strokecurvesandunitrivetingforceinrivetingwereobtainedandanalyzed.Experimentalresultswerepresent

4、ed.Onthebasisofanalysingfactorseffectingonqualityofriveting,quantizedstandardandbeingimprovedschemesregardingthedesignofrivetsanddiewereprospected.Keywords:joiningtechnology;self-piercingrivetedjoints;lightweightofearbody隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，從而使汽車制造商更加重視車身總成的輕量化和連接的高質(zhì)量，并尋求減少車身重量的辦法，其中之一就是使用輕型材料，如鋁

5、，塑料等原料.迄今為止，點(diǎn)焊（電阻焊）是連接鋼板車身結(jié)構(gòu)的主要方法，但是對于黑金屬與有色金屬的連接，有色金屬（如薄鋁板）之間的連接，金屬與非金屬的連接，非金屬之間的連接，點(diǎn)焊就很困難或無能為力了 _1 一.大批量生產(chǎn)的汽車，在車身零件粘接，焊接，怫接 等連接中，為了連接不能進(jìn)行點(diǎn)焊和難于進(jìn)行點(diǎn)焊的 材料，怫接特別是自沖怫接，越來越受到重視和青睞. 但對自沖怫接的研究我國目前尚處于空白.自沖怫接是一個(gè)在板料和怫釘之間形成連接而不需要預(yù)沖孑L的新工藝.使用的半空心或?qū)嵭拟鲠?先作為沖孑L的沖頭，而后與被怫接板料一起進(jìn)行塑性 變形以達(dá)到連接的目的L2.自沖怫接有幾種工藝類 收稿日期:200501 1

6、0.第一作者：李曉靜（1971 ），女,碩士.通訊作者：李雙義（1945 一），男，教授，碩士生導(dǎo)師型E3一，其中，半空心怫釘自沖怫接工藝的怫接過程如 下：首先壓邊圈和凹模用預(yù)緊力將板料夾緊，而后半 空心怫釘被沖頭壓下，怫釘充當(dāng)沖頭作用穿透上層板 料，同時(shí)進(jìn)入下層板料，隨著下層板料流入凹模，怫釘 與下層板料一起擴(kuò)張并產(chǎn)生塑性變形，在兩板料問形 成一個(gè)機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)，從而完成連接.1半空心怫釘自沖怫接試驗(yàn)1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備1）怫釘形狀和尺寸的確定：參考國外自沖怫釘標(biāo)準(zhǔn)_3_3,作為工藝試驗(yàn)，盡量選擇較簡單的怫釘外形.怫釘頭部為平頂?shù)箞A臺，且所有怫釘頭直徑相同，以 便于試驗(yàn)時(shí)定位對中，其形狀，尺寸見圖1

7、.2）凹模設(shè)計(jì)尺寸見圖2,材質(zhì)為Crl2,硬度為624. HRC58 一3）按照尺寸,對怫釘和模具均采用機(jī)加工.?62?天津理工大學(xué)第21卷第5期制作材料:35號鋼硬度HHq5上56圖1怫釘規(guī)格Fig.lRivetspecifications圖2凹模尺寸ng.2Diedlmensiotm4）試驗(yàn)方案的制定：經(jīng)過對怫釘規(guī)格，凹模尺寸 和將要進(jìn)行怫接的材質(zhì)及料厚等參數(shù)的分析，制訂了 試驗(yàn)方案.怫釘?shù)囊?guī)格有M1,M2和M33種，怫接板 料有4種組合，見表1.原則上怫接較厚的板料需要 較大的怫釘尺寸，相應(yīng)的凹模尺寸也較大，而怫接板 料較薄時(shí)正好相反.表l試驗(yàn)方案Tab.1Experimentalsch

