流鉆螺釘的案例
奧迪寶馬都在用的單邊連接技術-阿諾德“流鉆螺釘”系列產品全解析
流鉆螺釘工藝是通過螺釘的高速旋轉軟化被連接零件，并自攻絲最終旋緊的連接技術，也被稱為熱融緊固系統。該工藝可以在較小變形的情況下實現單邊連接，且為一種可拆卸的緊固方式。然而，此工藝有哪些車型在用、具體使用在什么部位，以及該工藝的最新發展狀況如何呢？
FlowForm? Screws工藝
1.
流鉆螺釘
在介紹FlowForm?螺釘之前，首先想跟大家介紹一個概念，即何為“流鉆螺釘”工藝（別稱：熱融自攻絲/熱融緊固系統）。英文中有的翻譯為Flow drill Screws（FDS），也有翻譯為FlowForm Screws（FFS）,紐北更愿意把這兩種翻譯認為是連接技術使用的螺釘（Screw為螺絲釘）。而“流鉆螺釘”則指代的是一種高速旋轉、自攻絲最后擰緊的連接工藝。
FlowForm?為阿諾德開發的一種“流鉆螺釘”工藝專用螺釘，該螺釘簡稱為FFS。本文將詳細介紹阿諾德開發的FlowForm?螺釘及它的系列產品。
展開 【工藝知識】熱融緊固技術，擰螺絲的新境界，寶馬奔馳奧迪都在用
首先想跟大家介紹一個概念，“流鉆螺釘”工藝（別稱：熱融自攻絲/熱融緊固系統）。英文中有的翻譯為FlowdrillScrews（FDS），也有翻譯為FlowFormScrews（FFS）,而“流鉆螺釘”則指代的是一種高速旋轉、自攻絲最后擰緊的連接工藝。該工藝可以在較小變形的情況下實現單邊連接，且為一種可拆卸的緊固方式。
熱融緊固技術是一種通過設備中心擰緊軸將電機的高速旋轉傳導至待連接板料摩擦生熱產生塑性形變后，自攻絲并螺接的冷成型工藝。
咱們通過一個機器人擰螺釘的視頻來看一下這種技術。
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視頻資料，建議WiFi觀看
再仔細通過下面這個動圖，看一下擰緊螺釘的動作。
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在擰緊過程開始時，熱融螺釘置于無預先鉆孔的鋁板或薄鋼板的表面，高速旋轉的螺釘向工件表面施加高下壓力，同時產生極高的摩擦熱，融化金屬。隨后，螺釘頂端穿透材料，形成穿孔，并逐漸開始攻螺紋，一旦螺紋形成，螺釘按照預設的扭矩進行擰緊。
看一個模擬動畫。
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視頻資料，建議WiFi觀看
熱融緊固連接工藝步驟與過程說明，包括六個階段：旋轉（加熱）→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固。
展開 擰螺絲的新境界，寶馬奔馳奧迪都在用！
首先想跟大家介紹一個概念，
“流鉆螺釘”工藝（別稱：熱融自攻絲/熱融緊固系統）。英文中有的翻譯為Flow drill Screws（FDS），也有翻譯為FlowForm Screws（FFS）,而“流鉆螺釘”則指代的是一種高速旋轉、自攻絲最后擰緊的連接工藝。該工藝可以在較小變形的情況下實現單邊連接，且為一種可拆卸的緊固方式。
熱融緊固技術是一種通過設備中心擰緊軸將電機的高速旋轉傳導至待連接板料摩擦生熱
產生塑性形變后，自攻絲并螺接的冷成型工藝。
咱們通過一個機器人擰螺釘的視頻
來看一下這種技術
視頻來源：Fanuc
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再仔細通過下面這個動圖
看一下擰緊螺釘的動作
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在擰緊過程開始時，熱融螺釘置于無預先鉆孔的鋁板或薄鋼板的表面，
高速旋轉的螺釘向工件表面施加高下壓力，同時產生極高的摩擦熱，融化金屬。隨后，螺釘頂端穿透材料，形成穿孔，并逐漸開始攻螺紋，
一旦螺紋形成，螺釘按照預設的扭矩進行擰緊。
看一個模擬動畫
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熱融緊固連接工藝步驟與過程說明，
包括六個階段：旋轉（加熱）→穿透→通孔→攻螺紋→擰螺紋→緊固。
展開 下一代汽車制造材料和工藝
· 螺栓：使用預先鉆好的孔來插入螺栓和螺母，螺栓和螺母可以擰緊并鎖定，將兩種相似或不相似的材料放在一起。
· 激光點焊(LSW)：使用先進的激光系統創建焊點，將金屬熔合到剛性聯接處。
· 流鉆螺釘(FDS)：使用自沖孔和擠壓緊固件來連接金屬板層。這結合了摩擦鉆孔和螺紋成型的特點，因為螺釘既可用作緊固件又可用作鉆孔和螺絲工具。
點焊的使用已經在減少，它的受歡迎度將使其很快被有效地連接塑料和金屬部件的專門粘合劑超越。隨著新材料的引入，焊接毛坯和鉚接也可能成為最突出的裝配技術。
汽車制造材料和工藝會如何演變?
