蔣新華

摘 要 采用了試驗(yàn)結(jié)合有限元仿真的方法，對(duì)自沖鉚接（Self-PiercingRiveting，SPR）設(shè)備中的重要部件凹模出現(xiàn)的不同程度的損傷情況可能對(duì)SPR接頭質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)凹模的受損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)，根據(jù)凹模的受損程度將凹模分為早期受損、中前期受損等5個(gè)級(jí)別。使用不同受損程度的凹模對(duì)厚度為1.5mm的A6111鋁板進(jìn)行自沖鉚接，測(cè)量鉚接接頭的外觀(guān)質(zhì)量與接頭剖面幾何參數(shù)。通過(guò)拉伸-剝離仿真試驗(yàn)，探究凹模斷裂損傷對(duì)SPR鉚接接頭的連接質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：凹模損傷會(huì)對(duì)接頭表面外觀(guān)質(zhì)量造成損傷，并且會(huì)隨著凹模損傷程度的增加而增大;凹模沒(méi)有發(fā)生斷裂時(shí)，凹模損傷對(duì)接頭剖面的幾何參數(shù)不會(huì)產(chǎn)生太大影響;凹模發(fā)生斷裂，會(huì)降低接頭的連接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 自沖鉚接;凹模損傷;鉚接質(zhì)量;接頭外觀(guān);斷裂

引言

鋼結(jié)構(gòu)件的連接方式主要有螺栓連接、鉚接連接及焊接連接等方式。在鐵道車(chē)輛生產(chǎn)中，鉚接是除了焊接外，應(yīng)用最為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)件連接方式。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)軌道車(chē)輛企業(yè)和中國(guó)鐵路總公司大力投資信息化系統(tǒng)建設(shè)，不斷推動(dòng)鐵路車(chē)輛診斷技術(shù)的發(fā)展，但鉚接質(zhì)量在線(xiàn)診斷方面缺少可靠的解決方案及鉚接質(zhì)量追溯措施。目前車(chē)輛制造過(guò)程中鉚釘鉚接完成后的檢查都是通過(guò)目測(cè)等人工方法進(jìn)行，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以消除人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響在車(chē)輛企業(yè)質(zhì)量管控廣泛采用ERP/MES/PCS/LIMS等分層架構(gòu)的今天，仍然采用人工監(jiān)測(cè)方式將會(huì)導(dǎo)致各平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸不便、未對(duì)過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警、出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題缺乏有效的工藝質(zhì)量追溯和離線(xiàn)分析措施等問(wèn)題，不能夠使質(zhì)量管控達(dá)到最完善[1]。

1自沖鉚接的基本原理

自沖鉚接技術(shù)是一種冷機(jī)械連接工藝，在這種工藝中，多片材料無(wú)須預(yù)先鉆孔即可鉚接在一起。它的工作原理是將一個(gè)典型的半管狀鉚釘推入材料的目標(biāo)堆中，在此期間材料和鉚釘?shù)乃苄宰冃问沟貌牧隙褍?nèi)形成機(jī)械鎖。自沖鉚接技術(shù)各零部件包括沖頭、壓邊圈、上下板料、鉚釘和凹模。成型過(guò)程可分為4個(gè)階段：①夾緊階段。壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，與此同時(shí)，鉚釘也在沖頭的驅(qū)動(dòng)下垂直向下對(duì)板料進(jìn)行預(yù)壓緊。②沖刺階段。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。③擴(kuò)張階段。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。④鉚接完成。沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)，鉚釘也驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。

2關(guān)鍵問(wèn)題研究

2.1 整車(chē)鉚接工藝質(zhì)量追溯體系的建立

整車(chē)鉚接工藝質(zhì)量追溯體系的建立不僅需要判定鉚釘鉚接質(zhì)量，還需要將每個(gè)鉚釘?shù)你T接質(zhì)量及鉚接位置進(jìn)行匹配，并生成質(zhì)量卡片。拉鉚槍上的工業(yè)相機(jī)會(huì)將拉鉚時(shí)的鉚接對(duì)象及周?chē)h(huán)境記錄下來(lái)，并上傳給工控機(jī)。對(duì)于轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等具有明顯輪廓特征的對(duì)象，只要找出鉚接時(shí)采集圖像的輪廓特征即可判別鉚接位置;對(duì)于罐車(chē)、敞車(chē)以及其他鉚接位置無(wú)明顯輪廓特征的對(duì)象，可以采用事先對(duì)鉚接處信息的條形碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該鉚接位置采集圖像的識(shí)別[2]。

