自冲铆接工艺的研究及改进措施

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摘要：采用3种不同尺寸的半空心铆钉，对4种不同材质、不同厚度的板料进行了自冲铆接试验；提供了铆接过程
中的力一行程试验曲线和铆接的单位成形力，并进行了分析；展示出铆接试验结果；在分析影响铆接质量的诸因素的
9 q9 ^/ ~4 _/ q! w  O9 @基础上，对铆钉和凹模的设计提出了量化指标和改进方案．铆接机专家网
3 C/ f- h5 h; G) ]. i7 r$ \1 C1 m关键词：连接工艺；自冲铆接；汽车轻量化铆接机专家网
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3 t+ e, P4 |$ y  z' q2 ~8 b随着汽车工业的发展，对汽车经济性要求越来越高，从而使汽车制造商更加重视车身总成的轻量化和连接的高质量，并寻求减少车身重量的办法，其中之一就是使用轻型材料，如铝、塑料等原料．迄今为止，点焊(电阻焊)是连接钢板车身结构的主要方法，但是对于黑金属与有色金属的连接，有色金属(如薄铝板)之间的连接，金属与非金属的连接，非金属之间的连接，点焊就很困难或无能为力了【1I．大批量生产的汽车，在车身零件粘接、焊接、铆接等连接中，为了连接不能进行点焊和难于进行点焊的
# x  B2 X4 n* N, f1 X0 `材料，铆接特别是自冲铆接，越来越受到重视和青睐．但对自冲铆接的研究我国目前尚处于空白．自冲铆接是一个在板料和铆钉之间形成连接而不需要预冲孔的新工艺．使用的半空心或实心铆钉先作为冲孑L的冲头，而后与被铆接板料一起进行塑性
0 ~5 n! l" \) C) s+ r) c+ H5 u变形以达到连接的目的怛J．自冲铆接有几种工艺类型，其中，半空心铆钉自冲铆接工艺的铆接过程如下：首先压边圈和凹模用预紧力将板料夹紧，而后半空心铆钉被冲头压下，铆钉充当冲头作用穿透上层板料，同时进入下层板料，随着下层板料流人凹模，铆钉与下层板料一起扩张并产生塑性变形，在两板料间形成一个机械互锁机构，从而完成连接．铆接机专家网
1半空心铆钉自冲铆接试验
! t! X# n" Q7 A" e1．1试验准备
8 p* F: b7 G9 ]# e  Q) Z1)铆钉形状和尺寸的确定：参考国外自冲铆钉标准㈦3，作为工艺试验，尽量选择较简单的铆钉外形．铆钉头部为平顶倒圆台，且所有铆钉头直径相同，以便于试验时定位对中，其形状、尺寸见图1．
2)凹模设计尺寸见图2，材质为Crl2，硬度为
3 y  w. `* d4 [# E& |HRC58—62141．
( \  [. c3 s6 o4 a8 n% r. t3)按照尺寸，对铆钉和模具均采用机加工．
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( x" M4 B/ b( u+ C4)试验方案的制定：经过对铆钉规格、凹模尺寸和将要进行铆接的材质及料厚等参数的分析，制订了试验方案．铆钉的规格有M1、M2和M3 3种，铆接板料有4种组合，见表1．原则上铆接较厚的板料需要较大的铆钉尺寸，相应的凹模尺寸也较大，而铆接板料较薄时正好相反．


4)试验方案的制定：经过对铆钉规格、凹模尺寸和将要进行铆接的材质及料厚等参数的分析，制订了试验方案．铆钉的规格有M1、M2和M3 3种，铆接板料有4种组合，见表1．原则上铆接较厚的板料需要较大的铆钉尺寸，相应的凹模尺寸也较大，而铆接板料较薄时正好相反．
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! [  P+ j( p! [( e9 b5)试验模具：试验模具除了凹模外，还有冲头和压边圈，其闭合状态见图3．将冲头固定在上模部分，凹模固定在下模部分，压边圈固定在下模座上，压边圈的作用一方面压紧板料，避免板料产生翘曲，同时还容纳铆钉，使其放正．使用标准模座，利用导柱导套对中．铆接机专家网