CAR報告中提供的汽車制造時間線或“路線圖”是根據當前的材料和流程趨勢對未來進行計算的結果。雖然預測不可能完全準確，但它們提供了一種計算方法，可以解決技術和成本競爭力的問題。每種創新的制造技術和材料都含有可能影響預測時間線的因素。取決于這些因素，行業內的廣泛采用可能會加快或延遲。
促進因素
· 燃油經濟性：更輕的材料會制造出需要更少燃油推進的輕型車輛。燃油經濟性對客戶來說是一個很有吸引力的銷售特點，因此汽車制造商會盡力滿足這種需求。
· 減少車輛排放：立法要求可能迫使汽車制造商提高燃油經濟性，作為降低溫室氣體(GHG)排放的方法。
· 自動車輛：自動駕駛車輛的零件要比非自動駕駛車車輛多很多。這種額外的重量和空間需要通過減輕其他部件來彌補。
· 電動動力總成：電動發動機和電池比現代內燃機的重量更重。選用電動動力總成要求其他材料要更輕以做補償。
· 新增內容：每個車型年份，駕駛員都期望能有新的車輛特性。要做到這一點，汽車部件需要越來越輕，否則燃油經濟性將受到影響。
消極因素
· 混合材料連接：不同材料的熔點差異意味著必須創新傳統的焊接技術。
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LS-DYNA中的材料加工，制造過程及破壞分析-無網格SPG方法
行業應用案例
上圖為加工制造過程流鉆螺釘的模擬，制造過程有一個很重要的特性，制造過程決定了結構最終的強度，如各種連接過程的模擬。上圖通常有6個運動階段，最終得到的力-位移曲線與實驗相比十分吻合。在60ms左右應力有較大提升，這是因為螺釘和工件之間發生接觸。螺紋在材料中形成，且材料沒有導航孔，螺紋和螺釘形成的連接結構的強度由screwing的過程決定，此時可基于在screwing加工過程的模擬最后結果，將EPS等效塑性應變和最終殘余應力合并考慮，進行最后的Pull out拉出模擬，判斷結構強度。這里屬于Two stage分析（兩個階段分析），加工過程以及由加工過程引起的結構強度分析，這兩個過程可以連在一起分析。
自沖鉚接和接頭強度過程模擬，可變形的鉚釘穿過加工件，然后跟底層形成鉚接。實驗中，有兩個參數可以判斷鉚接質量，第一個是自鎖量，這是決定整個強度的關鍵。第二個底部厚度。SPG仿真的結果與實驗結果十分吻合。此外，SPG還可應用于新能源汽車中長纖維增強復合材料的鉚接，材料中間的線代表纖維，由梁單元建立的，基體為SPG，SPG和梁單元之間的耦合采用SPG immerse technology，將這兩種單元耦合在一起來表達這個復合材料。基質材料以及fiber都被鉚釘打穿后進入下一層。
右上案例為日本JSOL公司案例，也可以做鉚接后的結構強度分析。鉚接的破壞不僅發生在鉚釘上，也發生在基質上，常規方法很難抓到這種破壞模態，因為這是以剪切為主的破壞。
Metal Grinding金屬磨削，特別是鋁合合金材料加工過程中，可能會濺出非常多的小的材料碎塊，該過程不適于有限元的單元刪除法，因為有限元單元刪除法可能會導致力偏小。
展開 汽車輕量化材料及連接技術現狀分析
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）技術可實現鋼鋁的連接，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用最為廣泛的兩種機械連接工藝。
