陳 斌， 曾柳妃

(1.上汽萬向新能源客車有限公司， 杭州 311200； 2.浙江金港汽車有限公司， 浙江 紹興 312300)

在現(xiàn)代鋁合金客車車身生產(chǎn)中，鉚接、螺栓連接和焊接是主要的3種連接方式。鋁合金結(jié)構(gòu)車身焊接時，不僅易導致骨架變形，而且易產(chǎn)生氣孔、咬邊、裂紋、未熔合等諸多缺陷，工藝技術(shù)難度大[1]，對操作人員的專業(yè)技能要求偏高。根據(jù)有關(guān)資料介紹，矯正鋁合金焊接變形的工時約占制造車體全部工時的20%左右[2]。螺栓連接車身精度較差,生產(chǎn)效率低，扭矩檢測困難，且車身結(jié)構(gòu)在振動或交變荷載作用下，螺紋容易變形，使螺栓連接松動[3]。鉚接車身無應(yīng)力變形，無需矯正工序，無需檢測扭矩工序，工藝技術(shù)簡單，對操作人員的專業(yè)技能要求低，同時其制造車間節(jié)省能源、減少污染、綠色環(huán)保。目前，國內(nèi)眾多客車廠也相繼開發(fā)出全鋁合金鉚接車身，如申龍SLK6109、海格KLQ6762、申沃SWB6108、金港ZJG6140等。鉚接技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯，但受其結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學性能、作業(yè)空間等方面的制約，其在鋁合金車身上的應(yīng)用還不能完全取代焊接。

1 Huck鉚釘?shù)奶攸c和分類

Huck鉚釘包括釘桿和釘套2個部件，釘桿又包括釘頭、鎖緊槽、斷頸槽、尾段(槍爪槽)4個部位，如圖1所示。與傳統(tǒng)螺栓利用扭力旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生緊固力不同，采用特有的環(huán)槽鎖緊、環(huán)槽斷裂技術(shù)，在外界拉力下，拉伸釘桿擠壓釘套產(chǎn)生塑性變形，靠變形部位夾緊基材實現(xiàn)可靠的緊密連接，如圖2所示。此結(jié)構(gòu)具有高夾緊力和高抗剪力性能，從根本上解決了普通緊固件在振動情況下松動的問題。同時具有更高的精度、更高的生產(chǎn)效率、優(yōu)異的抗振及抗疲勞性[4-6]。在國內(nèi)外許多需要螺栓連接或焊接的建筑、汽車、鐵路、船舶、航天結(jié)構(gòu)上都使用了大量的Huck鉚釘，以降低螺栓連接或焊接的應(yīng)用比重。

圖1 Huck鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)

圖2 拉力與位移曲線

目前應(yīng)用在鋁合金客車車身上的Huck鉚釘按放釘方式分為雙面盲拉鉚釘和單面盲拉鉚釘兩大類。雙面盲拉鉚釘先從基材背面放入鉚釘，再從基材正面拉鉚；單面盲拉鉚釘既從基材正面放入鉚釘，也從基材正面拉鉚。按結(jié)構(gòu)形式,Huck鉚釘可分為環(huán)槽鉚釘、拉絲抽芯鉚釘和哈克博姆鉚釘3種類型，在國外又被分別稱做HuckBolt、Magna-Lok和Huck BOM。

環(huán)槽鉚釘(HuckBolt)，又稱哈克釘，由一個釘套和一個釘桿兩個獨立的部件組成[7]，屬于雙面盲拉鉚釘。環(huán)槽鉚釘利用胡克定律原理[8]，經(jīng)由拉鉚釘專用設(shè)備，在單向拉力的作用下，拉伸釘桿并推擠釘套，結(jié)構(gòu)件被壓緊后，將內(nèi)部光滑的釘套擠壓到釘桿凹槽使釘套和釘桿形成100%的過盈配合，達到設(shè)計夾緊力后，釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接，如圖3所示。環(huán)槽鉚釘抗剪力高、抗拉力高，鉚接范圍大(鉚接厚度 3.5～30 mm)，但在作業(yè)空間狹窄的結(jié)構(gòu)中，操作不如單面盲拉鉚釘方便。

圖3 環(huán)槽鉚釘鉚接原理

拉絲抽芯鉚釘(Magna-Lok)屬于單面盲拉鉚釘，與環(huán)槽鉚釘結(jié)構(gòu)不同，在單向拉力的作用下，釘桿拉伸向上，使釘桿尾端較粗部分進入釘套中，將釘套逐漸擠壓增粗并填滿釘孔，結(jié)構(gòu)件被壓緊后釘桿上的環(huán)形凹槽推入釘套的環(huán)形凸臺內(nèi)鎖止，達到設(shè)計夾緊力后，釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接，如圖4所示。拉絲抽芯鉚釘成本低，操作方便，但力學性能較差，其抗剪力和抗拉力分別為環(huán)槽鉚釘?shù)?.8倍和0.7倍，鉚接厚度范圍小(鉚接厚度為1.5～16 mm)。

