文/趙升噸，徐凡，范淑琴，韓曉蘭·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院模具所

交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接技術(shù)研究

文/趙升噸，徐凡，范淑琴，韓曉蘭·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院模具所

無(wú)鉚釘連接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航天以及家電行業(yè)金屬板料的連接，主要加工薄板金屬。雖然關(guān)于無(wú)鉚釘連接的專(zhuān)利早在19世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了，但是上個(gè)世紀(jì)才被人們開(kāi)始重視，尤其是隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展以及人們對(duì)環(huán)境要求的不斷提高，無(wú)鉚釘連接技術(shù)也開(kāi)始走進(jìn)人們的視野，并廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。圖1為無(wú)鉚釘連接和有鉚釘連接在汽車(chē)引擎蓋上的分布情況。

另外，在汽車(chē)車(chē)頂骨架、前蓋內(nèi)板加強(qiáng)件、汽車(chē)前蓋扣鎖加強(qiáng)板、行李箱蓋板等零部件中都使用了無(wú)鉚釘連接技術(shù)，在國(guó)外的奧迪、寶馬、奔馳、大眾、雪鐵龍、福特、通用等國(guó)際知名公司都已在汽車(chē)制造業(yè)中廣泛采用了無(wú)鉚釘連接技術(shù)。隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)無(wú)鉚釘連接技術(shù)也受到了眾多汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家的青睞，如一汽大眾的邁騰、速騰、新寶來(lái)、上海大眾的途安、上海通用的凱迪拉克等都在車(chē)身上應(yīng)用了無(wú)鉚釘連接技術(shù)。

目前應(yīng)用最廣的無(wú)鉚釘連接設(shè)備，主要采用氣動(dòng)和液動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行無(wú)鉚釘連接。德國(guó)TOX公司以氣液增壓，英國(guó)Henrob公司伺服電動(dòng)系統(tǒng)的自沖鉚接設(shè)備和工藝采用兩種，瑞士Baltec公司徑向鉚接設(shè)備采用的也是氣動(dòng)和液動(dòng)增壓的方式進(jìn)行無(wú)鉚釘連接，國(guó)內(nèi)設(shè)備主要來(lái)源于國(guó)外的技術(shù)支持。隨著直驅(qū)技術(shù)成為國(guó)外數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先者的象征，也成為國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。本文提出的交流伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)式技術(shù)不僅在效率上要高于目前的氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)的沖鉚設(shè)備，同時(shí)在能量上也較前面幾種設(shè)備更加節(jié)能。

圖1 無(wú)鉚釘連接和有鉚釘連接在汽車(chē)引擎蓋上的分布

交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備

交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連設(shè)備能夠連接不同板厚、不同材質(zhì)的材料與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。連接不同的材料、難焊接材料、多層材料后，可實(shí)現(xiàn)連接質(zhì)量一致、無(wú)煙氣或火花產(chǎn)生、低噪聲和低能耗，減少能量的轉(zhuǎn)化時(shí)間，易于自動(dòng)化生產(chǎn)，使得生產(chǎn)周期和點(diǎn)焊時(shí)間相匹配或更短，還可以改善連接性能，特別是在鋁部件連接方面比點(diǎn)焊好。國(guó)外的Paderborn大學(xué)，Edinburgh大學(xué)和Lappeenranta大學(xué)都開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

無(wú)鉚釘連接機(jī)理

無(wú)鉚釘（Clinching）連接是利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的一種板件連接技術(shù)，這是一種不需要額外連接件的板料連接方式。這種連接方式不需要點(diǎn)焊、鉚接即可實(shí)現(xiàn)不同厚度不同材料的兩層或多層板件的最佳連接。連接對(duì)板件表面無(wú)任何要求，表面有鍍層、噴漆的工件無(wú)需處理即可直接連接，并且不損傷工件表面，無(wú)連接變形。這種連接廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)中，特別是應(yīng)用汽車(chē)車(chē)體。

