隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車輕量化成為發(fā)展趨勢(shì),如鋁合金、高強(qiáng)鋼等新材料已逐步應(yīng)用在車身制造中,同時(shí)對(duì)于車身板料的連接技術(shù)和工藝要求越來越高。相應(yīng)的對(duì)汽車零配件要求不斷提升,對(duì)應(yīng)用于玻璃升降器、座椅調(diào)節(jié)器、后視鏡調(diào)節(jié)器的鋼絲繩也提出了更高的要求,需要從原來的焊接連接改為新型的連接方法,即沖壓鉚接。筆者通過對(duì)沖壓鉚接技術(shù)原理和特點(diǎn)進(jìn)行探討,并進(jìn)行驗(yàn)證,歸納不同結(jié)構(gòu)規(guī)格鋼絲繩所需要的錨具尺寸以及最終鋼絲繩承受的拉脫力,為沖壓鉚接技術(shù)在汽車用鋼絲繩方面的應(yīng)用提供參考。
1沖壓鉚接和電阻焊技術(shù)
1.1沖壓鉚接技術(shù)
沖壓鉚接是通過一定的模型和相應(yīng)的鉚釘,在專用的壓力裝置上進(jìn)行沖壓,將被連接的零件擠壓進(jìn)鉚釘內(nèi)部,從而實(shí)現(xiàn)連接件的機(jī)械連接。沖壓鉚接技術(shù)也稱作壓鉚工藝,通過鉚釘或零件受力后發(fā)生塑性變形從而把零件連接起來。沖壓鉚接根據(jù)鉚釘結(jié)構(gòu)不同一般分為鉚釘壓鉀、螺釘壓鉀、螺母壓鉚。鉚釘鉚接是利用鉀釘塑性變形后將幾個(gè)零件連接起來,鉚釘只起連接作用,不作為工作部件使用。鉚釘沖壓鉚接根據(jù)鉚釘受力方式不同還可以分為鉀釘端面沖鉀、鉚釘端面局部沖鉀、鉚釘雙面鉀接和翻邊鉚接。而螺釘壓鉚和螺母壓鉀,是利用零件材料的塑性變形將螺釘或螺母與零件連接起來,且螺釘與螺母通常作為工作部件使用,其實(shí)在整個(gè)沖壓鉀接過程中,無論是鉚釘變形還是材料變形,壓鉚過程都是冷轍過程。
在沖壓鉚接過程中,所需的壓力根據(jù)零件與鉀釘?shù)拇笮〈_定。沖壓鉚接過程需要工裝限位,即通過借助模具才能完成鉚接過程。由于不同的鉚釘所需模具結(jié)構(gòu)不同,模具無法通用。但是沖壓鉚接過程受力迅速,鉚接效率高,可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)外螺紋,而且鉚接點(diǎn)上所連接的材料是相互鑲嵌的,在連接底部既無棱邊也無毛刺,表面光滑,避免了材料產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,故鉀接點(diǎn)可承受較高的動(dòng)載荷。
1.2電阻點(diǎn)焊原理及存在的不足電阻點(diǎn)焊技術(shù)在鋼絲繩生產(chǎn)中大量應(yīng)用,主要是對(duì)鋼絲進(jìn)行焊接,保持鋼絲的連續(xù)性。對(duì)于成品鋼絲繩的電阻點(diǎn)焊,目前在微細(xì)鋼絲繩中有應(yīng)用,但是對(duì)焊接點(diǎn)的直徑控制和焊接點(diǎn)的破斷拉力有相當(dāng)高的要求。而對(duì)采用電阻點(diǎn)焊技術(shù)保證汽車用鋼絲繩接頭焊點(diǎn)連續(xù)不斷,并保持一定的拉脫力還沒有廣泛的研究。電阻點(diǎn)焊工藝是將焊接材料疊成搭接,放置在兩柱狀電極之間予以適當(dāng)壓力,輸送一定的電流與電阻產(chǎn)生電阻熱后熔化母材金屬,形成熔核,從而將需要的焊接材料連接起來的一種焊接方法。電阻點(diǎn)焊工藝在焊接過程中受多方面參數(shù)的影響,如焊接電流、通電時(shí)間、電極電壓、電極頂部直徑等都直接影響熔核的形成。如何將這些參數(shù)優(yōu)化組合,選擇最佳的工藝參數(shù),是電阻點(diǎn)焊的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于小規(guī)格鋼絲繩產(chǎn)品,鋼絲繩的直徑為1.2~
1.8mm,選擇電阻點(diǎn)焊的焊接電流為1500~5000
A,焊接時(shí)間0.02~0.2s,焊接壓力0.1~0.45
