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[连接技术] 汽车异种材料铆接技术探讨*

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发表于 2020-9-11 16:38:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】汽车异种材料铆接技术探讨*
陈嘉乐
(西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安 710049)
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
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纹,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。

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3.5 疲劳力学实验法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,板件材料和铆枪控制[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


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。


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

无铆钉铆接在异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。



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