半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用.docx

1、半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用 第8卷第4期 2007年8月 北华大学(自然科学版) JOURNALOFBEIHUAUNIVERSITY(NaturalScience) VlO1.8No.4 A.2o07 文章编号:10094822(2007)04036904 半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用 刘瑞军一,于胜武,朱翠娟,王永成 (.北华大学交通建筑工程学院,吉林吉林132013;2.吉林大学汽车学院,吉林长春130025) 摘要:介绍了自冲铆接技术的概念,类型,工艺原理以及在汽车车身制造中的应用,对自冲铆

2、接和点焊的工艺连 接做了比较,指出了自冲铆接技术的应用前景. 关键词:自冲铆接;汽车车身;轻量化 中图分类号:U403.82;TCO38文献标识码:A 随着汽车制造业竞争的日益剧烈,各汽车制造厂家不断向市场推出新款车型,新车型除了突出安全性 好,性价比高,款式新颖等特点之外,主要的竞争矛头指向汽车的行驶经济性.在过去的20a中,汽车制造 商一直在寻找解决问题的方法,试验证明,采用新型轻金属材料实现车身轻量化,对改善汽车行驶经济性 是行之有效的.同时,降低整车质量可使汽车的多种性能得到改善和提高.研究表明,当整车质量降低 10%时,燃油经济陛提高3.8%,加速时间降低8%,CO排放减少4.5%,

3、刹车距离减少%,轮胎寿命提高 7%,转向力减少6%.由此可以看出,汽车轻量化的重要性.汽车轻量化的重要潜力是在车身的制造中 大量使用轻金属和非金属材料,例如铝合金,强化塑料等等.显然这些材料的连接采用目前的点焊技术不 行,随之提出采用铆接技术对车身的内外覆盖件连接.而传统的铆接工艺都需要对铆接材料进行预冲孔, 然后再用铆钉进行连接,这种铆接工艺复杂,外观质量差,效率低且不易实现自动(Self- 化.自冲铆接piercingriveting)I艺克服了传统铆接的弊端,实现了冲铆一次完成,为汽车车身的连接开辟了新途径.国 外许多汽车生产企业已经应用了此工艺,例如美洲虎汽车公司已经在X350系列,)

4、<J型豪华轿车的铝制车 身上应用自冲铆接技术,每辆车至少应用3000个铆钉,UK系列也将陆续应用,奥迪汽车公司在私家轿车 的铝质车身上至少应用1400个铆钉.沃尔沃汽车公司不但有自己的自冲铆接车辆生产线,还建成了自冲 铆接设备和铆钉生产线,并首先在VolvoFH12系列重型货车驾驶室应用自冲铆接技术,重量比以前减少 了30%,每a节省244,000美元生产成本J. , 1自冲铆接工艺的类型 1.1实心铆钉的自冲铆接工艺_3J3 腰鼓形实心铆钉自冲铆接工艺,如图1所示,冲头推动实心铆钉一起向下运动,铆钉下部的刃口将铆 接材料冲掉,置于凹模内落下,铆钉到达凹模后停止运动;随着冲头的继续下行,

5、冲头下端面的凸台对铆接 材料加压,迫使其发生塑性变形而向内做径向流动,使其紧紧包住腰鼓形铆钉,从而形成稳定的锁止状态. 这种铆接工艺只用于塑性金属间的连接. 另1种实心铆钉的自冲铆接工艺如图2所示,其铆钉形状并非腰鼓形,但铆钉上有一环形凹槽.当冲 头下行至下死点后挤压铆接材料,下层的被铆材料受压产生塑性流动充满凹槽,而铆钉的上端面则产生 镦头,而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 以及非金属间的连接. 0420 收稿日期:2007作者简介:刘瑞军(1973一),男,讲师,在读博士,主要从事汽车覆盖件成型仿真研究 北华大学(自然科学版)第8卷 冲头

6、 冲头 铆接材料铆接材料 凹模凹模 图1腰鼓形实心铆钉的铆接工艺 Fig.1Rivetingprocessofckurnsolidrivet 1.2半空心铆钉的自冲铆接工艺 半空心铆钉的自冲铆接工艺如图3所示,压边圈 首先向下运动对铆接材料进行预压紧,防止材料在铆 钉的作用力下向凹模内流动,而后冲头向下运动推动 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,形成喇叭口形状以便锁 止铆接材料,达到连接目的.半空心铆接工艺铆接两层 相同金属材料时,较厚的放在下层;铆接两层不同金属 材料时,将塑性好的材料放在下层;铆接金属与非金属 材料时,将金属材料放在下层.在汽车车身

7、制造中,考 图2圆柱形实心铆钉的铆接工艺 Fig.2Rivetingprocessofcylindersolidrivet 铆 蒜塾夥器 图3半空心铆钉的自冲铆接工艺 Fig.3Self-piercingrivetingprocess 虑到具体的生产环境,自冲铆接工艺的特点,连接强度以及所应用材料的物理性质等,实心铆钉的铆接工 艺有很多自身的局限性,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. 2半空心自冲铆接件与点焊件连接质量比较 2.1半空心自冲铆接件与点焊件抗静拉力比较 通过对相同材料的焊接件和铆接件进行静拉力试验,比较焊接件与半空心自冲铆接件的抗静拉力的 情况.静拉力试验通

