半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定

第 40卷 第4期 2007年 4月 天 津 大 学 学 报 Journ~of Tianjin University Vo1．40 No．4 Apr．2007 半空心铆钉 自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定 万淑敏 ，S．Jack Hu ，李双义 ，张连洪 ，刘秀全 (1．天津大学机械工程学院，天津300072； 2．密西根大学机械工程系，Ann Arbor MI 48109—2125，USA) 摘 要：自冲铆接是在板料和铆钉之间形成连接而不需要预冲孔的新工艺．探讨了检测 自冲铆接质量的直接试验 法和观测法，并在原有观测法的基础上提出了补充意见．开展了模具 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、铆钉尺寸选择及二者与板料匹配等方面 的研究，提出了模具设计的依据和方法．同时进行了自冲铆接效果的试验研 究，结合 自冲铆接试验结果， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了模 具、铆钉以及板料的材质性能等因素对铆接质量的影响．研究和试验分析表明，自行设计的半空心铆钉和模具可以 获得良好的铆接质量，可作为模具设计的参考和依据． 关键词：连接工艺；自冲铆接 ；模具 ；汽车轻量化 中图分类号：U671，85 文献标志码：A 文章编号：0493—2137(2007)04—0494—05 Process Parameters and Joint Evaluation of Self-Piercing Riveting with Half-Hollow Ri vets WAN Shu．min ，S．Jack Hu ，LI Shuang—yi ，ZHANG Lian—hong ，LIU Xiu．quan (1．School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2．Department of Mechanical Engineering，the University of Michigan，Ann Arbor，MI 48109-2125，USA) Abstract：Self-piercing riveting(SPR)is a new process without drilling holes between two panels．Direct test method and visual approach were discussed and supplementary opinion was brought forward based on the visual approach．Issues such as die design，rivet dimension selection and their matching with the panels were re— searched，Thus reference and method of die design was put forward．The SPR rivet quality test was done．And based on the test results，the influence of the die，rivet，and the material property of panels on the rivet quality was analyzed，which shows that the process parameter design method is effective，and can be used as reference for die design． Keywords：joining technology；self—piercing riveting；die；light weight of car body 随着汽车工业的发展，对汽车经济性的要求越来 越高，汽车制造商更加重视车身总成的轻量化和材料 连接的高质量．