8、eme5）試驗(yàn)?zāi)＞撸涸囼?yàn)?zāi)＞叱税寄Ｍ?，還有沖頭和 壓邊圈，其閉合狀態(tài)見圖3.將沖頭固定在上模部分， 凹模固定在下模部分，壓邊圈固定在下模座上，壓邊 圈的作用一方面壓緊板料，避免板料產(chǎn)生翹曲，同時(shí) 還容納怫釘，使其放正.使用標(biāo)準(zhǔn)模座，利用導(dǎo)柱導(dǎo) 套對中.6）試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)采集：試驗(yàn)在WE- 30型萬能 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.采用自行設(shè)計(jì)和制作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)E5,其中包括通用微機(jī)，傳感器，信號調(diào)理器一 A/D 轉(zhuǎn)換卡（測試卡）等硬件和測試系統(tǒng)軟件組成.傳感 器輸出的電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理器放大，濾波后，由 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；經(jīng)計(jì)算機(jī)得到試驗(yàn)中載荷數(shù)據(jù), 并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理.試驗(yàn)機(jī)微機(jī)測試系統(tǒng)的原 理和

9、組成如圖4.圖3模具工作部分g.3Diessetupforexperiments信模號數(shù)調(diào)轉(zhuǎn)理換圖4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.4Dataacquisitingsystemforrivetingload1.2空心怫釘自沖怫接試驗(yàn)1）試驗(yàn)的進(jìn)行：將試驗(yàn)?zāi)＞甙惭b在試驗(yàn)機(jī)上，確 保對中.試驗(yàn)時(shí)，先使板料置于壓料板的下面，然后 施加足夠的壓邊力；選擇相應(yīng)規(guī)格的怫釘，平正放人 壓料板中心孔內(nèi)；而后運(yùn)行壓力機(jī)進(jìn)行成形，操作中 需使滑塊的運(yùn)動(dòng)速度盡量均勻，直到怫釘上端面與上 層怫接板料怫平為止.計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示 為”時(shí)間一一載荷”曲線；事先需人工設(shè)定”載荷比例” 及“采樣比例”.載荷比例表示曲線縱坐標(biāo)的

10、比例，一 般用預(yù)想的最大載荷值進(jìn)行換算而設(shè)定，以保證采集到的曲線不會超出坐標(biāo)范圍.”采樣比例”表示曲線的橫坐標(biāo)比例，同樣為了便于觀測，通過壓力機(jī)的行程速度來設(shè)定合適的采樣比例值.以上兩個(gè)參數(shù)值的設(shè)定將利用試做確定之.顯然,最后所采集到的數(shù)據(jù)為隨著時(shí)間變化的載荷值.根據(jù)不同的采樣比例，每個(gè)試驗(yàn)樣本最后采集的數(shù)據(jù)至少為 250個(gè).2)數(shù)據(jù)的整理及曲線繪制：通過觀察所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)之初由于消除間隙和摩擦等因素所致，有數(shù)據(jù)的波動(dòng)，這些波動(dòng)數(shù)據(jù)可略去不計(jì).將載荷值開始穩(wěn)步提高的第一個(gè)點(diǎn)作為統(tǒng)計(jì)的第一個(gè)點(diǎn) .當(dāng)沖頭行至終點(diǎn)時(shí)，為最大載荷值，此后所采集載荷數(shù)據(jù)也略去不計(jì).由此可得到每個(gè)試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)

11、計(jì)數(shù)據(jù)，稱為“有效點(diǎn)”.每個(gè)試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)有效點(diǎn)個(gè)數(shù)不同.然后在有效點(diǎn)的范圍內(nèi)選取一定個(gè)數(shù)的點(diǎn)進(jìn)行篩選.為便于比較，每一組試驗(yàn)所選取的數(shù)據(jù)20【)5年10月李曉靜,等：自沖怫接工藝的研究及改進(jìn)措施?63?點(diǎn)個(gè)數(shù)相同.將篩選后的數(shù)據(jù)分組編號，并將橫坐標(biāo)的時(shí)間數(shù)據(jù)折合成為行程數(shù)值(III1TI). 利用MATLA歆件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將同組試驗(yàn)的行程一載荷曲線圖列于同一圖上以便于比較.由圖中可以清晰地看到，在相同的凹模規(guī)格,怫釘規(guī)格和板料規(guī)格下，載荷的變化很有規(guī)律.同時(shí)可利用此程序得到每種試驗(yàn)的行程一載荷曲線，下面只選取試驗(yàn)方案的第一組試驗(yàn)曲線，見圖5.圖中的橫坐標(biāo)均為行程(ram),縱坐標(biāo)均為載荷(k