8、常是将连接件的两端分别装卡在材料试验机的两个卡头上进行拉伸,测出连接点破坏 时的拉力峰值,作为其抗静拉指标4-5.针对汽车车身制造的实际情况,制作两种连接形式的试验样本A 和B,尺寸和形状如图4,5所示,其中图5中L为试验时的夹紧长度,可以按照试验要求选取.连接件的材 料匹配如表1所示6-7J.,45m , l I, f一. _删1O5mm 图4样本A图5样本B Fig.4SampleAFig.5SampleB 对A,B两种连接形式的试件,按照材料分别制成焊接件和铆接件.对所有的焊接试件和半空心自冲 铆接试件进行静拉力试验,记录试件的最大抗静拉力值.对于焊接试件,最大抗静拉力值为试件断裂或脱

9、落时的最大拉力值;对于半空心自冲铆接试件,最大抗静拉力值为铆钉脱落时的最大拉力值.将A形式的 焊接件与铆接件的最大拉力值按照序号制成直方图进行对比,如图6;同理,将B形式的焊接件与铆接件 的最大拉力值也按照序号制成直方图进行对比,如图7所示. , , ,i 一? r 第4期刘瑞军,等:半空心自冲铆接工艺在车身轻量化中的应用371 25 2O 藿 1O 5 O I_焊接试件 l二自冲铆接试件 l :目Ill-白冒, 舢1l耵j 1234567891Oll 序号 图6A形式焊接件与铆接件的最大拉力 Fig.6Themaxweldingpullingandrivetingpulling ofsamp

10、leA 固焊接试件 口自冲铆接试件 l2345678910ll 序号 图7B形式焊接件与铆接件的最大拉力 Fig.7Themaxweldingpullingandrivetingpulling ofsampleB 通过对图6和图7的分析可以得出以下结论: 1)钢板与钢板间:焊接件的抗静拉力能力好于铆接件,特别是厚钢板之间的连接. 2)铝板与铝板间:薄铝板铆接件的抗静拉力能力好于焊接件,厚铝板铆接件的抗静拉力能力不如焊接 件好. 3)A形式试件的抗静拉力能力好于B形式的试件. 2.2半空心自冲铆接工艺与点焊工艺其他性能比较 试验证明了对于铝板的连接,半空心自冲铆接件无论是抗静拉力还是抗疲劳性方面

11、都好于传统的焊 接件.除了以上良好的连接性能外,半空心自冲铆接工艺还有其他优点,如表2所示.因此,可以充分肯定 半空心自冲铆接工艺将在汽车车身轻量化生产中广泛应用. 表2焊接工艺与半空心自冲铆接工艺比较 Tab.2Comparisonoftheweldingprocesswithself-piercingrivetingprocess O86420 北华大学(自然科学版)第8卷 3结语 通过对自冲铆接工艺的全面介绍及与现在汽车制造行业惯用的电阻点焊工艺进行的全面比较可知, 自冲铆接可以进行轻型金属与非金属(如铝和塑料),黑金属与有色金属,有色金属(如薄铝板)之间的连 接,总之,凡是难于进行焊接

12、的材料都可采用自冲铆接工艺连接,且自冲铆接连接点的疲劳极限高于点焊 的疲劳极限,能够适应汽车车身承受变频振动的状态.在车身生产中,自冲的特点为快速生产和流水线 制造创造了条件.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 厢板间的连接有重要的意义.随着汽车制造业的不断发展,各种新型材料的广泛应用,自冲铆接工艺在实 现汽车轻量化中将呈现异军突起的势态. 参考文献: 1BoemaR.DevelopmentofACostCompetitive,Comlx)siteIntensivetkxlyinWhiteJ.SAE,2002,1:1905. 2J1arsson,OS

13、trandberg.InnovativeTechniquesforBodyinWhiteDesignandblyJ.BodyInternationalQuarterly, 1997,2(2):1331. 3WVelkner.PresentandFutureDevelopmentofMetalForming:SelectedExamplesJ.JournalofMaterialsProcessing Technology,2000,(2):236-242. 4MaofengFu,PKMallick.FatigueofSelf-PiercingRivetedJointsinanAluminumAl

14、loy6111J.IntemationalJournalof Fatigue,2003,3(2):5071. 5MaofengFu,PKMallick.EffectofProcessVariablesontheStaticandFatiguePropeiesofSelf-PiercingRivetedJointsin AlLlminLllTlAlloy5754J.SeePaper,2001(1):825834. 6JARKrause,RAChemenkoff.AComparativeStudyoftheFatigueBehaviorofSpotWeldedandMechanicallyFast

15、ened AluminumJointsJ.SAEPaper,1995(3):4560. 7IyerK.FatigueandFrettingofSelf-PiercingRivetedJointsJ.2002ASMEInternationalMechanicalEngineeringG.I1g andExlx)sition,2002(4):3040. ApplicationofSelf-piercingRivetingProcessin CarBodyLightWeightManufacture LIURui.jun1,2,YUSheng.Wll,ZHUCui-juan,WAGNYong.che

16、ng (1.TrafficandConstructionEngineeringCollegeofBeihuaUniversity,Jilin132013,China; 2.AutomobileCollegeofJilinUniversity,Changchun130025,China) Abstract:Thispaperprovidesanintroductionfordefinition,classification,processprincipleofself-piercing riveting(SPR)andtheimportantapplicationonautomobilebodyindustry,thenacomparisonbetweenspot weldingandSPRismade.Theperspectiveofitsapplicationisgiven. Keywords:Self-piercingriveting;Carbody;Lightweightmanufacture 【责任编辑:郭伟】