减少车身重量的主要办法之一就是使 用轻型材料，如铝合金、镁合金以及塑料等．迄今为止， 点焊(电阻焊)仍是连接钢板车身结构的主要方法，不 仅有利于大批量生产，而且连接质量也牢固可靠．但是 对于黑色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，以及可焊性差、预先涂漆或有镀层的黑色金属之 间的连接，点焊就非常困难了 ． 作为大批量生产的汽车，为了连接不能进行点焊 和难于进行点焊的材料，铆接特别是自冲铆接，越来越 受到重视和青睐． 1 自冲铆接基本原理 自冲铆接是在板料和铆钉之间形成连接而不需要 冲孔的新工艺，有几种工艺类型 _4 ．半空心铆钉 自冲 铆接的工艺原理见图1．半空心铆钉被冲头施压嵌入、 穿透上层板料，并扩张进入下层板料，而后铆钉与下层 收稿日期：2006—03—10；修回日期：2006—10—27． 作者简介：万淑敏(1964一 )。女，博士研究生，副教授。wanshumin@tju．edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年4月 万淑敏等：半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定 。495· 板料一起扩张，铆钉腿端部向四周翻开形成“铆扣”， 从而完成上下板料的牢固连接． 图 1 半空心铆钉 自冲铆接工艺过程 Fig．1 Process of self-piercing riveting with a half-hollow rivet (a)拉伸试验 显然，半空心铆钉 自冲铆接工艺属于金属成型问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，但不是由一种成型材料和刚性模具所进行的塑性 变形，而是由几种材料(至少 2种)进行复合塑性成型 的工艺，这就造成了工艺的复杂性．其中包括：模具几 何尺寸要合理；要严格控制铆钉的形状、尺寸和材质的 性能；板料的性能应与铆钉性能相匹配；板料的厚度应 与铆钉的尺寸和模具的尺寸相匹配等．笔者主要探讨 模具设计等部分工艺参数及其对铆接质量的影响． 2 自冲铆接质量的评价方法 自冲铆接的工艺参数以及模具设计合理与否，最 终只能用铆接效果进行评价． 2．1 直接试验法 所谓直接试验法，就是通过力学试验定量地测试 铆接质量的优劣，主要指铆接的牢固程度和经受振动 的耐久性．通常有3种方法 ． 1)拉伸试验 对搭边铆接后的试件进行拉伸试验，通过测试其 抗剪切能力，评价连接的牢固性，见图2(a)． 2)撕开试验 在汽车车身中，很多结构件(如门柱及边梁等)以 及覆盖件(如车门等)是将两件板料弯边成形后的 “边”铆接在一起，其连接的牢固程度，通常采用如图 2(b)所示的撕开试验，测试其撕开力的大小． 3)疲劳试验 对于汽车车身骨架及其覆盖件等铆接，由于汽车 承受振动和交变载荷，故用抗疲劳试验测试其连接的 疲劳寿命是很重要的评价方法．一般试验频率为 15～ 20 Hz；最小载荷与最大载荷之比R=0．1；加载水平的 大小与静拉试验的平均峰值载荷水平相关；试验循环 次数为 2万次以上 ． 图2 直接试验法 Fig．2 Direct test J (b)撕开试验 2．2 观测法 生产实际中主要通过对铆接点沿子午面的剖切面 进行直观检查来评价半空心 自冲铆接质量(见图3)． 铆钉的变形截面应成轴对称；铆钉头下面的板料不应 有裂纹，铆钉头与板料应该充分接触而没有间隙；铆钉 与板料之间应完全充满 ，不应有间隙；铆钉的尾部要完 全张开且保证被足够的板料包围着，以便有良好的机 械自锁性能；下层板料应均匀变形 ，不能出现裂纹或被 刺穿 ， ． 图 3 铆接剖面 Fig．3 Section plane of the riveted joint 此外，观测法还应补充以下几点： (1)铆钉扩张后 的下部直径大于或等于上部直 径，即图3中D ≥D ，犹如普通铆接一样，将两层板 料紧紧铆在中间； (2)铆钉插入下层的嵌入量要足够，即图 3中 h 不宜过小； (3)铆钉腿部不能产生“镦粗”现象； (4)在铆接点下部成形的“铆扣”处，包在此处的 下层板料不允许出现裂纹． 要得到良好的铆接质量，必须对诸多因素提出要求． 