交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備，主要包括交流伺服直驅(qū)壓力機(jī)、上模具、下模具三個(gè)部分。圖2為壓力機(jī)設(shè)計(jì)總體框圖，圖3為交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備的壓力機(jī)裝置。交流伺服壓力機(jī)具有效率高、精度高、柔性好、噪聲低以及節(jié)省能源等許多優(yōu)點(diǎn)，可依據(jù)功能需求不同，設(shè)定相應(yīng)的滑塊行程和沖壓速度，而且能夠很好的保證下死點(diǎn)的定位精度和重復(fù)定位精度，這樣可大大減少缺陷的出現(xiàn)，保證產(chǎn)品的成形連接質(zhì)量。同時(shí)，由于壓力機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、模具不易振動(dòng)，也提高了模具的使用壽命。直驅(qū)壓力機(jī)省去了傳統(tǒng)壓力機(jī)的離合器、制動(dòng)器和飛輪等部分，節(jié)省了摩擦材料、電能和耗油量等，使機(jī)器的運(yùn)行成本大大降低。無(wú)鉚釘連接的模具被安裝在后側(cè)導(dǎo)柱鑄鐵的滾動(dòng)模架上，當(dāng)沖頭將上下板料壓入下模具，并滿(mǎn)足壓縮組合厚度時(shí)，沖頭停止向下移動(dòng)并向相反的方向移動(dòng)復(fù)位，模具設(shè)計(jì)采用德國(guó)TOX公司的研究成果。

圖2 壓力機(jī)設(shè)計(jì)總體框圖

圖3 交流伺服直驅(qū)壓力機(jī)實(shí)物照片

交流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

交流伺服無(wú)鉚釘連接設(shè)備的核心是對(duì)交流伺服系統(tǒng)的控制，伺服控制系統(tǒng)的好壞將極大地影響加工零件的精度和加工效率。只有伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定、可靠和高精度，才能發(fā)揮出伺服壓力機(jī)異于普通機(jī)械壓力機(jī)的優(yōu)良特性。目前，常用的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三種方案：一是采用PC＋運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)，這種方式控制能力強(qiáng)、靈活性好、功能穩(wěn)定，適合控制系統(tǒng)復(fù)雜、控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較好的場(chǎng)合；二是PLC控制方式，這種控制方式簡(jiǎn)單、易用，且穩(wěn)定可靠；三是采用嵌入式控制，這種控制以嵌入式CPU為核心，自己搭建外圍控制電路，這種控制方式可以大大減小控制器的體積，使系統(tǒng)更加緊湊可靠。本文涉及的壓力機(jī)結(jié)構(gòu)小巧緊湊，采用嵌入式控制方案。圖4為伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

本文采用了圖5所示的伺服控制系統(tǒng)總體接線(xiàn)圖，設(shè)計(jì)單片機(jī)為核心的外圍電路板，壓力信號(hào)、光柵信號(hào)以及控制面板上的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，都要經(jīng)過(guò)外圍電路板通過(guò)排線(xiàn)將其傳送到ARM9中，控制電機(jī)的指令脈沖也需要經(jīng)過(guò)外圍電路的處理才能傳到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，以控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。從圖5可以看出，整個(gè)接線(xiàn)圖的核心就是外圍電路，是一個(gè)大的中轉(zhuǎn)站，所以必須設(shè)計(jì)出PCB板。

圖4 伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖5 伺服控制系統(tǒng)總體接線(xiàn)

圖6 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)連接

伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的連接方式（圖6）中，電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間直接連接的有兩條線(xiàn)：一條是電源線(xiàn)；另一條是光電編碼器的信號(hào)反饋線(xiàn)，通過(guò)這條線(xiàn)將電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置反饋給驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間形成閉環(huán)控制。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器供電都通過(guò)直接接到驅(qū)動(dòng)器上的三相電源線(xiàn)提供，由于伺服電機(jī)的磁場(chǎng)對(duì)控制電路有較大影響，一般在電源線(xiàn)上需接噪聲濾波器，以減少電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)控制電路的影響。外電阻一般用在功率較大的電機(jī)的場(chǎng)合，以實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。在制動(dòng)比較容易的場(chǎng)合，一般不外加制動(dòng)電阻。若不接外電阻時(shí)，要將PC和PI之間短路連線(xiàn)，P不做任何連接。

■表1 材料的化學(xué)組成 （％）

實(shí)驗(yàn)研究

材料性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用厚度為2mm的鋁合金板料Al6061，具有性能均勻、成形性好的優(yōu)點(diǎn)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。單向拉伸試樣，即通過(guò)線(xiàn)切割從板料的軋制方向（0°）、垂直軋制方向（90°）與軋制成45°三個(gè)方向分別取兩組試樣，然后對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)加工以及細(xì)砂紙表面拋光，確保外形尺寸及表面光整。根據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行常溫下板料單向拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄方式為應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)（圖7）。

