《汽车异种材料铆接技术》
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摘 要：无铆钉铆接技术是汽车异种材料连接的重要技术,论文主要对无铆钉铆接新型冲压变形连接工艺成形机理进行分析,然后对接头的分类、质量评价指标进行了详细的介绍;最后对接头质量的工艺参数进行总结,为异种材料铆接技术应用提供有意义的参考.
关键词：无铆钉铆接;异质材料;成形过程;工艺参数
中图分类号：TG938 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0061-02
0引言
随时现代社会的快速发展,汽车的保有量增加,节省资源,解决交通阻塞,防止污染是汽车行业发展的趋势.汽车正向轻量级,洁能,高工艺方向转化.在整车的轻量化改进过程中,应用最广的是采用高强钢、铝合金等轻质合金或异种材料混用,既能增强安全性,增大汽车空间及车身强度,又能达到轻量化改善的目的,提高燃油使用经济性.但存在的问题是,当多种异种材料混用时,由于不同的熔点、物理强度、化学性质,使一般的连接技术受限,需要一种可塑性较强,且对材质的物理和化学性质没有特定要求的连接方法.
无铆钉铆接技术作为一种“绿色”连接工艺应用于汽车,不增加额外器材、冲孔或热处理,利用板件的弹塑性变形特性,仅通过凸凹槽对板件加压,使局部位置变形而达到自锁作用,使板材发生弹塑性变形,而达到可靠连接的技术[1].如汽车身表面覆盖件的连接：引擎盖板,行李箱盖,前后左右车门,翼子板等;以及车身部分零部件的连接：天窗,雨刮器,座椅挡板,车窗摇杆机构等使用无铆钉铆接技术.
1无铆钉铆接技术的成形机理
无铆钉铆接技术是一种没有热输入的机械冷加工方式,不需要预留孔和附加零件且能耗低,主要利用冲压模具,对两层或三层金属薄板进行冲压连接,在接头成形中,涉及到多重材料的非线性特性,其主要的影响因素是金属材料的塑性.无铆钉铆接的成形过程可分为五部分[2]：
（1）连接件定位阶段：在进行铆接之前,固定连接物件的位置,保证凸、凹模的中心线与铆接点的中心在一条线上,防止板件翘曲、折叠.
（2）塑性变形阶段：上层与下层板料在压力的作用下塑性变形,变形后的材料向凹模内流动,使金属材料发生塑性拉伸,金属晶格产生错位,形成金属硬化现象.
（3）铆接成形阶段：塑性变形之后,上下板件的金属材料在压力作用下向凹模继续流动,在凹模和凸模的共同作用下,上下板料逐渐形成铆接“S”形自锁结构.
（4）墩锻定型阶段：由于材料塑性变形在短时间内形成,为了防止回弹,则凸模需要定型停留一段时间,确保压力恒定,使材料墩锻定型.
（5）撤模阶段：保压定型结束后,需要取出铆接件,将凸模移除,此时完成整个连接过程.
2无铆钉铆接的分类
根据接头形状的不同,将无铆钉铆接分为两种类型：圆形接头式和方形接头式.圆形接头式又可分为直壁整体式、凸凹模分离式和平板式.直壁整体式是凹模为整体,其内壁与底面可垂直,或有较小坡度,这种结构方便脱模,同时利于板件防止其由于大变形而断裂.凹模分离式是凹模由几部分组成内,内壁凹模的开口处的半径比凹模底部的半径更大,形成的斜度与拔模斜度相反,造成板件的接头内嵌更加稳固,但使模具制作成本增加;平板式是凹模的下模为一平板,成本低但承受强度小.方形接头式是接头形状为方形,在拉伸或剪切时,比圆形接头承受力强.但成型时,由于受力不均匀,易便板件受破坏,对于模具的精度要求高,因此应用上没有圆形接头方式广泛.
3铆接接头的评价指标
质量评价对铆接可靠性、应用性具有决定意义.在过大载荷下,铆接接头存在三种失效形式：拉伸失效（拉断和拉脱）、剪切失效和疲劳失效[3].所以对其质量的评价分为直观评价和间接评价.可通过对接头整体外观、尺寸、强度、金相组织结构等进行判定.从评价性能分类上主要通过视觉目测评价法、特征尺寸测量法、静、动态实验法、疲劳力学法、微观结构评价法及其它方法.
3.1视觉目测评价法
良好的铆接接头,其外观和尺寸满足如下初步条件：
第一,铆接接头外形与凹模相似,接头截面称轴对称形,而且向下带有圆环突起,易于上下板材发生互相嵌合而形成自锁.
