無鉚釘鉚接的案例
汽車輕量化材料及連接技術(shù)現(xiàn)狀分析
2 連接技術(shù)
目前汽車連接方式有焊接、鉚接、螺接和膠接等，由于鋁合金、高強鋼、復(fù)合材料等輕量化材料的使用，傳統(tǒng)的焊接不再適用，需要新的連接方式。異種材料的連接主要面臨三個問題：界面硬脆相、電化學(xué)腐蝕、變形和應(yīng)力。針對異質(zhì)材料連接所面臨的上述挑戰(zhàn)，汽車科技人員開發(fā)了不同的連接工藝，如表 2 所示。
表 2 不同材料之間的連接方式
從表 2 可見，鋼和鋼之間的連接可用傳統(tǒng)的電阻電焊、激光電焊等，使用無鉚釘鉚接（Clinching）、鎖鉚（SPR）和熱熔鉆（FDS）技術(shù)可實現(xiàn)鋼鋁的連接，攪拌摩擦焊是鋁材之間較好連接方式。
2.1 無鉚釘鉚接和鎖鉚
無鉚釘鉚接（Clinching）和鎖鉚（Self-piercing riveting，SPR）是目前汽車車身制造中應(yīng)用最為廣泛的兩種機(jī)械連接工藝。
無鉚釘連接工藝的原理：即通過使用專門的連接模具，在一個沖壓過程中，利用材料自身的可塑性，在擠壓處形成一個相互鑲嵌的圓點或者矩形點，由此將兩層或多層板件連接起來。無鉚釘鉚接接頭的強度主要通過板材間的嵌入量及上層板在接頭頸部的厚度共同決定，而這些幾何特征又與沖頭和下模的幾何形貌有關(guān)。無鉚釘鉚接工藝因其工藝過程簡單且成本低，在汽車車身中得到廣泛應(yīng)用。但因其靜態(tài)強度和疲勞強度都較低，通常只應(yīng)用于行李箱蓋、發(fā)動機(jī)罩、后輪罩等非承載部位。
圖 3 無鉚釘鉚接過程
鎖鉚連接是鎖鉚鉚釘在外力的作用下，通過穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進(jìn)行流動和延展，形成一個相互鑲嵌的塑性變形的鉚釘連接過程。
展開 轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)
2.4 機(jī)械連接技術(shù)
無鉚釘鉚接和自沖鉚接是汽車車身中應(yīng)用最為廣泛的兩種機(jī)械冷連接技術(shù)，它們不需要預(yù)沖孔便可實現(xiàn)汽車板的連接，而且對連接對象的表面清潔度和氧化層不敏感，同時具有電阻點焊技術(shù)的高效率和易于自動化等特點。
2.4.1 無鉚釘鉚接
無鉚釘連接(Clinching)技術(shù)，又叫“沖壓鉚接”，1897 年由德國人發(fā)明。如圖 11 所示，無鉚釘連接是利用板件本身的冷變形能力，對板件進(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機(jī)械連接技術(shù)。目前國際上提供該工藝裝備的公司主要為德國的TOX和美國的BTM(注冊商標(biāo)為Tog-L-Loc)。因為成本低的優(yōu)勢，無鉚釘鉚接工藝已經(jīng)在國外汽車工業(yè)中普遍應(yīng)用。國內(nèi) SVW的途安、波羅、斯柯達(dá)明睿、斯柯達(dá)晶睿，以及 SGM的愛維歐、科魯茲、別克英朗、邁瑞寶、君越、君威都采用了 TOX 的技術(shù)與裝備。
圖 11 無鉚釘鉚接工藝過程示意圖
如圖 12 所示，無鉚釘鉚接主要有直壁整體下模和分體下模兩種形式。其中前者的模具是一個整體，模具結(jié)構(gòu)簡單。后者模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，模具中存在活動部分，在連接時下模在金屬的作用下向側(cè)面滑開，使金屬材料能夠充分從而形成塑性鑲嵌，所以其強度也較高。無鉚釘鉚接接頭強度是由頸厚值和嵌入量決定的，頸厚值決定抗剪強度，嵌入量則決定剝離強度，同時接頭底厚對強度也有重要影響。但總體而言，無鉚釘鉚接接頭的剝離強度和疲勞強度都比較低，所以通常只用在發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋等非承載部位。
圖 12 典型的無鉚釘連接形式
2.4.2 自沖鉚接
1985 年基恩·瓊斯在英國創(chuàng)建 Henrob 公司，研發(fā)和生產(chǎn)出世界上第一套自沖鉚接(Self-piercingriveting，SPR)設(shè)備。
展開 Simufact.forming鉚接解決方案
可以讀入商用CAD軟件建立的工件和模具的模型，例如：ProE、CATIA（V4、V5、V6）、UG、Solidworks、Parasolid、AutodeskInventor以及其他中間格式（iges、igs、stp、stl、step、jt）
Simufact.forming鉚接仿真應(yīng)用案例
管狀鉚釘鉚接（試驗和仿真對比）
實心鉚接
抽芯鉚接（試驗與仿真對比）
環(huán)槽鉚釘鉚接
無鉚釘鉚接
快速鉚釘鉚接
多層板自穿孔鉚接（可考察中間膠層的影響）
文章來源SH赫普
展開 輕量化汽車制造，自沖鉚接（SPR）機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新