2.2 鉚釘參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

在鉚釘材料方面，的研究指出，由于鉚釘不僅要求較高的強(qiáng)度，而且要求適當(dāng)?shù)难诱剐?，因此鉚釘強(qiáng)度的提高是有限的。出鉚釘必須有足夠的硬度來(lái)穿透上層板料，同時(shí)也要有足夠的塑性與底層板料一起向外擴(kuò)張。提出在成型階段，硬度高的鉚釘所需要的壓力明顯高于硬度低的鉚釘。鉚釘硬度提高，抗剪強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度提高。認(rèn)為鉚釘材料直接影響到鉚釘穿透鋁板的能力和鉚接接頭截面形貌。通過(guò)上述學(xué)者的研究，可以得出如下結(jié)論：鉚釘硬度不能太低，否則無(wú)法刺穿上層板，隨著鉚釘硬度的提高，鉚接質(zhì)量顯著提高;但鉚釘?shù)挠捕纫膊荒芴?，否則容易穿透下板材料。在壓緊和上層板穿刺階段，鉚釘?shù)挠捕扔绊懖淮?，在鉚釘腿部張開(kāi)和成形階段，硬度大的鉚釘所需成形壓力較大。鉚釘硬度提高，抗剪強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度提高，但不同板料對(duì)應(yīng)何種硬度的鉚釘還有待研究。

2.3 沖頭參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

認(rèn)為由于板料之間有間隙，鉚釘在嵌入板料之前需要先通過(guò)彈性變形消除間隙，故沖頭位移應(yīng)比鉚釘長(zhǎng)度大0.2mm。鉚接到位時(shí)載荷變化曲線(xiàn)非常陡，故用載荷控制誤差相對(duì)應(yīng)位移控制較小。分析了鉚釘/板材組強(qiáng)度匹配、鉚接速度對(duì)鉚接成型質(zhì)量的影響，認(rèn)為鉚接速度主要通過(guò)兩方面來(lái)影響鉚接質(zhì)量：一是由于沖壓載荷峰值的變化影響了接頭的成型性，二是由于應(yīng)變速率的不同，對(duì)板材加工硬化程度和斷裂應(yīng)力的影響不同。提出接頭強(qiáng)度隨加載速率的增大而增大。采用5種不同的鉚接速度進(jìn)行接頭的自沖鉚接試驗(yàn)。觀(guān)察各鉚速下接頭的截面成形形貌，并測(cè)得鉚速增大時(shí)，接頭底切量增大，底部厚度和剩余厚度均減小。的研究表明，應(yīng)變速率增大時(shí)，板材加工硬化率提高，斷裂應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，會(huì)過(guò)早產(chǎn)生斷裂。張雨桐等的研究表明，沖頭速度過(guò)大，板料容易發(fā)生回彈現(xiàn)象，沖頭速度過(guò)小，達(dá)不到預(yù)期的鉚接效果。上述學(xué)者的研究表明：隨著鉚接速度的增加，從成型狀態(tài)來(lái)觀(guān)察，接頭底切量增大，剩余厚度和底部厚度均減小;從板料性能來(lái)觀(guān)察，板料加工硬化率提高，斷裂應(yīng)力有減小的趨勢(shì)。成型狀態(tài)此時(shí)處于優(yōu)勢(shì)地位，對(duì)接頭性能的影響大于板料本身的影響，所以接頭拉剪強(qiáng)度明顯增大，而脫落強(qiáng)度增大幅度較小[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

①影響接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要是鉚釘材料、長(zhǎng)度、鉚釘間距、板邊間距、凹模的凸臺(tái)高度、板料的厚度和沖頭的載荷與速度。不同學(xué)者對(duì)影響程度優(yōu)先順序之間的研究結(jié)果并不相同，所以仍需采用更完善的試驗(yàn)方法對(duì)工藝參數(shù)的重要程度進(jìn)行判斷。②根據(jù)工藝參數(shù)對(duì)接頭的幾何性能和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以指導(dǎo)工藝參數(shù)的選取，簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)效率。但目前的預(yù)測(cè)模型仍有一定的缺陷，所以需要研究新的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型和方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣滔，方輝，董秀麗.飛機(jī)蒙皮鉚接質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].航空制造技術(shù)，2017，60（6）：88-91.

[2] 戴云鵬.汽車(chē)輕量化中自沖鉚連接技術(shù)的工藝特點(diǎn)[J].機(jī)電技術(shù)，2017（1）：61-63.

[3] 王雷，張志超.鉚接過(guò)程質(zhì)量控制工藝及生產(chǎn)技術(shù)研究[J].機(jī)電元件，2016，36（4）：36-39.