第二,无铆钉铆接接头的上下板料均不能有裂紋,否则会影响抗剪切能力和抗拉能力.
第三,上下层板料应保持完整,无冲孔现象.
不合格的铆接类型较多,有侧倾型、穿透型、崩裂型等形式.
3.2特征尺寸测量法
主要通过测量几何参数,如厚度、高度、嵌入量等来判断性能.观察截面的形状、测量底部、颈部厚度值,接头的特征尺寸.如底厚值、颈厚值和嵌入量,这三者同时决定正拉强度和剪切强度.而且颈厚值决定接头的剪切强度,嵌入量决定接头的剥离强度.一定范围内,颈厚值增大时会增加静态剪切强度,相应的嵌入量会相应减小,进而降低剥离强度.
3.3静态实验判定法
通过静态拉伸试验测量最大失效载荷,失效能量,失效形式,抗剪强度等性能指标.各企业进行拉伸试验和剪切试验确定接头的抗拉和抗剪性能,这决定着车辆的安全性能,只有抗拉和抗剪强度都达到相关的标准时,才可达标,方可在汽车上使用.异种材料无铆铆接技术时,可增大板材连接强度,将强度高的作为下层板材,增大铆接的静强度和刚度.
3.4动态实验判定法
通过对无铆铆接动态力学性能测试,研究在搭建异质材料T形连接、十字形或U形连接时的力学特性,对比静态实验性能参数,研究强度等参数变化趋势、冲击速度、失效位移等.
3.5疲劳力学实验法
通过测试在疲劳状态下的力学特性,如静态拉伸,疲劳振动,疲劳失效形式等评估性能工艺参数,对板材厚度、强度、无铆铆钉直径研究在不同疲劳负荷下的失效周期、最优特性等.
3.6微观结构评价法
通过接头切面在显微镜下的形态,大小,分布等金相组织结构判断铆接接头的质量,观察金相组织结构可查找接头质量问题和原因.
3.7其它评定方法
其它评定方法,例如基于力-位移曲线的在线评定方法,通过在线监测力与位移曲线的特征值、特征公差,分析部分参数,如板件间隙、铆接力、或凹模尺寸参数等,实时判定并输出不合格接口类型.
4影响接头质量的工艺参数
从工艺参数上,影响无铆钉铆接质量参数可分为三类：模具参数,板件材料和铆控制[4].
模具参数是决定铆接接头质量好坏的决定性因素.模具参数主要有点径D（凹模直径）,凹模深度H,凹模圆角半径尺R,凸模直径d和凸模圆角半径r.在点径D确定的情况下,改变凸模直径d,凸凹模的间隙X也会随之改变,即
X等于D-d （1）
当凸凹模之间的间隙X过小,会导致接头颈部厚度太小或冲断,而间隙值X过大,也会使接头嵌入量过小,导致铆接失败,因此需合理选择凸模直径以得到最好接头质量.
对于冲压行程S,由上板厚度dl,下板厚度d2,凹模深度H和接头底厚C决定,见公式2.
S等于dl+d2+H-C（2）
凹模深度H对接头质量的影响也很大,H过大,容易造成颈厚值较小或冲断,H过小则易使上、下板的材料流动,从而嵌合失败.凹模和凸模圆角半径也会影响铆接过程中材料的流动,进而影响接头的质量.
上下板材的力学性能、材料塑性越好的材料形成的铆接接头质量越好,但塑性增大时,接头强度就会有所下降.其他条件不变时,点径越大则接头的抗拉抗剪强度也越大,但实际应用中点径还受其他条件制约,如板厚、外观工艺以及经济成本等.
5总结
无铆钉铆接在異种材料连接上具有独特优势,避免因熔点、密度等物理、化学性质不同,而产生的连接性能局限.而且操作用效率高,故障率低,便于大规模生产.但也存在一定的局限性,如对材料的塑性要求要高,材料不宜过厚,连接强度不如焊接接头强度高,所以有时需要增加铆接点的个数以提高强度.
参考文献
[1] 高玉娇.汽车车身异质材料无铆钉连接工艺及接头性能研究[D].重庆：重庆交通大学,2019.
[2] 周璐瑶.基于耐撞性无铆钉铆接接头建模方法研究[D].吉林：吉林大学,2014.
[3] 沈永飞,何冠中,楼铭,等.铝合金与静音钢异种材料匹配无铆钉铆接成形特性[J].机械设计与研究,2018,34（1）：103-106.
[4] 张文城.冲压连接的成形过程及其结合强度的分析[D].重庆：重庆大学,2012.
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汽车产业引用文献:
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