其中，SPR自沖鉚接工藝克服傳統(tǒng)鉚接工藝的外觀差、效率低以及工藝復(fù)雜等缺點，實現(xiàn)沖、鉚一次性完成，且連接過程不破壞板材的鍍層，為汽車車身的連接開辟了新途徑。目前，SPR技術(shù)已經(jīng)成為歐美高端車型制造中的關(guān)鍵連接技術(shù)之一，并且成熟應(yīng)用于寶馬、奧迪、美洲虎和沃爾沃等汽車的鋁鋼混合車身連接中，其中僅美洲虎鋁制車身連接中SPR鉚釘的使用已達(dá)3000多個。
為了使SPR工藝得到更廣泛的應(yīng)用，眾多國內(nèi)外企業(yè)和機(jī)構(gòu)對SPR工藝研究進(jìn)行創(chuàng)新性的研究，包括對其連接方式的重點關(guān)注，其中就有51ROBOT，作為工業(yè)機(jī)器人一站式服務(wù)平臺， 在SPR的研究和運用上，51ROBOT利用自身優(yōu)勢，整合行業(yè)機(jī)器人、自沖鉚接工藝優(yōu)良技術(shù)等優(yōu)勢資源，聯(lián)合設(shè)立SPR連接技術(shù)實驗室，為客戶提供專業(yè)的自沖鉚接機(jī)器人系統(tǒng)解決方案。
從SPR工藝技術(shù)中突破
SPR工藝是通過液壓缸或伺服電機(jī)提供動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘的壓力作用下與鉚釘發(fā)生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，從而形成穩(wěn)定連接的一種全新的板材連接技術(shù)。
根據(jù)鉚釘的形狀，SPR自沖鉚接工藝可以分為：無鉚釘自沖鉚接、實心鉚釘自沖鉚接、半空心鉚釘自沖鉚接。在汽車車身連接中，既要考慮連接靜強度和疲勞強度又要考慮車身輕量化，因此大多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)選擇將半空心鉚釘自沖鉚接工藝應(yīng)用于輕量化汽車車身薄板的裝配。SPR工藝的力學(xué)特點決定了鉚接質(zhì)量，與鉚釘、模具、板材、沖壓設(shè)備等因素有關(guān)影響鉚接接頭性能。
SPR工藝的研究內(nèi)容主要是工藝參數(shù)的確定。研究表明，SPR技術(shù)的研究存在多個難點，一是鉚接設(shè)備的核心部位是沖頭和凹模，鉚釘形狀的設(shè)計直接決定了接頭的結(jié)合形式，如何選取合適的鉚接設(shè)備和工藝參數(shù)使其達(dá)到最佳匹配效果是最主要的難點。二是國內(nèi)大部分的SPR工藝設(shè)備及鉚釘是從國外直接購買，部分工藝參數(shù)無法更改。
展開 
復(fù)合材料連接設(shè)計、分析和試驗培訓(xùn)
3.6 釘載分配有限元分析結(jié)果
3.7 鉚接
介紹無鉚釘（clinch）鉚接、自沖鉚接(SPR)和金屬-聚合物混合結(jié)構(gòu)沖壓連接
3.8 機(jī)械連接疲勞
簡單介紹機(jī)械連接疲勞的特點及影響參數(shù)。
3.9 緊固件
介紹緊固件的選用、盲緊固件和環(huán)槽鉚釘等。
汽車車身覆蓋件技術(shù)現(xiàn)狀和制造工藝發(fā)展
目前，汽車車身連接主要采用焊接、鉚接、粘接方式進(jìn)行連接，同時采用多種焊接結(jié)合的方式，在最新一代的奧迪A8全鋁汽車上應(yīng)用了14種焊接技術(shù)，其中包括激光焊等8種熱連接技術(shù)和沖鉚連接等6種冷連接技術(shù)。
車身焊接主要包含電阻焊、電弧焊、激光焊接等。電阻焊通過局部電流產(chǎn)生電阻熱的方式將局部工件熔化，熔化的部位進(jìn)行熔化焊接，具有焊接質(zhì)量好和焊接速度快的優(yōu)點。電弧焊通過電焊絲與部件之間的電弧作為熱源進(jìn)行焊接，并且同時需要一定的保護(hù)氣體，比如二氧化碳。激光焊接是一種較新的焊接技術(shù)，利用激光束作為熱源進(jìn)行焊接。因為其焊接質(zhì)量好、耗時短、節(jié)省材料、焊接件不易變形的優(yōu)勢被廣泛使用于汽車車身焊接。
焊接也會對產(chǎn)品造成一定的質(zhì)量影響，因此對焊接也進(jìn)行一定的技術(shù)優(yōu)化。趙建姣等將激光飛行焊接技術(shù)應(yīng)用到白車身車門，飛行焊接指的是激光焊頭通過CAN總線的方式與機(jī)器人通訊，實現(xiàn)激光飛行焊接的功能。通過試驗證明了飛行激光焊接的可行性，也獲取了相應(yīng)的影響參數(shù)，為此技術(shù)的發(fā)展提供了優(yōu)化方向。
鉚接比焊接在車身上的應(yīng)用較少，主要有自穿釘鉚接、無鉚釘自穿鉚接和壓力穿刺鉚。目前中國重汽集團(tuán)將螺母沖鉚工藝應(yīng)用到汽車白車身連接工藝中，驗證了此工藝裝配精度高、工件變形小、節(jié)能環(huán)保、易于實現(xiàn)自動化目的。
粘接車身技術(shù)是用結(jié)構(gòu)膠粘實現(xiàn)車身粘接。結(jié)構(gòu)膠指強度高、能承受較大荷載，且耐老化、耐疲勞、耐腐蝕，并在預(yù)期壽命內(nèi)性能穩(wěn)定、適用于承受大載荷結(jié)構(gòu)件粘接的膠粘劑。張士展等對車身結(jié)構(gòu)膠性能進(jìn)行了仿真，通過多種試驗對結(jié)構(gòu)膠失效進(jìn)行模擬驗證。
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