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[成形与制造技术] 铝合金热熔自攻丝工艺与性能研究

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发表于 2020-8-3 11:16:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
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铝合金热熔自攻丝工艺与性能研究

羊军

(吉利汽车研究院,宁波 313335)

摘要:以热熔自攻丝(FDS)技术为研究对象,采用正交试验设计进行不同的FDS工艺试验和对接头力学性能分析,研究了FDS工艺过程中钻孔下压力、钻孔转速、锁紧扭矩3个主要特征参数对车用铝合金FDS接头力学性能的影响。结果表明,FDS接头剪切强度的影响主次顺序是拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>轴向下压力F;对剥离载荷影响的主次顺序是拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>轴向下压力F;影响抗拉载荷的主次顺序是打孔阶段转速w>拧紧扭矩T>轴向下压力F。拧紧扭矩对FDS接头剪切载荷的影响最为显著,而打孔阶段转速对剪切载荷的影响次之,轴向下压力无显著影响。铝车身典型材料组合5182/T4-1.5mm+6063/T4-3mm最优的FDS工艺参数为:打孔阶段转速5 000 r/min,轴向下压力1.5 kN,拧紧扭矩11 N&#8729;m。


关键词:铝合金 工艺优化 机械性能


1 前言

在现代汽车工业中,降低车身质量以降低油耗是目前重要的技术发展方向。同时,车辆的碰撞安全性也逐渐成为人们关注的核心问题。所以,合理选用合适的金属材料制造车身结构是同时满足车辆使用经济性和车辆碰撞安全性能要求的重要技术方案。铝合金以其优异的耐腐蚀性、良好的力学性能、低密度、易回收等优良特性,已成为现代白车身的重要结构材料。但是,铝合金在车身结构中的应用给车身的连接工艺带来了巨大的挑战,铝合金与钢铁材料电阻点焊过程中由于产生脆性的金属间化合物而无法获得有效的连接接头;螺纹连接具有成本高、自重大和生产节拍慢等缺点;传统的铆接工艺效率低、连接强度不够也难以实现铝车身的有效连接;胶接具有可靠性不高、易老化等缺点,且容易受到生产环境影响而难以满足铝合金零部件的连接[1]。


热熔自攻丝(Flow Drill Screw,FDS)工艺是一种近年来逐渐发展的冷连接工艺,因具有单面连接固定、可拆卸、无需预钻孔等特点使其十分适用于铝合金板件的连接,并且迅速被各大汽车厂商接受并应用[2-3]。但是FDS工艺在白车身结构的应用过程中,部分工艺参数对接头力学性能的影响机制尚不明确,例如攻丝的轴向下压力、攻丝速度、拧紧扭矩等工艺参数对连接接头的力学性能因素都有重要的影响[4-7]。因此,研究FDS的工艺参数并提高其连接质量成为车身制造技术中的一个重要课题。


2 试验材料及方案

以车身用铝合金作为研究对象,研究FDS工艺参数对接头力学性能的影响。选用的铝合金牌号、厚度、化学成分和力学性能分别见表1和表2。采用2种型号的FDS螺钉进行工艺试验,试验用铆钉均具有锌锡涂层,FDS工艺过程如图1所示。



表1 试验用铝合金主要化学成分(质量分数) %





表2 试验用铝合金主要力学性能





图1 热熔自攻丝工艺过程示意




根据研究对象的使用条件和FDS的工艺特点,制定的实验步骤如下。


a.确定铝合金材料组合。FDS接头主要是通过螺丝拧紧来实现上下铝合金板料的有效连接,所以铝合金板料的强度和厚度都是直接影响FDS接头强度的重要因素,选用铝合金车身的典型材料组合5182/T4-1.5 mm+6063/T4-3 mm进行相关FDS工艺试验。为保证试验结果的准确性,每组工艺参数进行5次试验。


b.使用拉伸试验机对FDS接头的剪切载荷、剥离载荷和抗拉载荷进行检测和统计,每组工艺参数条件下所有力学性能的平均值作为该组试验的力学性能结果。


c.FDS接头的剪切载荷、剥离载荷和抗拉载荷进行极差分析,分析FDS驱动设备的工艺参数对以上FDS接头剪切载荷、剥离载荷和抗拉载荷的影响。


d.FDS工艺过程前期的打孔(摩擦)转速、轴向下压力以及攻丝完成后的拧紧扭矩是FDS工艺过程中最重要的3个工艺参数[8~10]。选择以上3个工艺参数进行的工艺研究和分析,并获得回归方程。


采用的实验方法为三因素三水平正交实验设计,共设计9组实验,每组参数进行5次试验并计算平均值。通常情况下,当FDS工艺过程中打孔转速范围为5 000~8 000 r/min、轴向下压力范围为0.9~1.5 kN、最后的拧紧扭矩范围为9~13 N&#8729;m时,FDS接头的性能较为稳定[11]。


综合以上,本文设计如表3所示的正交试验表,并进行FDS工艺参数的回归分析,以优化驱动设备工艺参数。



表3 FDS工艺正交实验设计




3 FDS正交试验极差分析

通过对FDS接头机械性能分析,可以得到接头的剪切载荷、剥离载荷和抗拉载荷数据,表4为正交试验中FDS接头的机械性能。从表4中可以看出,FDS接头的剪切载荷均大于6.9 kN,剥离载荷均大于1.8 kN,而抗拉载荷均大于4.7 kN,表现出较好的机械性能。



