无钉自冲铆接技术在大尺寸钣金件连接中的应用研究

■ 刘波涛，刘琪

随着家电行业对产品结构轻量化及外观精度的要求越来越高，传统钣金件连接方式，如螺纹连接、焊接、胶接、铆钉连接等，由于存在连接易松动、连接表面质量差，以及材质无法焊接等问题，已经无法满足企业的生产需求。一种新型无钉自冲铆接技术逐渐广泛应用在钣金件的连接中。

与传统连接方式相比，无钉自冲铆接技术具有连接强度高、成本低、工序少、便于实现自动化等优点，同时不损伤连接件表面材质，适合难焊、不同材质板料及两层以上板料的连接。

1. 无钉自冲铆接技术原理及特点

无钉自冲铆接是通过凸模的挤压在凹模内使上板料嵌入下板料，实现板件之间互锁的一种高速机械连接工艺。板料铆接成形原理为：上凸模在气液压力驱动下下行，凸模与上板料接触并施加压力，上板料发生局部塑性变形，同时挤压下板料一起朝下凹模内腔流动，最终与内腔壁贴合，此时上凸模镦锻保压一定时间，使上下板料变形固化，形成冲压铆接点，最后上凸模退回，完成上下板料的铆接，其实现过程如图1所示。

与其他钣金连接工艺相比，无钉自冲铆接技术具有以下特点：①铆接点直径1.5～26mm，组合厚度0.4～11mm，单板厚度0.2～4mm。②能完成焊接性差、异种材质、两层或多层、板厚相同或不同的板料连接。③不会对板料的表面镀层或漆层造成破坏，其原有的防护特性不受影响。④板料铆接处的动态强度较高，单点动态疲劳强度远高于点焊，静连接强度与点焊差不多。⑤工序简单，无需预冲孔，可单点或多点同时铆接，便于实现大批量自动化生产。⑥减轻重量，铆接过程不需要额外连接件，同时加工成本比点焊降低40%～70%。⑦铆接过程噪声较小，无有害气体产生，对生产环境没有不良影响。

2. 大尺寸钣金件连接过程难点分析

以某公司EH18风机架组件为例，对大尺寸钣金件连接过程难点进行分析。该风机架由三部分组成：风机架、出风口板及风机架后板，如图2所示。

其中，风机架钣金件尺寸较大，达到360mm×300mm×400mm，材质为厚0.8mm冷轧钢板或镀锌板，由于工件尺寸较大，属于薄壁钣金件，在进行装夹时，存在以下问题：①工装夹具夹紧力需要柔性控制，过大或过小都会引起风机架体的弯曲变形，影响后续铆接精度。②工装夹具的位置及方向需要合理规划，否则影响铆接加工动作和工件装卸。③工件与夹具的接触部位及大小不合适，会造成铆接过程风机架倾斜、移位等。

同时，该风机架铆接点较多，总共有30个点需要铆接，且铆接位置不在同一平面，如图3所示。

对于大尺寸多点铆接钣金件，需要保证铆接点排布合理，铆接部位受力均匀。否则，容易产生铆接变形，造成组合件尺寸偏差，影响后续装配。

3. 无钉自冲铆接技术应用

（1）冲压铆接驱动装置 冲压铆接过程驱动装置的稳定性对铆接质量影响较大。为确保自动压铆过程受力平稳，本系统采用BS50-100-15型气液增压缸作为驱动装置，如图4所示。总行程100mm，其中增力行程15mm；在输入6×105Pa气压时，最大冲压力44kN；6×105Pa气压时，快进行程力11.5kN，返回行程力17kN；含增压行程转换阀（外接式），能够实现自适应的工作增力动作；同时装置含力行程控制节流阀“X”阀，可以调整增压速度；内置压缩空气控制接口G3/4。

图1 板料无钉自冲铆接过程原理

图2 EH18风机架结构组件

图3 EH18风机架铆接尺寸

图4 BS50-100-15型气液增压缸

该型气液增压缸可实现快速小力到位，即“软接触”，可极大限度保护模具及工件不受损伤；增力活塞返程控制采用气簧控制返程，可有效降低工作噪声；同时支持快速返程，提高加工效率；具有自动增力功能，在总行程范围内任一位置，模具一接触工件，即可实现自动增力，无需调整模具。

（2）铆接模具设计 无钉自冲铆接模具主要包括凸凹模，工作时通过上凸模挤压使上板料嵌入下板料，最终在下凹模内形成一定样式接头体，完成上下板材物理连接。

由于EH18风机架组件尺寸较大，需要铆接点较多，为保证连接可靠和铆接过程平稳，铆接模具采用SIMIT标准工艺，16点无铆钉连接设计，如图5所示。铆接模具表面进行调质发黑防锈处理，安装在上下平台。当进行压铆动作时，上下平台与钣金件表面大面积压合，保证铆接部位受力均匀，不会发生变形。工装采用自身可脱离式双柱导向机构，能保证模具重复加工精度。