12、N).Z逗罐9釘總行程:7inillf.均為 1I?n 鋁+2I?1l 鋁 l/,/2確.#q圖5第1組試驗(yàn)曲線Fig.5Load strokecurvesofNo.12試驗(yàn)結(jié)果及分析怫接力將測試記錄的數(shù)據(jù)整理見表2.表中，怫接的最大單位壓力P=P/(d3/4),d3為怫釘腿外部直徑,P為怫釘腿部(并非頭部)承受的最大單位怫接力,P為最大怫接力.表2沖裁力和怫接力Tab.2Punchingforceandrivetingforce怫接效果對怫接后試件用線切割沿子午面剖分，其結(jié)果見圖6至圖8.對表1的試驗(yàn)方案逐次觀察其怫接效果，由此看出：1)0.4III1TI 黃銅+1III1TI鋁由于下層板料

13、厚度過薄，而相應(yīng)所采用的怫釘過長，而將兩層板料均穿透， 導(dǎo)致怫接失效.2）1III1TI 鋁+2III1TI 鋁及 21111TI 鋁+2III1TI 鋁認(rèn)真 觀察可發(fā)現(xiàn)，雖然怫接上了，怫接后凹模形腔并沒有 完全被充滿；而且，包容變形后怫釘?shù)南聦影辶系暮?度太薄，甚至有的接近被穿透的狀態(tài).3）仔細(xì)觀察圖6可發(fā)現(xiàn)，在怫釘頭部和腿部過渡區(qū)，外層金屬與怫釘之間存在間隙.圖 6lInln 鋁+2Inln 鋁Fig.61InlnAL+2InlnAL圖 70.4Inln 黃銅+2Inln 鋁Fig.70.4InlnCu+2InlnAL圖 82Inln 鋁+2Inln 鋁Fig.82InlnAL+2Inln

14、AL試驗(yàn)結(jié)果的分析關(guān)于變形力由試驗(yàn)曲線可明顯看出怫接過程有兩個(gè)階段：？怫釘穿透上層板料以沖裁為主的階段;?怫釘進(jìn)入下 層板料并隨下層板料一起擴(kuò)張的擴(kuò)張階段.沖裁階段 所需要的力不大，擴(kuò)張階段所需成形力顯著上升.對怫接后形狀的分析1）怫釘?shù)拈L度與板料厚度應(yīng)有良好的匹配.過長時(shí)容易全部穿透，過短時(shí),怫釘和下面板料變形量 不足同樣使怫接失效.2）怫釘?shù)念^部尺寸過大.致使頭部進(jìn)入被怫接 板料過多，使怫釘?shù)脑?部下移，有可能穿透下層板料, 至少會使下層板料包容變形后怫釘?shù)暮穸忍?，影?怫接的連接強(qiáng)度.3）怫釘?shù)耐炔砍叽缙?完好的怫接后的怫釘 形狀應(yīng)類似于“倒置高腳杯”，即變形后怫釘?shù)闹饾u擴(kuò) 張的側(cè)壁

15、應(yīng)長一些，而后在最下部分開為八字狀，而 該結(jié)果類似于“倒置高腳碟”形狀.4）影響怫接質(zhì)量的主要因素是：怫釘尺寸,材質(zhì) （機(jī)械性能），凹模的尺寸,形狀，被怫接板料的材質(zhì) （性能），料厚及其組合等.要得到良好的怫接質(zhì)量,?64?天津理工大學(xué)第21卷第5期 上述各參數(shù)之間應(yīng)有良好的匹配關(guān)系.5）怫釘硬度也是一個(gè)重要的特征.怫釘必須有足夠的硬度來穿透上層板料，同時(shí)也要有足夠的塑性 與底層板料一起向外擴(kuò)張.若硬度太低，怫釘在沖裁 過程中可能被“壓塌”而無法進(jìn)行后續(xù)的擴(kuò)張；若硬度 太高，將延遲”擴(kuò)張階段”，使底層板料包圍怫釘?shù)牧?厚太小甚至穿透底層板料，或者怫釘尾部在擴(kuò)張時(shí)破 裂（為此，我們曾做過多次不同

