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自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用

浏览次数:52 发布日期:2019-08-05

研究表明,当整车质量减轻10%时,燃油经济性提高3.8%,加速时间减少8%,CO排放减少4.5%,制动距离减少5%,轮胎寿命提高7%,转向力减小6%。

实现汽车 轻量化 的关键是在车身的制造中大量使用轻金属和非金属,而连接这些金属的最佳方法是采用铆接技术。

原有的铆接工艺都要求对铆接材料进行预冲孔,然后再用铆钉进行连接,这样的铆接工艺复杂、外观差、效率低且不易实现自动化。

自冲铆接(SPR)工艺克服了传统铆接的弊端,实现了冲铆一次完成,为 汽车 车身的制造开辟了新的途径。

车身制造中的自冲铆接工艺

1.1 实心铆钉的自冲铆接工艺

图1所示为腰鼓形实心铆钉的铆接工艺,其工作过程为:冲头推动实心铆钉向下运动,铆钉下部的刃口将铆接材料冲掉并落入凹模内,铆钉到达凹模后停止运动;

随着冲头的继续下行,冲头下端面的凸台将对铆接材料加压,使其发生塑性变形而向内作径向流动,使其紧紧包住铆钉,形成稳定的锁止状态。

显然,这种铆接工艺如同“咬口”铆接一样,被铆接的两层材料必须是能发生塑性变形的金属。

图1 腰鼓形实心铆钉的铆接工艺

图2所示为圆柱形实心铆钉的自冲铆接工艺。冲压时当冲头行至下止点后,下层的被铆接材料将充满铆钉的环形凹槽内,而铆钉的上端面则产生“镦头”,这样将两层材料铆接在一起。

这种铆接工艺适用于相同金属材料间的连接、不同金属材料间的连接和金属材料与 非金属材料间的连接。铆接后铆钉两端头部均较平滑。

图2 圆柱形实心铆钉的自冲铆接工艺

采用实心铆钉铆接时应遵循以下原则:

a. 铆接相同金属材料时,较厚的放在下层;

b. 铆接不同金属材料时,硬度高的材料放在下层;

c. 铆接金属材料与非金属材料时,将非金属材料放在上层。

1.2 半空心铆钉的自冲铆接工艺

图3所示为半空心铆钉的自冲铆接工艺。其工艺过程为:压边圈首先向下运动对铆接材料进行预压紧,以防止材料在铆钉的作用下向凹模内流动;

然后冲头推动铆钉向下刺穿上层材料;在凹模与冲头的共同作用下,铆钉尾部在下层金属中张开形成喇叭口形状以锁止铆接材料,达到连接目的。铆接时遵循的原则与实心铆钉铆接工艺相同。 在汽车车身制造中,考虑到具体的生产环境、自冲铆接工艺的特点、连接强度以及应用材料的性质等,实心铆接工艺因有很多局限性,所以在汽车轻量化生产中主要应用半空心铆钉的自冲铆接工艺。