MPa,焊接參數(shù)調(diào)試的范圍相對(duì)較窄,因此要求焊接人員的技術(shù)水平相對(duì)較高。
電阻點(diǎn)焊不僅工藝參數(shù)復(fù)雜,工藝控制方法也很復(fù)雜,只有嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù),遵守控制方法才能保證質(zhì)量穩(wěn)定。若在焊接過程中出現(xiàn)工藝參數(shù)控制不當(dāng),就會(huì)產(chǎn)生由于焊穿、虛焊、表面飛濺引起的毛刺、氣孔、裂紋、邊緣焊點(diǎn)、漏焊等缺陷,而且焊接質(zhì)量評(píng)判方法目前只有外觀目視和剝離破壞性檢驗(yàn),加大了質(zhì)量控制的難度
1.3沖壓鉚接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
沖壓鋼接技術(shù)對(duì)于連接件的強(qiáng)度控制是通過沖壓設(shè)備的行程和模具限位來保證,對(duì)操作人員的技術(shù)水平和熟練程度要求不高。質(zhì)量控制可按普通沖壓制作進(jìn)行首檢和過程控制,質(zhì)量穩(wěn)定,不需要采用破壞性檢驗(yàn),且檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用。采用沖壓鉚接技術(shù),在鉚接過程中無需外圍熱量輸入,連接點(diǎn)處的材料表面鍍層也不會(huì)被破壞,和電阻點(diǎn)焊相比較,避免了焊接飛濺及焊接變形,因此沖壓鉚接可實(shí)現(xiàn)多層材料、不同規(guī)格、不同材質(zhì)的連接,在施壓過程中,大大節(jié)省了能耗,降低了噪聲并延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。利用沖壓鉚接的鋼絲繩外觀光滑,無毛刺變形,防腐蝕性能優(yōu)于電阻點(diǎn)焊,工作環(huán)境無污染,能耗低。而且沖壓鉚接可同時(shí)單點(diǎn)或多點(diǎn)連接,自動(dòng)化程度高,可實(shí)現(xiàn)無人或少人化生產(chǎn),生產(chǎn)效率大幅提升8。采用沖壓鉚接技術(shù)連接汽車用鋼絲繩,操作方式簡(jiǎn)單,連接力更穩(wěn)定,且具有節(jié)約能源無污染的技術(shù)特點(diǎn),非常符合環(huán)保和節(jié)能的要求。
2沖壓鉚接技術(shù)應(yīng)用
2.1沖壓鉚接設(shè)備
在沖壓鉚接工藝中,沖壓鉚接的壓力控制穩(wěn)定性是影響沖壓鉚接點(diǎn)的因素之一。沖壓鉚接設(shè)備采用氣動(dòng)沖壓驅(qū)動(dòng)裝置以提高壓力控制的穩(wěn)定性,采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力控制。本次試驗(yàn)對(duì)于沖壓設(shè)備的沖壓力,選取沖壓參數(shù)150、
160、170、180、190、200、210N分別進(jìn)行試驗(yàn),比較不同參數(shù)設(shè)定下鋼絲繩鉚接后拉脫力的大小。
2.2鉚釘和模具設(shè)計(jì)
對(duì)于小規(guī)格鋼絲繩進(jìn)行沖壓鋼接試驗(yàn),鉚釘和模具的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵,決定了鉚接點(diǎn)的質(zhì)量和成品的外觀以及實(shí)用質(zhì)量。鉚釘?shù)脑O(shè)計(jì)主要考慮鉚釘?shù)拈L(zhǎng)度和鉚接后鋼絲繩的拉脫力。鉚釘長(zhǎng)度影響鋼絲繩連接,不同的鉚釘長(zhǎng)度在相同的沖壓力條件下鉀接質(zhì)量不同。以7×7-1.50mm小規(guī)格鋼絲繩為例,鉚釘?shù)拈L(zhǎng)度初步設(shè)計(jì)為5、10和20mm,鉚釘?shù)拈L(zhǎng)度不宜過長(zhǎng),影響鋼絲繩后續(xù)生產(chǎn)的排線和收線。鉚接后鋼絲繩的拉脫力用戶要求1200N,考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),鉚接后鋼絲繩的拉脫力須達(dá)到1500