由于Al6061板料單向拉伸實(shí)驗(yàn)獲得6組試樣，根據(jù)等向強(qiáng)化模型參數(shù)識(shí)別方法，采用混合等向強(qiáng)化方程來(lái)描述Al6061板料的流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)參數(shù)如表2所示。

圖7 Al6061試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

■表2 Al6061材料性能

圖8 無(wú)鉚釘連接接頭剖面圖

無(wú)鉚釘連接實(shí)驗(yàn)

交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備作為主要的工作裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)變速、變行程，有效的提高效率。當(dāng)沖頭到達(dá)預(yù)期位置，開(kāi)始反向運(yùn)行。在無(wú)鉚釘連接過(guò)程中，主要在剖面上創(chuàng)建S形機(jī)械鎖。在塑性成形連接過(guò)程中，模具幾何形狀是一個(gè)重要的影響因素，且材料本身的性能也影響接頭的質(zhì)量。當(dāng)板料底部厚度達(dá)到組合厚度的40％的時(shí)候，S形基本形成。并且，評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量的定量標(biāo)準(zhǔn)主要就是接頭的強(qiáng)度。一般情況下，該設(shè)備能夠提供10～150kN的沖壓力。圖8為無(wú)鉚釘連接的接頭剖面。

Al6061板的力學(xué)性能在測(cè)試中，接頭的形狀多為圓形或者方形，本實(shí)驗(yàn)中主要采用圓形接頭。Y.Abealet等人的文章中，闡述了高強(qiáng)鋼的斷裂主要因?yàn)檩^差的韌性和沖頭拐角處的變形情況，并提出接頭強(qiáng)度決定鉚接質(zhì)量的評(píng)價(jià)因素。

強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

為了方便對(duì)接頭進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，一般情況在鉚接的過(guò)程中將板料的排列分成水平和垂直兩種，測(cè)量板料的拉伸強(qiáng)度采用垂直的排列方式，設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具進(jìn)行測(cè)量。而對(duì)接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，則采用水平排列的方式，也需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具進(jìn)行測(cè)量。圖9為無(wú)鉚釘連接接頭的強(qiáng)度測(cè)試樣本，包括水平和垂直兩種排列方式。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，5個(gè)樣本被作為剪切強(qiáng)度測(cè)試樣本，5個(gè)樣本被作為拉伸強(qiáng)度測(cè)試樣本，這兩組實(shí)驗(yàn)樣本使用同樣的拉伸設(shè)備，更換夾具進(jìn)行拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)，表3、4為抗拉試驗(yàn)和抗剪實(shí)驗(yàn)所需拉力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，測(cè)試速度為0.5mm/s，在拉伸情況下拉伸力需要1200N，而剪切測(cè)試下能夠承受的剪力為1170N，在拉伸力和剪切力的作用下接頭的斷裂形式。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方式所獲得的連接接頭，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)在正常服役狀態(tài)下所承受的剪切力和拉伸力。

圖9 強(qiáng)度測(cè)量樣本

■表3 拉伸強(qiáng)度測(cè)試 （N）

■表4 剪切強(qiáng)度測(cè)試 （N）

結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，全鋁車(chē)身將成為未來(lái)汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減重的一個(gè)重要舉措，而傳統(tǒng)的電焊工藝在很大程度上阻礙了這一進(jìn)程。因此，如何解決好這些新型板料連接的問(wèn)題，不僅對(duì)這些板料的廣泛應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵，而且也對(duì)現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高和成本降低至關(guān)重要。本文基于交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備進(jìn)行Al6061的無(wú)鉚釘連接實(shí)驗(yàn)，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)材料Al6061進(jìn)行性能測(cè)試，獲得材料的本構(gòu)方程，利用交流伺服直驅(qū)無(wú)鉚釘連接設(shè)備的特性對(duì)相同厚度的板料進(jìn)行塑性成形連接。通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的連接形式對(duì)接頭進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度測(cè)試，從而證明塑性成形連接接頭的強(qiáng)度滿(mǎn)足服役用要求。

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