6)试验装置及数据采集：试验在WE．30型万能试验机上进行．采用自行设计和制作的数据采集系统[5]5，其中包括通用微机、传感器、信号调理器一A／D转换卡(测试卡)等硬件和测试系统软件组成．传感器输出的电压信号，经信号调理器放大、滤波后，由A／D转换为数字量；经计算机得到试验中载荷数据，并对试验数据自动处理．试验机微机测试系统的原理和组成如图4．
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0 K3 Z( a. I( @) q) f1．2空心铆钉自冲铆接试验
1)试验的进行：将试验模具安装在试验机上，确保对中．试验时，先使板料置于压料板的下面，然后施加足够的压边力；选择相应规格的铆钉，平正放人压料板中心孔内；而后运行压力机进行成形，操作中需使滑块的运动速度尽量均匀，直到铆钉上端面与上层铆接板料铆平为止．计算机将数据采集结果显示为“时间——载荷”曲线；事先需人工设定“载荷比例”及“采样比例”．载荷比例表示曲线纵坐标的比例，一般用预想的最大载荷值进行换算而设定，以保证采集到的曲线不会超出坐标范围．“采样比例”表示曲线的横坐标比例，同样为了便于观测，通过压力机的行程速度来设定合适的采样比例值．以上两个参数值的设定将利用试做确定之．显然，最后所采集到的数据为随着时间变化的载荷值．根据不同的采样比例，每个试验样本最后采集的数据至少为250个．铆接机专家网
7 Z0 y) u. _' o5 A' F; \# f1 _2)数据的整理及曲线绘制：通过观察所采集的试验数据，试验之初由于消除间隙和摩擦等因素所致，有数据的波动，这些波动数据可略去不计．将载荷值开始稳步提高的第一个点作为统计的第一个点．当冲头行至终点时，为最大载荷值，此后所采集载荷数据也略去不计．由此可得到每个试验样本数据的统计数据，称为“有效点”．每个试验样本数据有效点个数不同．然后在有效点的范围内选取一定个数的点进行筛选．为便于比较，每一组试验所选取的数据点个数相同．铆接机专家网
    将筛选后的数据分组编号，并将横坐标的时间数据折合成为行程数值(mm)．利用MATLAB软件进行数据处理，将同组试验的行程一载荷曲线图列于同一图上以便于比较．由图中可以清晰地看到，在相同的凹模规格、铆钉规格和板料规格下，载荷的变化很有规律．同时可利用此程序得到每种试验的行程一载荷曲线，下面只选取试验方案的第一组试验曲线，见图5．图中的横坐标均为行程(mm)，纵坐标均为载荷(kN)．铆接机专家网
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/ `3 x$ Z" W& E3 z9 d2试验结果及分析
2．1铆接力
将测试记录的数据整理见表2．表中，铆接的最大单位压力P=P一／(兀d32／4)，d3为铆钉腿外部直径，P为铆钉腿部(并非头部)承受的最大单位铆接力，P一为最大铆接力．表2冲裁力和铆接力
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2．2铆接效果
! i2 A) l: [: _' O2 O0 N8 k$ ^对铆接后试件用线切割沿子午面剖分，其结果见图6至图8．对表1的试验方案逐次观察其铆接效果，由此看出：
1)0．4 rain黄铜+1 mlTl铝由于下层板料厚度过薄，而相应所采用的铆钉过长，而将两层板料均穿透，导致铆接失效．
; U' \$ o; t" c3 A; J6 R& i2)1 mill铝+2 mlTl铝及2 rfln]铝+2 inIn铝认真观察可发现，虽然铆接上了，铆接后凹模形腔并没有完全被充满；而且，包容变形后铆钉的下层板料的厚度太薄，甚至有的接近被穿透的状态．铆接机专家网
; B, d3 ?. q5 ?2 R) F  u3)仔细观察图6可发现，在铆钉头部和腿部过渡区，外层金属与铆钉之间存在间隙．
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4 c( u3 F; k6 y, e4 C1 A# i2．3试验结果的分析
2．3．1关于变形力·
由试验曲线可明显看出铆接过程有两个阶段：①铆钉穿透上层板料以冲裁为主的阶段；②铆钉进人下层板料并随下层板料一起扩张的扩张阶段．冲裁阶段所需要的力不大，扩张阶段所需成形力显著上升．铆接机专家网
2．3．2对铆接后形状的分析