N.試驗(yàn)設(shè)計(jì)鉚釘?shù)耐庥^如圖1所示,模具外觀如2.3試驗(yàn)結(jié)果
2.3.1鋼絲繩直徑和鉚釘尺寸的最佳匹配
選取的鉚釘長(zhǎng)度均為20mm,鉚釘?shù)膬?nèi)徑為1.8mm,組合不同小規(guī)格直徑的鋼絲繩進(jìn)行沖壓鉚接試
驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)后的鉚接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),具體數(shù)值見表1。鋼絲繩的直徑和鉚釘?shù)某叽绱嬖谧罴训钠ヅ潢P(guān)
系,在相同的鉚釘尺寸情況下,不同鋼絲繩直徑鉚接后,鋼絲繩鉚接點(diǎn)的拉脫力呈現(xiàn)拋物線規(guī)律,其趨勢(shì)
圖如圖3所示。
表1不同鋼絲繩直徑鑰接后的拉脫力
Table 1 Pull-out force atfter riveting of different wire rope diameter鋼絲繩直徑/mm拉脫力/N
1.357201.409321.4514951.5020051.6015261.651035從表1和圖3可以看出,在相同的鉚釘尺寸情
況下,鋼絲繩的直徑選擇和鉚釘尺寸有一定的規(guī)律,雖然所試驗(yàn)的鋼絲繩直徑都小于鉚釘?shù)膬?nèi)徑,但是
當(dāng)鋼絲繩直徑超過1.50mm時(shí),鉚接后鋼絲繩的拉
脫力明顯降低,因此鉚釘尺寸和鋼絲繩直徑匹配的最佳鋼絲繩直徑為1.50mm。
2.3.2鉚釘長(zhǎng)度對(duì)鋼絲繩拉脫力的影響
在鉀釘內(nèi)徑相同的條件下,不同鉚釘長(zhǎng)度的鋼
絲繩鉚接后的拉脫力也不同,試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2不同鉀釘長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的鋼絲繩拉脫力
Table2 Wire rope pull-out force corresponding to different rivet length鉀釘長(zhǎng)度/mm鋼絲繩拉脫力/N
51199101456202001從表2看出,隨著鉚釘長(zhǎng)度的增加,鋼絲繩的拉
脫力有相應(yīng)的增加,但是考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中,鋼絲
繩鉚接后還需要繼續(xù)排線收線,在完全能夠達(dá)到拉
脫力的情況下,選擇鉚釘長(zhǎng)度為20mm最佳。
2.3.3沖壓力對(duì)鋼絲繩拉脫力的影響
在鉚釘長(zhǎng)度和鋼絲繩直徑最佳匹配的前提下,對(duì)7×7-1.50mm鋼絲繩進(jìn)行沖壓鉚接試驗(yàn),并就試驗(yàn)過程的沖壓力進(jìn)行不同組合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同沖壓力對(duì)應(yīng)的鋼絲繩拉脫力也不相同,結(jié)果見表3。在鋼絲繩和鉚釘尺寸不變的情況下,沖壓力的大小和鉚接后鋼絲繩的拉脫力呈一定的線性關(guān)系,如圖
4所示。
從表3和圖4看出,在鋼絲繩直徑和鉚釘尺寸
一定的條件下,沖壓力的增加并不能帶來鋼絲繩拉
脫力的增加,當(dāng)沖壓力在150~190N變化時(shí),鋼絲繩的拉脫力相應(yīng)地呈線性上升,但是當(dāng)沖壓力在
190~210N時(shí),鋼絲繩的拉脫力變化基本處于平穩(wěn)狀態(tài),也就是沖壓力的最佳選擇應(yīng)該在190N左右。試驗(yàn)過程中為確保鋼絲繩的質(zhì)量,選擇200N的沖
