自沖鉚接工藝的研究及改進措施

1、【doc】自沖鐘接工藝的研究及改進措施自沖怫接工藝的研究及改進措施第21卷第5期2005年10月天津理工大學JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOFOLOGYV01.21NO.5Oct.20o5文章編號：1673095X(2005)05006104自沖怫接工藝的研究及改進措施李曉靜,李雙義，張連洪，畢大森，張健(1.天津大學機械工程學院，天津300072;2.天津理工大學材料工程學院，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，不同厚度的板料進行了自沖怫接試驗；提供了怫接過程中的力一行程試驗曲線和怫接的單位成形力，并進行了分析；展示出怫接試驗結 果;在

2、分析影響怫接質量的諸因素的基礎上，對怫釘和凹模的設計提出了量化指標和改進方案.關鍵詞：連接工藝；自沖怫接；汽車輕量化中圖分類號：TG4文獻標識碼: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，對汽車經濟性要求越來越高，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，點焊（電阻焊）是連接鋼板車身結構的主要方法，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，點焊就很困難或無能為力了 _1 一.大批量生產的汽車，在車身零件粘接，焊接，怫接 等連接中，為了連接不能進行點焊和難于進行點焊的 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.自沖怫接是一個在板料和怫釘之間形成連接而不需要預沖孑L的新工藝.使用的半空心或實心怫釘 先作為沖孑L的沖頭，而后與被怫接板料一起進行塑性 變形以達到連接的目的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緊力將板料夾緊，而后半 空心怫釘被沖頭壓下，怫釘充當沖頭作用穿透上層板 料，同時進入下層板料，隨著下層板料流入凹模，怫釘 與下層板料一起擴張并產生塑性變形，在兩板料問形 成一個機械互鎖機構，從而完成連接.1半空心怫釘自沖怫接試驗1.1試驗準備1）怫釘形狀和尺寸的確定：參考國外自沖怫釘標準_3_3,作為工藝試驗，盡量選擇較簡單的怫釘外形.怫釘頭部為平頂倒圓臺，且所有怫釘頭直徑相同，以 便于試驗時定位對中，其形狀，尺寸見圖1

7、.2）凹模設計尺寸見圖2,材質為Crl2,硬度為624. HRC58 一3）按照尺寸,對怫釘和模具均采用機加工.?62?天津理工大學第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）試驗方案的制定：經過對怫釘規(guī)格，凹模尺寸 和將要進行怫接的材質及料厚等參數的分析，制訂了 試驗方案.怫釘的規(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，相應的凹模尺寸也較大，而怫接板 料較薄時正好相反.表l試驗方案Tab.1Experimentalsch

8、eme5）試驗模具：試驗模具除了凹模外，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，避免板料產生翹曲，同時 還容納怫釘，使其放正.使用標準模座，利用導柱導 套對中.6）試驗裝置及數據采集：試驗在WE- 30型萬能 試驗機上進行.采用自行設計和制作的數據采集系統(tǒng)E5,其中包括通用微機，傳感器，信號調理器一 A/D 轉換卡（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，經信號調理器放大，濾波后，由 A/D轉換為數字量；經計算機得到試驗中載荷數據, 并對試驗數據自動處理.試驗機微機測試系統(tǒng)的原 理和

9、組成如圖4.圖3模具工作部分g.3Diessetupforexperiments信模號數調轉理換圖4數據采集系統(tǒng)框圖Fig.4Dataacquisitingsystemforrivetingload1.2空心怫釘自沖怫接試驗1）試驗的進行：將試驗模具安裝在試驗機上，確 保對中.試驗時，先使板料置于壓料板的下面，然后 施加足夠的壓邊力；選擇相應規(guī)格的怫釘，平正放人 壓料板中心孔內；而后運行壓力機進行成形，操作中 需使滑塊的運動速度盡量均勻，直到怫釘上端面與上 層怫接板料怫平為止.計算機將數據采集結果顯示 為”時間一一載荷”曲線；事先需人工設定”載荷比例” 及“采樣比例”.載荷比例表示曲線縱坐標的