圖4 拉絲抽芯鉚釘鉚接原理

哈克博姆鉚釘(Huck BOM)同屬于單面盲拉鉚釘，不但具有環(huán)槽鉚釘永不松動的結(jié)構(gòu)特點，同時具有拉絲抽芯鉚釘單面放釘?shù)膬?yōu)勢，在單向拉力的作用下，拉伸釘桿并推擠釘套，使釘套尾端變形形成墩頭，結(jié)構(gòu)件被壓緊后，將內(nèi)部光滑的釘套擠壓到釘桿凹槽使釘套和釘桿形成100%的過盈配合，達到設(shè)計夾緊力后，釘桿斷頸槽拉斷完成鉚接，如圖5所示。哈克博姆鉚釘力學性能較高，抗剪力和抗拉力分別為環(huán)槽鉚釘?shù)?.6倍和1.3倍，可在作業(yè)空間狹窄的結(jié)構(gòu)中取代環(huán)槽鉚釘?shù)膽?yīng)用，但采購成本過高，是環(huán)槽鉚釘?shù)?倍。

圖5 哈克博姆鉚釘鉚接原理

2 Huck鉚釘在鋁車身上的應(yīng)用

鋁合金型材具有較高的比強度，雖然彈性模量低，但有很好的擠壓性，能得到復雜截面的構(gòu)件[9]，從結(jié)構(gòu)上能夠補償鋁合金車身單個零部件的剛度；同時Huck鉚釘?shù)母邐A緊力、高抗剪切力、永不松動的特點，釘桿在鉚接過程中，隨著拉力增大，斷頸槽部位最先超過材料的屈服極限而斷裂，其他部位并不產(chǎn)生塑性變形，這種結(jié)構(gòu)的釘桿允許用高強度的材料制造[10]，從而可提高鋁合金車身各個零部件之間的連接強度。Huck鉚釘結(jié)合6061-T6態(tài)鋁合金型材的客車車身結(jié)構(gòu)，在國外已廣泛應(yīng)用[11-12]。

某客車公司設(shè)計的14 m 機場擺渡車在原有成熟的鋼車身上的基礎(chǔ)上，改進為采用80%占比的鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，20%占比的氬弧焊接結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 某客車六大片骨架結(jié)構(gòu)

鋁合金車身的前、后圍骨架因弧形結(jié)構(gòu)，接頭互不垂直，連接件設(shè)計困難，無法應(yīng)用鉚接，采用氬弧焊焊接而成；車身的頂蓋骨架、側(cè)圍骨架全部采用Huck鉚釘鉚接而成；底盤骨架不做改動，仍采用Q345B普通矩形鋼管焊接而成；車身五大片合裝、車身與底盤合裝通過Huck鉚釘鉚接。同時結(jié)合UG有限元分析，對合裝區(qū)域的鉚釘逐個建立接觸分析，充分模擬鉚接車身的水平彎曲、緊急制動、緊急轉(zhuǎn)彎、極限扭轉(zhuǎn)等工況,對鉚釘?shù)膹姸冗M行逐個校核，保證鋁合金車身骨架的鉚接強度和剛度達到使用要求。

設(shè)計優(yōu)化后，鋁合金車身骨架共有環(huán)槽鉚釘1 232顆、拉絲抽芯鉚釘1 748 顆、哈克博姆鉚釘96顆，實際制造車體時一顆Huck鉚釘鉚接時間為3～8 s，從鋁型材下料到六大片骨架合裝的總工時為80 h，相對于鋼車身焊接骨架總工時230 h(含16 h矯正焊接變形工時)，生產(chǎn)效率提高近3倍。鋼車身重2 t(不含底盤骨架)，整備質(zhì)量12.5 t，鋁合金鉚接車身骨架重920 kg，整備質(zhì)量11 t，骨架減重54%，整車減重12%，輕量化效果顯著。樣車已于2014年通過了載荷試驗、轉(zhuǎn)向性能試驗、結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力試驗、結(jié)構(gòu)動應(yīng)力試驗、抗風穩(wěn)定性試驗、5 000 km可靠性測試等，結(jié)果顯示鋁合金鉚接車身結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、車身性能安全。該產(chǎn)品目前已在上海浦東機場安全運行4年。

3 結(jié)束語

目前，在鋁合金焊接技術(shù)不成熟、焊接變形量大、工藝裝備成本投入過高的背景下，鉚接技術(shù)操作簡單、高效，不用消除內(nèi)應(yīng)力，且Huck鉚釘作為一種高夾緊力、高抗剪切力、永不松動的連接結(jié)構(gòu)，可部分取代焊接，必然在我國客車制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。