% D4 W3 @, G# D6 ^1)铆钉的长度与板料厚度应有良好的匹配．过长时容易全部穿透，过短时，铆钉和下面板料变形量不足同样使铆接失效．
2)铆钉的头部尺寸过大．致使头部进入被铆接板料过多，使铆钉的腿部下移，有可能穿透下层板料，至少会使下层板料包容变形后铆钉的厚度太薄，影响铆接的连接强度．铆接机专家网
3)铆钉的腿部尺寸偏小．完好的铆接后的铆钉形状应类似于“倒置高脚杯”，即变形后铆钉的逐渐扩张的侧壁应长一些，而后在最下部分开为八字状，而该结果类似于“倒置高脚碟”形状．
2 l0 O5 r9 F0 B. d4)影响铆接质量的主要因素是：铆钉尺寸、材质(机械性能)，凹模的尺寸、形状，被铆接板料的材质(性能)、料厚及其组合等．要得到良好的铆接质量，上述各参数之间应有良好的匹配关系．5)铆钉硬度也是一个重要的特征．铆钉必须有足够的硬度来穿透上层板料，同时也要有足够的塑性与底层板料一起向外扩张．若硬度太低，铆钉在冲裁过程中可能被“压塌”而无法进行后续的扩张；若硬度太高，将延迟“扩张阶段”，使底层板料包围铆钉的料
厚太小甚至穿透底层板料，或者铆钉尾部在扩张时破裂(为此，我们曾做过多次不同温度的回火试验)，或者扩张程度不够而影响铆接的连接质量．

3改进措施4结论
3．1铆钉的形状
  T# N" C2 L7 G) ~( f针对试验结果及其分析，对铆钉的形状应加以改进，减少头部直径及厚度．头部直径一般比杆直径大2～3 inln，而头部的厚度应在0．5。1 m／n，以铆住上层板料为宜．铆钉腿部长度很重要，它与被铆板料厚度有直接关系，其长度随着被铆接板料厚度的增加而增加．根据对现有的国外铆接图片分析，铆钉总长度应比被铆接板料的总厚度大2～2．5 rain为宜．腿部直径与被铆接板料的总厚度有关，铆钉腿部直径应比被铆接板料的总厚度大1～2 mlTl．在实际生产中铆钉表面要有涂层或镀层，以达到抗腐蚀要求和外观要求．如果铆接板料总厚度为4．5 mln，本文建议使用图9所示的铆钉尺寸．铆接机专家网


* O5 w" V1 q* c1 E3．2凹模的尺寸
7 o4 Z9 ~1 q. A! v2 v' _3 x对于凹模的尺寸，已有一些国外文献的报道，本文的图3就是参考国外文献设计的．值得提出的是，凹模中间的凸台尺寸更为重要些，凹模的口径应是在铆钉腿部直径的基础上，增加下层板料两倍的厚度值．凹模的深度将决定铆接后下面突出高度，应使铆接后的突出高度为l一1．5倍的下层板料的厚度值．若想使铆接后板料均匀地包紧铆钉，凹模型腔应被充满．设计凹模时，凹模尺寸应使型腔体积与铆钉的体积相同或略大，铆接终止时使凹模处于“礅满”状态，以避免某些角部出现间隙(欠充满)问题，以确保铆接质量．铆接机专家网
; y; @( Y5 H2 u5 ?5 N3．3铆接板料的放置位置
  U* I( S+ |* d/ q铆接两层不同板料时，应将塑性好的材料放在下层；铆接三层以上板料时，应将塑性好的放在中间；铆接相同材料而厚度不同的板料时，应将较厚的板料放在下层，较薄的板料放在上层．铆接机专家网
4、结论
' s3 M4 {1 o0 S& P6 _1)通过初步试验证明，半空心自冲铆接工艺是切实可行的．
) J/ X+ |- q5 D2)由试验得出了半空心铆钉自冲铆接工艺所需要的最大单位铆接力，为自冲铆接机的设计提供了依据．
& ?8 s' @2 M' E& N( n7 k3)半空心铆钉自冲铆接工艺，属于多种复合材料的塑性变形，从工艺原理上并不复杂，类似“钉书机”的原理；而寻求各种变形材料(包括铆钉和被铆接的多层板料)的性能匹配、形状匹配、尺寸匹配等，尚需要做大量的试验和计算机模拟工作，本文的工作仅是一个初步探索．铆接机专家网
4)提出了铆钉、凹模尺寸设计的原则、量化指标和改进方案．
& P" D/ F' ^# S% l6 K3 p5)自冲铆接工艺可用于不同材料之间的铆接，是除点焊工艺之外的行之有效的连接方法，在汽车车身轻量化发展中有良好的应用前景．自冲铆钉的制造(如采用冷镦工艺)、自冲铆接机的设计和商品化等必须配套，才能真正应用于生产实际中．
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自冲铆接机也叫锁铆机