维普资讯 http://www.cqvip.com · 496· 天 津 大 学 学 报 第 40卷 第 4期 3 自冲铆接主要工艺参数的选择 3．1 模具的设计与选取 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 为了确保铆接质量，当铆接完毕后，铆钉应完全进 人板料，铆钉头部上表面应与上层板料的上表面平齐， 模具型腔应恰好充满，这种铆接状态是“镦实”状态． 如果依此确定设计原则，则模腔的体积应与铆钉的体 积完全相等．这种设计方法将导致一种模具、一种板料 组合和一种型号铆钉的一一对应关 系，即“一模一 用”，而不允许一种模具覆盖多种板料的组合，覆盖多 个型号的铆钉． 在实际应用中，为了提高工效，减少铆接配件，往 往是用同一种模具，同时使用 2种或 2种以上型号的 铆钉，铆接不同组合厚度的板料；模具和铆钉的同一种 组合，亦可铆接2种不同组合厚度的板料，因为只要 “铆牢”即可，不一定 “镦实”．但一种模具只能适合一 个直径的铆钉，而铆钉长度允许不同． 因此，必须对模具的设计原则提出圆整．对这种铆 接方法，模具设计是指模腔形状的确定，见图4． 图4 模腔、铆钉和板料 Fig．4 Die cavity，rivet and panel 一 般而言，若铆接某种组合板料，首先应根据板料 选用铆钉，包括铆钉的直径和长度，然后再选用或设计 模具． 3．2 铆钉尺寸的选择原则 铆钉的尺寸包括直径(指铆钉腿部直径)和长度． 一 般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度． 铆钉直径的选择依据主要是所要铆接的板料厚 度．一般而言，所要铆接的板料厚度愈大，则使用铆钉 的直径愈大，如铆接 2／2 mm厚的板料(两层板料厚度 均为 2 mm)，多采用 455．3 mm直径 的铆钉；铆接 1／1 mm厚的板料，多采用 453．3 mm直径的铆钉．但有 时为了提高疲劳寿命，也使用细长的铆钉铆接厚板料． 铆钉直径确定后，根据所要铆接的板料厚度和铆 钉直径确定铆钉长度．文献[8]曾提出，“铆钉长度大 致等于被铆接板料总厚度加上铆钉腿部直径的75％． 但经笔者统计发现，这样计算的误差太大，故提出一种 近似的铆钉长度确定方法． 首先大体求得铆钉的理论长度 L =T+C (1) 式中： 为铆接板料的总厚度，T=t +t ；C为铆钉超 出板厚部分的长度．根据文献[9]的统计分析，C的表 达式为 C=0．617d2—0．124 6 (2) 式中：d 为铆钉腿部直径． 、 、C和 单位均为 mm． 经计算得出的铆钉长度 还须进行圆整，使长度 符合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 铆钉的长度．圆整的原则是： (1)对大直径铆钉而言，L=L 一，即向下靠一级； (2)对小直径铆钉而言，L=L +，即向上靠一级． 以上是已知板料厚度，选择铆钉的方法．如果已知 铆钉的直径及长度，也可以求得铆接板料最适合的厚 度．设所铆板料的理论总厚度为 ，则 T ：L—C (3) 其中c由式(2)式求出．所铆板料的实际总厚度如下： (1)对大直径铆钉而言，T=T +，向上圆整； (2)对小直径铆钉而言，T=T 一，向下圆整． 3．3 模具的设计方法 图4中的下图为模腔的尺寸图，它由内壁、中间圆 锥和下底组成．内壁的底径为D ，一般具有 5。的拔模 斜度即可．对模腔的尺寸参数设计如下： 1)深度h 深度与铆钉伸出板厚的长度有关 ，见式(2)中的c 值；一般为 2．17 mm，或小一些，但应大于 1．5 illm． 2)内壁的底径 D 显然，图4中 应大于图3中的D ，如 2．2节观 测法所述：“铆钉扩张后的下部直径大于或等于上部 直径”，如果 Db=D ，则 D >D ，取 D2=D +0．8t2 (4) 式中t 为下层板料的厚度． 3)圆锥底径 D 一 般而言，(DE—D1)／2=1．5～2 rain，即D1=DE一 (3～4)Inm． 4)中间圆锥的设计 中间圆锥包括凸台高度 t、圆锥角度 和顶部圆 弧半径 R．由文献[6，10]可知，t的数值很小，t=0～ 0．25 mm；f值对静拉力影响最大 j，对疲劳寿命影响 不明显． 