对于厚0.8mm冷轧板或镀锌板连接及PCM预镀板，无铆钉连接强度（静态强度试验报告）：当用于压铆的折弯边有效宽度不大于12mm，凹模侧连接点径φ=5mm，凸模侧材料为Q235A，厚度0.8 m m；凹模侧材料为Q235A，厚度0.8mm时，抗剪强度τ=1000×0.8J=800MPa；抗拉强度σb=750×0.8J=600MPa（J为材料离散系数）。

（3）EH18风机架铆接过程 EH18风机架组件总共30个点需要铆接，分两个工位完成：分别由工位1—风机架与出风口板铆接专机完成14点铆接（见图6左）；工位2—风机架与风机架后板铆接专机完成16点铆接（见图6右）。

工位1：风机架与出风口板铆接专机主要装置包括2台C型五点铆钳、2台C型两点铆钳、2具驱动增压器、2副五点无铆钉连接模具及工装、2副两点无铆钉连接模具及工装、零件定位夹紧机构和电气控制系统等组成，外观如图7所示。

工位2：风机架与风机架后板铆接专机主要装置包括1具气液增压缸、1台冲压设备机体、下移动滑台、1副16点无铆钉连接模具及工装、电气控制系统等组成，外观如图8所示。

在工作状态下，操作人员将零件放入定位模具中，给出零件到位信号，启动双手按钮开关，工作平台水平移动至加工位置，传感器给出信号，下滑台定位；气液增压缸快进行程工作，上模快速小力到位接触工件，无冲击，无噪声，上模具接触工件，气液增力缸自动转换为力行程，增力行程开始工作对产品压铆加工，直至达到设定压力（指相应油压继电器ZDO达到设定值），表示产品已无铆钉连接完毕合格，油压继电器动作，控制上模返程。

图5 TOX多圆点冲铆模具

图6 EH18风机架结构组件

图7 EH18风机架组铆接专机1

图8 EH18风机架组铆接专机2

若冲压力达不到设定值，表示无铆钉连接未达到设定要求，则上模不能自动返程，此时需按动紧急制动按钮，强制设备返程，由此可提醒操作人员检查原因，从而保证无铆钉连接加工质量合格；该工作方式带增力行程自锁功能，当增力缸快速下降未转换成液压增力状态，若松开双手按钮开关，工作缸可自动返程，若双手按钮开关启动时，工作缸液压增力已经启动（具体为工作压力超过油压继电器ZDO中设定自锁压力），则设备自锁至完成设定压铆力过程，即使此时松开双手按钮开关，设备也自动完成压铆动作后自动返程；调模可以通过转换选择开关，调整至调模状态，进行点动调模处理，同时系统含双向气控单向阀锁紧气路，保证调模过程平稳。

4. 结语

无钉自冲铆接技术具有连接强度高、成本低、工序少，便于实现自动化，对连接件表面质量影响小等优点，非常适合对轻量化和表面加工质量有一定要求的钣金件产品连接。

[1] 黄志超. 板料连接技术进展[J]. 锻压技术，2006，31(4)：119-122.

[2] 张文城，温彤，张杰，等.冲压连接技术及其发展[J].金属铸锻焊技术，2011，40(21)：117-120.

[3] 张金海. 板料冲压连接技术在汽车工业中的应用[J]. 模具技术，2004，(1)：57-59.

[4] 刘瑞军，李双义，张连洪，等.自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用[J].汽车技术，2004，11：33-36.

[5] Liebrecht F. Braunling S.Self_piercing riveted joints and resistance spot welded joints in steel and aluminium[J]. International Body Engineering Conference Detroit, 2002, 10:3-5.

[6] Maofeng Fu, Mallick P K.Fatigue of self-piercing riveted joints in aluminum alloy 6111[J]. International Journal of Fatigue, 2003, 25:183-189.

[7] 唐宽强. TOX连接技术在板件连接中的应用[J]. 新技术新工艺，2013 (2)：124.

[8] 苏州托克斯冲压设备有限公司. TOX：连接现代汽车板件的先进技术[J]. 锻造与冲压,2008 (5)：46-50.

[9] 秦国华，吴竹溪，张卫红.薄壁件的装夹变形机理分析与控制技术[J]. 机械工程学报，2007，43(4)：211-216.

[10] 童伟，石柏军，庄文辉.新型汽车钣金件压力连接方法及设备[J]. 机床与液压，2008(7)：18.