10、比例，一 般用預想的最大載荷值進行換算而設定，以保證采集到的曲線不會超出坐標范圍.”采樣比例”表示曲線的橫坐標比例，同樣為了便于觀測，通過壓力機的行程速度來設定合適的采樣比例值.以上兩個參數值的設定將利用試做確定之.顯然,最后所采集到的數據為隨著時間變化的載荷值.根據不同的采樣比例，每個試驗樣本最后采集的數據至少為 250個.2)數據的整理及曲線繪制：通過觀察所采集的試驗數據，試驗之初由于消除間隙和摩擦等因素所致，有數據的波動，這些波動數據可略去不計.將載荷值開始穩(wěn)步提高的第一個點作為統(tǒng)計的第一個點 .當沖頭行至終點時，為最大載荷值，此后所采集載荷數據也略去不計.由此可得到每個試驗樣本數據的統(tǒng)

11、計數據，稱為“有效點”.每個試驗樣本數據有效點個數不同.然后在有效點的范圍內選取一定個數的點進行篩選.為便于比較，每一組試驗所選取的數據20【)5年10月李曉靜,等：自沖怫接工藝的研究及改進措施?63?點個數相同.將篩選后的數據分組編號，并將橫坐標的時間數據折合成為行程數值(III1TI). 利用MATLA歆件進行數據處理，將同組試驗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.同時可利用此程序得到每種試驗的行程一載荷曲線，下面只選取試驗方案的第一組試驗曲線，見圖5.圖中的橫坐標均為行程(ram),縱坐標均為載荷(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組試驗曲線Fig.5Load strokecurvesofNo.12試驗結果及分析怫接力將測試記錄的數據整理見表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，其結果見圖6至圖8.對表1的試驗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，而相應所采用的怫釘過長，而將兩層板料均穿透， 導致怫接失效.2）1III1TI 鋁+2III1TI 鋁及 21111TI 鋁+2III1TI 鋁認真 觀察可發(fā)現，雖然怫接上了，怫接后凹模形腔并沒有 完全被充滿；而且，包容變形后怫釘的下層板料的厚 度太薄，甚至有的接近被穿透的狀態(tài).3）仔細觀察圖6可發(fā)現，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試驗結果的分析關于變形力由試驗曲線可明顯看出怫接過程有兩個階段：？怫釘穿透上層板料以沖裁為主的階段;?怫釘進入下 層板料并隨下層板料一起擴張的擴張階段.沖裁階段 所需要的力不大，擴張階段所需成形力顯著上升.對怫接后形狀的分析1）怫釘的長度與板料厚度應有良好的匹配.過長時容易全部穿透，過短時,怫釘和下面板料變形量 不足同樣使怫接失效.2）怫釘的頭部尺寸過大.致使頭部進入被怫接 板料過多，使怫釘的月1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的厚度太薄，影響 怫接的連接強度.3）怫釘的腿部尺寸偏小.完好的怫接后的怫釘 形狀應類似于“倒置高腳杯”，即變形后怫釘的逐漸擴 張的側壁

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

16、溫度的回火試驗），或 者擴張程度不夠而影響怫接的連接質量.被充滿.設計凹模時，凹模尺寸應使型腔體積與怫釘 的體積相同或略大，怫接終止時使凹模處于“做滿”狀 態(tài)，以避免某些角部出現間隙（欠充滿）問題，以確保 怫接質量.3.3怫接板料的放置位置怫接兩層不同板料時，應將塑性好的材料放在下 層；怫接三層以上板料時，應將塑性好的放在中間；怫 接相同材料而厚度不同的板料時，應將較厚的板料放 在下層，較薄的板料放在上層.3改進措施4結論怫釘的形狀針對試驗結果及其分析，對怫釘的形狀應加以改 進,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 有直接關系，其長度隨著被怫接板料厚度的增加而增 加.根據對現有的國外怫接圖片分析，怫釘總長度應 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，怫釘腿部直徑應比被 怫接板料的總厚度大1,2nm.在實際生產中怫釘表面要有涂層或鍍層，以達到 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，已有一些國外文獻的報道，本 文的圖3就是參考國外文獻設計的.值得提出的是， 凹模中間的凸臺尺寸更為重要些，凹

18、模的口徑應是在 怫釘腿部直徑的基礎上，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 1）通過初步試驗證明，半空心自沖怫接工藝是切 實可行的.2）由試驗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，為自沖怫接機的設計提供了依據 3）半空心怫釘自沖怫接工藝,屬于多種復合材料 的塑性變形，從工藝原理上并不復雜，類似“釘書機” 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 要做大量的試驗和計算機模擬工作，本文的工作僅是個初步探索.4）提出了怫釘，凹模尺寸設計的原則，量化指標 和改進方案.5）自沖怫接工藝可用于不同材料之間的怫接，是 除點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