图3 半空心铆钉的自冲铆接工艺

1.3 半空心铆钉自冲铆接工艺与点焊工艺连接质量的比较

为比较自冲铆接件与点焊连接件的疲劳性能,对两种工艺的连接件进行了疲劳试验。

首先对同一种材料不同厚度的铆接件与焊接件进行疲劳试验,试样尺寸如图4所示,试样厚度分别是1.2mm和3.0mm,材质为铝合金5754。

统计破坏时的循环次数,试验结果如图5 所示。由图5可知,应用自冲铆接的连接件的疲劳强度均高于焊接件的疲劳强度。

其次,进行了不同材料及厚度的铆接件与焊接件的疲劳试验,试件尺寸如图6所示,连接材料为厚0.8mm的镀锌钢板和厚2.5mm的高强度钢板。实验结果如图7所示。

由图7可知,自冲铆接的有镀层材料的抗疲劳性能比点焊的好,但是连接较厚的高强度钢材时其抗疲劳性不如点焊的好。两种连接方法的优缺点比较如表1所列。

图4 试件尺寸

图5 铝合金铆接件与点焊件的疲劳性能比

图6 试件尺寸

图7 不同材料和厚度的铆接件与点焊件的

表1 两种连接方法比较

自冲铆接静应力和疲劳强度的影响因素

为了更好的制定自冲铆接工艺,满足设计强度,必须对影响铆接强度的因素进行分析和量化,以安排合理的工艺。

对不同凹模凸台高度、不同的铆钉直径和长度、不同的铆接厚度、不同镀层厚度的连接件分别进行了静应力试验和疲劳试验,以确定各物理量对铆接强度的影响程度。

静应力试验是将测得的连接件连接点破坏时的应力峰值作为其抗静应力指标。试验试件为2块厚1.2mm的5754铝合金铆接件,试件尺寸同图4,凹模和铆钉尺寸及形状如图8所示。

实验结果表明,连接件的静应力随凹模凸台高度d(0.25mm-0.5mm)铆钉直径(3-5mm)、铆钉长度(4-5mm、6-6.5mm)、铆钉材料厚度(1-2mm)的增加而增大,随铆钉硬度(410-480HV)的增加而先增大后减小,随镀层厚度(1-2mm)的增大而减小。

对同样的铆接件进行不同负荷疲劳试验,各物理量对疲劳性能的影响与静应力试验基本相同。

图8 凹模和铆钉尺寸及形状

通过上述分析可知,影响铆接静应力的主要因素是凹模凸台高度和铆钉长度,而影响铆接疲劳性能的主要因素是铆钉直径、铆接厚度和负荷。

因此,在实际生产中要合理的匹配影响铆接质量的基本参数,使铆接质量达到最优状态。

铆接工艺的合理制定

铆接工艺需要根据所要求的连接强度、使用材料的特性和表面质量来确定。

铆接工艺确定后再根据铆接材料的特性来选择相应材质的铆钉、凹模的形状及尺寸、铆接力的大小,这些数据的选择及匹配通过试验测得。

为了保证铆接质量,提高铆接的强度,设计的铆接形式应合理,如图9中左边形式。

图9 铆接形式优劣对比

a. 避免形成封闭的盒子型截面,如图9a;

b. 应有足够的铆接空间便于铆接设备操作,如图9b;

c. 铆接两层不同材料时,将塑性好的材料放在上层;三层以上时将塑性好的放中间;铆接相同材料不同厚度时,将较薄的放在上层,如图9c;

d. 铆接点应具有一定的受力长度,如图9d。

汽车制造中半空心铆钉自冲铆接质量的评价

半空心自冲铆接在汽车车身制造中的连接质量将直接决定车身的强度。

为了保证车身各项指标满足设计要求,必须对采用的铆接工艺质量进行评价,以确保铆接具有足够的静应力和疲劳强度。

生产实际中主要通过对铆接点塑性变形区剖面进行直观检查来评价铆接质量,如图10所示。

图10 铆接质量评价位置示意

a.铆钉的变形截面应成轴对称,即铆接后铆钉要在子午面上均匀变形,如图10中部位1;

b.铆钉头下端面材料不应有裂纹,正常情况下铆钉头与材料间应该充分接触而没有间隙,如图10中部位2;

c.铆钉与连接材料之间不应有间隙,如图10中部位3;

d.铆钉尾部要完全张开,保证有足够的金属包围铆钉底部,以便有良好的机械自锁性能,如图10中部位4;

e.下层金属应均匀变形,不出现裂纹或被刺穿情况,如图10中部位5。

通过对自冲铆接工艺和电阻点焊工艺进行的各项性能比较可知,凡是难于进行焊接的连接都可采用自冲铆接工艺,而且后者的疲劳极限高于点焊的疲劳极限,完全适用于车身的使用需要。

在车身生产中,“自冲”的特点又为快速生产和实现大批量流水生产创造了条件。

该工艺可用于汽车底盘件、汽车覆盖件、车座椅、内饰件之间的连接,特别是对于货车车箱板间的连接有重要的意义。

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