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发表于 2020-6-9 15:11:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】自冲铆接接头剖面位置对测量互锁值的影响研究
摘要:通过建立数学模型和实验验证相结合对自冲铆接(SPR)接头剖面位置对测量互锁值的影响进行了研究。结果表明,当剖面为SPR接头的中心面时,测量得到的互锁值最小,当剖面位置离中心面距离变大,测量得到的互锁值也随之变大。同时通过建立SPR接头剖面位置与互锁值关系的数学模型,用于计算不同剖面位置时对应的中心面的互锁值,从而判定SPR接头剖面测量互锁值是否满足质量标准。
关键词:自冲铆接 剖面位置 互锁值
1 前言

自冲铆接(SPR)是目前汽车车身钢/铝和铝/铝等金属材料连接的主要方法[1-5],如SPR在凯迪拉克CT6、奥迪A8、捷豹XJ、ES8、Aion等车型上有着大量的应用,而车身质量和安全与SPR接头质量密切相关[6,7]。一些相关研究采用无损检测手段(如超声波、在线无损检测)对接头质量进行评价,取得了部分进展但准确度不高且质量指标量化较为困难[1,8]。所以目前剖面金相评价依然是评价SPR接头质量的最准确的重要方法[9-12],金相评价主要包含3个部分。

a.头高,即铆钉头部与板材上表面高度差;

b.剩余材料厚度,即铆钉或上层板材距离底板下表面的最小距离,该值若过小则有刺穿风险从而影响接头腐蚀性能;

c.互锁值,即铆钉角与被刺穿板形成互锁后与上、下层板交点的水平距离。

其中互锁值最为重要,与接头力学性能密切相关[13],而接头在切割剖面过程中很难保证测量面是直径所在的中心面,因此存在一定程度的偏离,这种偏离会影响测量互锁值的大小以及SPR接头质量是否合格的判断,而偏离大小与测量互锁值之间的关系,目前无人研究。一般要求SPR的中心面左/右互锁值(LL,LR)均大于 0.15 mm[14],但 SPR接头在切割剖面过程中很难保证是中心面位置,偏离中心面的距离与剖面左/右互锁值(LL,LR)测量结果的关系模型以及如何通过偏离中心面的剖面互锁值进行计算从而转换得到中心面的互锁值,这些问题目前都亟待解决以保障SPR接头剖面测量互锁值判定的准确性。本文将建立数学模型揭示SPR接头剖面位置偏离中心面程度与测量互锁值的关系,并通过实验进行验证。

2 实验方法

采用Turker铆枪设备(图1a)及M260028铆模和C5.3×5H2铆钉,对1.0 mm厚度的HC340/590DP高强钢和1.2 mm厚度的5052H32铝合金进行SPR铆接试验,并对铆接接头中心面划线,在距离中心面约2 mm位置用切割机(图1b)进行切割得到接头剖面,然后用金相剖磨机(图1c)抛磨得到距离中心面不同距离的剖面,通过体视显微镜(图1d)测量得到上述不同剖面互锁值;建立数学模型得到互锁值随中心剖面位置变化的方程,并对比实测值与计算值。

图1 自冲铆接实验及表征设备

3 数学模型的建立

假设铆钉穿刺过程不存在倾斜,左右互锁对称。图2所示为SPR接头的中心位置剖面图,在图中建立三维坐标系,中心剖面为yoz平面,铆钉的中轴线为oz轴,ox轴为不同剖面位置方向,B点为铆钉与上、下层板的交点,A点为铆钉角嵌入底层板距离xoz平面的最远点,A点在oy轴上。AB线在xy平面上的投影长度为互锁值,建立不同的剖面位置A、B点在该坐标系下球面方程。

图2 数学模型建立

A点球面方程如下。


式中,xA为A点与yoz面的距离;yA为A点与xoz面的距离;RA为在中心面位置时A点与xoz面的距离;

B点球面方程如下。


式中,xB为交点B与yoz面的距离;yB为交点B与xoz面的距离;zB为交点B与xoy面的距离;RB为中心面位置时交点B与坐标轴原点的距离;

不同的剖面位置对应x值不同,xA和xB相同,令xA=xB=x0。对于同一SPR接头不同剖面位置zB为固定值z0,计算如下。


式中,rB为中心面位置时交点B与xoz面的距离;由公式(1)、(2)、(3)计算如下


当x0=0时,yA=RA;yB=rB。

距离中心面距离为x0的剖面测量互锁值计算如下。


4 结果与讨论

公式(5)中互锁值为x0的函数,令互锁值为f(x0),计算如下。


对公式(6)两边求导如下。


由于f(x0)>0,所以RA>rB;当x0=0时,当x0>0时,所以当x0=0时,f(x)值最小;当x0≥0时,f(x0)单调递增。

所以从公式推导计算结果可以看出,当剖面位置距离中心面位置越大,得到的互锁值越大。

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图3 SPR接头剖面测量互锁值随中心面距离的变化

根据1.0 mm厚度的HC340/590DP高强钢和1.2 mm厚度的5052H32铝合金SPR接头中心面剖面测量结果,如图4所示,可得

代入公式(5)得到互锁值如下。


将公式(8)用Origin作图,并结合图3所测的实验数据,得到理论计算曲线与实测数据的对比结果如图5所示,不难发现理论计算值与实验实测值吻合度较好,从而证明了数学模型的准确性,另外也可看出当剖面位置离中心面距离越大,剖面测量得到的互锁值越大,该结果与公式(6)求导得到的理论分析结果也是一致的。同时我们发现当剖面位置距离中心面位置1 mm以内时,不同剖面位置的测量互锁值变化小于10%,变化较小,在实际生产时对该剖面位置互锁值指标进行质量判定时可直接判定不用转换到中心面进行判定。

另外通过公式(4)可以变换得到如下公式。


所以对于不同剖面位置,通过测量yA、yB、x0可得到中心面位置时的测量互锁值,从而可用于判定SPR接头剖面质量是否满足标准要求,中心面的互锁值如下公式(10)所示。


图4 SPR接头中心剖面测量互锁值

图5 SRP接头中心剖面测量互锁值随剖面位置的变化

5 结论

通过建立数学模型和实验验证相结合,对SPR接头剖面位置对于剖面测量互锁值的影响进行了研究,结果如下。

a.当剖面为SPR接头的中心面时,剖面测量得到的互锁值最小。

b.当剖面位置离中心面距离变大,剖面测量得到的互锁值随之变大。

c.通过建立SPR接头剖面位置与互锁值的数学模型,可用于计算不同剖面位置时对应的中心面的互锁值,从而判定SPR接头测量互锁值是否满足质量标准要求。

来源:《汽车工艺与材料》杨海 1,2 单丰武 1,2 李慎国 1,2 王付才 1,2 胡杰 1,2 聂小勇 1,2 蔡涛 1,2(1.江西江铃集团新能源汽车有限公司,南昌 330000;2.南昌市车用轻量化材料应用工程技术研究中心,南昌 330000)


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