3需要改進(jìn)的問題
沖壓鉚接技術(shù)在小規(guī)格鋼絲繩中的應(yīng)用,雖然在鉚釘設(shè)計(jì)工藝、模具設(shè)計(jì)和設(shè)備沖壓方面做了一些研究,但是對(duì)于在小規(guī)格鋼絲繩方面的推廣,還需要進(jìn)一步研究模具的選型和沖壓力的選配,鋼絲繩強(qiáng)度和模具硬度因素分析以及質(zhì)量監(jiān)控的提高。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)沖壓鉚接的鉚釘尺寸、模具選型以及沖壓力的選配。在明確鋼絲繩連接點(diǎn)的強(qiáng)度和最小拉脫力的條件下,制定沖壓鉚接工藝首要工作是選取合適的鉚釘尺寸和模具形狀。沖壓鉚接鉚釘?shù)倪x取主要是通過試驗(yàn)確定,即采用不同長(zhǎng)度的鉀釘,在小樣鋼絲繩上進(jìn)行大量的沖壓鉚接及拉脫力試驗(yàn),通過測(cè)得的沖壓鉚接點(diǎn)拉脫力與設(shè)計(jì)需要的拉脫力進(jìn)行比對(duì)來確定滿足要求的模具及沖壓力,需要耗費(fèi)較多的人力物力和生產(chǎn)成本,因此,在沖壓模具選型及沖壓力選配前期如何通過有效的仿真對(duì)沖壓鉚接過程進(jìn)行研究,獲得合理的沖壓鉚接模具及沖壓力參數(shù),減少后期沖壓鉚接試驗(yàn)及更改耗費(fèi)值得關(guān)注。
(2)沖壓鉚接強(qiáng)度關(guān)鍵因素分析。影響沖壓鉀接強(qiáng)度的因素是多方面的,如鋼絲繩材料性質(zhì)、表面狀態(tài)、沖壓力、沖壓速度、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)等。在眾多參數(shù)中,影響沖壓鉚接強(qiáng)度的關(guān)鍵因素還不明確,導(dǎo)致當(dāng)沖壓鉚接強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)時(shí),很難進(jìn)行合理的分析,難以判斷產(chǎn)生強(qiáng)度波動(dòng)的原因是模具設(shè)計(jì)問題、材料問題還是工藝實(shí)施過程問題,因此,深入研究影響沖壓鉚接強(qiáng)度的關(guān)鍵因素對(duì)設(shè)計(jì)分析并解決沖壓鉚接問題十分必要。
(3)沖壓鉚接質(zhì)量的監(jiān)控?,F(xiàn)有沖壓鉚接技術(shù)是通過測(cè)量鉚接后鋼絲繩的拉脫力來判斷沖壓鉚接點(diǎn)強(qiáng)度是否滿足要求,采用破壞性試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。然而實(shí)際生產(chǎn)中,在2次定期檢測(cè)之間,由于模具磨損等原因,可能產(chǎn)生沖壓鉚接點(diǎn)表面上滿足質(zhì)量要求,但實(shí)際拉脫力減小,從而導(dǎo)致沖壓鉚接點(diǎn)耐持久強(qiáng)度大大降低,嚴(yán)重影響客戶使用,因此,如何在生產(chǎn)過程中有效監(jiān)控沖壓鉚接點(diǎn)的質(zhì)量是急需解決的問題。
4結(jié)語(yǔ)
隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)汽車用鋼絲繩連接的要求越來越高。若不能實(shí)現(xiàn)有效的連接,則會(huì)造成大量的浪費(fèi)。傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊無論是生產(chǎn)工藝還是連接點(diǎn)的質(zhì)量都達(dá)不到用戶需求,而沖壓鉚接技術(shù)不僅可以解決連接點(diǎn)質(zhì)量問題,在能源環(huán)保方面還具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì),因此將沖壓鉚接技術(shù)應(yīng)用在小規(guī)格鋼絲繩上,屬于創(chuàng)新應(yīng)用。