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。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用。但因其靜態強度和疲勞強度都較低，通常只應用于行李箱蓋、發動機罩、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。與無釘鉚接相比，鎖鉚接頭具有良好的靜態力學性能和較高的疲勞壽命，已經被通用、奧迪、寶馬、捷豹、奔馳和大眾等公司廣泛應用于鋁/鋼等異質材料以及多層板的連接。
圖 4 鎖鉚鉚接過程
2.2 流動鉆鉚
FDS 技術通常稱為流鉆螺釘或熱融自攻釘技術，該連接技術是將帶有螺紋的螺釘高速旋轉刺穿板材，并通過形成螺紋聯接實現板材連接的一種技術，適應于板材與型材等管狀封閉結構的連接。
展開 汽車制造中的材料大全及連接工藝
· 螺栓：使用預先鉆好的孔來插入螺栓和螺母，螺栓和螺母可以擰緊并鎖定，將兩種相似或不相似的材料放在一起。
· 激光點焊(LSW)：使用先進的激光系統創建焊點，將金屬熔合到剛性聯接處。
· 流鉆螺釘(FDS)：使用自沖孔和擠壓緊固件來連接金屬板層。這結合了摩擦鉆孔和螺紋成型的特點，因為螺釘既可用作緊固件又可用作鉆孔和螺絲工具。
點焊的使用已經在減少，它的受歡迎度將使其很快被有效地連接塑料和金屬部件的專門粘合劑超越。隨著新材料的引入，焊接毛坯和鉚接也可能成為最突出的裝配技術。
轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰
如圖 5 所示，為了提高減重的效果，在采用輕量化結構設計的同時，該車身中大量使用了輕金屬，尤其是鋁合金，并采用了多種連接工藝支撐多材料車身的制造，如弧焊、MIG 焊、電阻點焊、冷金屬過渡(Gold metal transfer, CMT)弧焊、自沖鉚接、抽芯鉚釘、流鉆螺釘、攪拌摩擦點焊和膠接等。目前已經有多款量產的多材料車身，如寶馬 5/6/7 系車身上鋁合金的用量都達到了 18%以上，奧迪TT/TTS Coupe 車身達到 68%，奧迪 TT/TTS Roadster 也達到 58%。通過在全鋼車身中逐步引入鋁、鎂、復合材料等低密度材料，即開發“多材料混合車身”，已經成為全球汽車車身輕量化的必然趨勢。
圖 5 SLC 輕量化設計結果
2、多材料輕量化車身對連接技術挑戰
通過多種材料的混合使用可以有效減輕車身重量，為汽車工業的發展提供更多的機遇。然而，也對車身制造技術，尤其是焊接與連接技術提出巨大挑戰。
2.1 電阻點焊工藝
電阻點焊因其高效率、低成本、易于自動化等優點在鋼制轎車車身裝配中長期占主導地位，一輛典型的鋼制車身90%以上裝配量由電阻點焊工藝完成 。然而，多材料輕量化車身由于高強鋼的大量使用以及鋁鋼的混合使用，使得傳統的電阻點焊技術面臨巨大挑戰。
2.1.1 先進高強鋼的電阻點焊
根據美國達科環球的統計數據，2007 年北美汽車用材中高強鋼用量達 44.6%，其預測 2015 年則會高達 68.5%，尤其是雙相鋼、復相鋼(Complex steel，CP)、相變誘發塑性鋼、孿生誘發塑性鋼等先進高強鋼以及烘烤硬化鋼將大規模應用于汽車車身。高強鋼由于含碳量和合金元素增加，奧氏體穩定性顯著增加，在焊點快速冷卻過程中不可避免會出現淬硬馬氏體，導致接頭容易產生界面斷裂。
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