圆锥角度 、顶部圆弧半径 R以及 t三者中，有一 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年4月 万淑敏等：半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定 497· 个是非独立参量，如果令 R为非独立参量，则 O _=_ 1 c。s 一( +t sin R= —— —_———一 (5) 上 一 SIll “ 当D 、h和t值确定之后，按照 =35。～50。选取，注意 值不宜过小，R值不宜过大． 5)其他 所有的直线与直线交接处都有适当大小的圆角半 径，如 R0．7等． 4 铆接试验结果分析 本试验采用自行设计的试验装置 进行铆接．将 铆接试验的试件分别沿子午面剖开，观察各 自的铆接 效果，评价其铆接的优劣，并分析各自的原因．这里所 铆接的板料大约为 2／2 mm厚的铝合金，但铝合金牌 号不同，所使用的铆钉以及模具也不尽相同，见表 i． 采用前述的“观测法”标准进行判定 ，认真观察表 1中 序号为6和7的图，可见铆接效果是令人非常满意的． 其铆接条件(见图4)如下： (1)铆钉采用 d2=5．34 mm、D=7．80 mm、L= 6．50 mm、L =5．44 mm尺寸的空心铆钉； (2)模具的尺寸参数为 D =9．22 mm，D。=6．16 mm，h=2．17 mm，t=0．05 mm， =47。(R=1．7 mm)； (3)序号 6板料采用 1．85／1．85 mm厚的 6063铝 合金，板料的力学性能为 =70．69 MPa，0rb=143．83 MPa， =9．37％，／7,=0．252 0，E=0．677×10 MPa，本构 关系可描述为 =334．236 ；序号 7板料采用 1．86／1．86 mm厚的 LF2铝合金，板料的力学性能为 。 = 100．92 MPa， b= 228．74 MPa， = 26％，／7,= 0．282 1，E=0．623×10 MPa，本构关 系可描述 为 = 416．43 。· 跎1． 由序号2至序号7可知，同样的板料厚度，随着模 具几何形状的不同，铆接质量显著不同；其次，比较序 号 2与 3可知，二者铆接质量差异很大，这是因为模具 几何形状不同，更重要的是铆接的板料材质性能差异 也很大(序号 2中铆钉有明显的镦粗)．由此可见，影 响铆接质量的最显著的因素是模具的几何形状，其次 是铆钉和板料性能的匹配性． 表 1对 7种铆接条件下的铆接效果分别进行了评 价，并对影响铆接质量的因素进行了初步分析．铆接试 验及分析结果表明，通过合理选择铆接工艺参数，可以 得到良好的铆接质量． 表 1 试验结果及分析 Tab．1 Experimental result and analysis 序号 剖面图 说明 铆接效果 分析 1 ¨ ‰ 采用 LY2 铆钉下部未张开 ， 铆接很不牢 铆钉尺寸不合理，头部过大，腿部壁厚 ■■ ■ I 硬铝板 过薄，硬度偏小，模具直径过大 采用 LY2 铆钉未起到 自锁作用，基本上未铆住， 板料和铆钉性能不匹配，模具设计不合 2 二 一 硬铝板 铆钉出现严重“镦粗” 理，且远未充满模腔 采用LF2 铆接较牢固，但铆接下面的“铆扣”过 3 L 淫 模具设计不当 ，尺过大、n角度过大 铝合金 窄 ，铆钉管芯部材料过多 采用 6063 铆接较牢固 ，铆钉有轻微“镦粗” 铆钉硬度偏低，模具设计基本合理 4 铝合金 采用 6063 铆接牢固 ，“铆扣”仍偏过窄 模具设计尺寸有待进一步改进 5 I 誊遴 鏊■■——- 铝合金 采用 6063 6 鬣 铝合金 铆接牢固 采用 LF2 铆接牢固 7 _ 铝合金 维普资讯 http://www.cqvip.com · 498· 天 津 大 学 学 报 第 40卷 第 4期 5 结 论 (1)介绍了铆接质量的评价方法，对观测法提出 的补充意见可作为模具设计的依据之一． (2)由铆接试验结果可知，本文提出的半空心铆 钉自冲铆接模具设计的方法是可行的，可以获得良好 的铆接质量． (3)通过铆接试验，说明了不同条件下的铆接效 果，证明了影响铆接质量的主要因素是模具的几何形 状、铆钉和板料性能的匹配． 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