16、溫度的回火試驗(yàn)），或 者擴(kuò)張程度不夠而影響怫接的連接質(zhì)量.被充滿.設(shè)計(jì)凹模時(shí)，凹模尺寸應(yīng)使型腔體積與怫釘 的體積相同或略大，怫接終止時(shí)使凹模處于“做滿”狀 態(tài)，以避免某些角部出現(xiàn)間隙（欠充滿）問題，以確保 怫接質(zhì)量.3.3怫接板料的放置位置怫接兩層不同板料時(shí)，應(yīng)將塑性好的材料放在下 層；怫接三層以上板料時(shí)，應(yīng)將塑性好的放在中間；怫 接相同材料而厚度不同的板料時(shí)，應(yīng)將較厚的板料放 在下層，較薄的板料放在上層.3改進(jìn)措施4結(jié)論怫釘?shù)男螤钺槍υ囼?yàn)結(jié)果及其分析，對怫釘?shù)男螤顟?yīng)加以改 進(jìn),減少頭部直徑及厚度.頭部直徑一般比桿直徑大 2,3nm，而頭部的厚度應(yīng)在0.5,1n】n1,以怫住上層 板料為宜.怫

17、釘腿部長度很重要，它與被怫板料厚度 有直接關(guān)系，其長度隨著被怫接板料厚度的增加而增 加.根據(jù)對現(xiàn)有的國外怫接圖片分析，怫釘總長度應(yīng) 比被怫接板料的總厚度大22.5mxn為宜.腿部直 徑與被怫接板料的總厚度有關(guān)，怫釘腿部直徑應(yīng)比被 怫接板料的總厚度大1,2nm.在實(shí)際生產(chǎn)中怫釘表面要有涂層或鍍層，以達(dá)到 抗腐蝕要求和外觀要求.如果怫接板料總厚度為4.5 一,本文建議使用 圖9所示的怫釘尺寸.圖9改進(jìn)后的怫釘尺寸Hg.9Improvedrivetdimensions凹模的尺寸對于凹模的尺寸，已有一些國外文獻(xiàn)的報(bào)道，本 文的圖3就是參考國外文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的.值得提出的是， 凹模中間的凸臺尺寸更為重要些，凹

18、模的口徑應(yīng)是在 怫釘腿部直徑的基礎(chǔ)上，增加下層板料兩倍的厚度 值.凹模的深度將決定怫接后下面突出高度,應(yīng)使怫 接后的突出高度為1,1.5倍的下層板料的厚度值. 若想使怫接后板料均勻地包緊怫釘,凹模型腔應(yīng) 1）通過初步試驗(yàn)證明，半空心自沖怫接工藝是切 實(shí)可行的.2）由試驗(yàn)得出了半空心怫釘自沖怫接工藝所需要 的最大單位怫接力，為自沖怫接機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù) 3）半空心怫釘自沖怫接工藝,屬于多種復(fù)合材料 的塑性變形，從工藝原理上并不復(fù)雜，類似“釘書機(jī)” 的原理；而尋求各種變形材料（包括怫釘和被怫接的 多層板料）的性能匹配，形狀匹配，尺寸匹配等，尚需 要做大量的試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬工作，本文的工作僅是個(gè)初步探索.4）提出了怫釘，凹模尺寸設(shè)計(jì)的原則，量化指標(biāo) 和改進(jìn)方案.5）自沖怫接工藝可用于不同材料之間的怫接，是 除點(diǎn)焊工藝之外的行之有效的連接方法，在汽車車身 輕量化發(fā)展中有良好的應(yīng)