表4 正交试验FDS机械性能指标表




为了分析FDS工艺参数对接头剪切载荷、拉伸载荷和剥离载荷的影响,对以上3个FDS接头载荷性能进行极差分析,其分析结果如表5~表7所示。



表5 接头剪切载荷极差分析表






表6 接头剥离载荷极差分析表






不同水平的因素对剪切载荷的影响效果如图2所示。从表5和图2可知,打孔阶段转速w、轴向下压力F和最后的拧紧扭矩T对应的极差分别为0.533 r/min、0.100 kN和0.833 N·m,这3个工艺参数对FDS接头剪切载荷的影响程度由大到小依次为拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>轴向下压力F。由上述分析可知,以上3个因素的优化水平为A1B2(B3)C1。为了获得较好的剪切载荷,打孔阶段转速为5 000 r/min、轴向下压力为1.2 kN或1.5 kN,最后的拧紧扭矩为9 N&#8729;m。



表7 接头抗拉载荷极差分析表





图2 FDS接头剪切载荷的因素效果




不同水平的因素对剥离载荷的影响效果如图3所示。从表6和图3可知,打孔阶段转速w、轴向下压力F和最后的拧紧扭矩T对应的极差分别为0.667 r/min,0.267 kN和0.600 N·m,这3个工艺参数对FDS接头剪切载荷的影响程度由大到小依次为打孔阶段转速w>拧紧扭矩T>轴向下压力F。由上述分析可知,以上3个因素的优化水平为A2B1C3。为了获得较好的剪切载荷,打孔阶段转速为6 500 r/min、轴向下压力为0.9 kN,最后的拧紧扭矩为11 N&#8729;m。



图3 FDS接头剥离载荷因素




不同水平的因素对剥离载荷的影响效果如图4所示。从表7和图4可知,打孔阶段转速w、轴向下压力F和最后的拧紧扭矩T对应的极差分别为0.167 r/min,0.033 kN和0.767 N·m,这3个工艺参数对FDS接头剪切载荷的影响程度由大到小依次为拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>拧轴向下压力F。由上述分析可知,以上3个因素的优化水平为A2B1C1。为了获得较好的剪切载荷,打孔阶段转速为6 500 r/min、轴向下压力为0.9 kN,最后的拧紧扭矩为9 N&#8729;m。



图4 FDS接头抗拉载荷因素




由于期望获得的FDS接头的主要性能是良好的剪切载荷、剥离载荷和抗拉载荷,但是考虑到车辆碰撞安全过程中接头受到剪切作用是最主要的作用方式,所以工艺优化时优先考虑剪切性能,同时综合考虑到接头的剥离和拉伸性能,最终3个因素的优化水平为A1B3C3,即在打孔阶段转速为5 000 r/min、轴向下压力为1.5 kN,最后的拧紧扭矩为11 N&#8729;m时,可以获得综合性能良好的FDS接头。


4 FDS接头力学性能的回归分析

FDS接头的剪切载荷是最为关键的机械性能指标,严重影响到车辆碰撞安全。为了更为详细地研究打孔阶段转速、轴向下压力和拧紧扭矩3个工艺参数与及FDS接头剪切载荷之间的关系,使用SPSS进行多元线性回归方程的拟合,得到以上3个工艺参数与剪切载荷之间的多元线性回归模型,如表8所示。


由多元回归分析得到的未标准化方程如下。




标准化的多元线性回归方程如下。




表8 FDS工艺参数的多元线性回归模型



注:B为未标准化回归系数,Beta为标准化回归系数,T为假设检验结果。



使用SPSS软件进行回归分析并获得相应的回归方程,随后对回归可信度进行验证。表9为回归模型摘要,一般情况下判定回归方程是否有意义的标准是R-sq>80%[12],由表9可知,该回归模型的R-sq为98.33%,而结果符合要求,所以此回归方程可信。



表9 回归模型摘要




表10为FDS接头剪切载荷回归方程的方差分析。从表10可以看出,拧紧扭矩的显著性水平(P值)最小,仅为0.025,表明拧紧扭矩对FDS接头剪切载荷有显著影响;轴向下压力的P值为0.571,显著大于0.05,说明轴向下压力对接头剪切载荷没有显著影响。所以以上分析可以看出,拧紧扭矩对FDS剪切载荷的影响最为显著,打孔阶段转速对剪切载荷的影响次之,轴向下压力的影响最不显著。



表10 回归模型的方差分析




5 结论

采用正交试验方法,分析了FDS工艺的打孔转速、轴向下压力以及攻丝完成后的拧紧扭矩对FDS接头力学性能的影响,建立并分析了FDS接头剪切强度的回归方程,得出如下主要结论。


a.探究的3个工艺因素对FDS接头剪切载荷的影响主次顺序是拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>轴向下压力F;对剥离载荷影响的主次顺序是拧紧扭矩T>打孔阶段转速w>轴向下压力F;影响抗拉载荷的主次顺序是打孔阶段转速w>拧紧扭矩T>轴向下压力F。


b.对于5182/T4-1.5mm+6063/T4-3mm的铝合金板材组合,为获得具有良好的综合力学性能的FDS接头,最优的工艺参数为打孔阶段转速5 000 r/min、轴向下压力1.5 kN,最后的拧紧扭矩11 N&#8729;m。


c.拧紧扭矩对FDS接头剪切载荷的影响最为显著,而打孔阶段转速对剪切强度的影响次之,轴向下压力无显著影响。对于本文所研究铝合金板材组合,其FDS接头剪切载荷未标准化的回归方程为Y=8.767-0.267X1+0.05X2-0.417X3。





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