基于正交試驗的鋁合金無釘鉚接工藝優化

王健強,　蘇安鵬,　郭婷婷,　牛趙龍

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009; 2.安徽巨一自動化裝備有限公司,安徽 合肥　230031)

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基于正交試驗的鋁合金無釘鉚接工藝優化

王健強1,蘇安鵬1,郭婷婷1,牛趙龍2

(1.合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009; 2.安徽巨一自動化裝備有限公司,安徽 合肥230031)

為了控制鋁合金車身裝配的尺寸精度,文章對鋁合金無釘鉚接工藝中板件翹曲變形的影響因素進行了研究。針對 ENAW5754鋁合金板件,基于正交試驗研究了鉚接角度、凹模位置以及鉚點間距對該工藝中板件翹曲變形的影響規律,分析了影響板件翹曲變形的關鍵因素,并得出了1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754連接的最優工藝參數組合。結果表明:鉚接角度對板件翹曲變形的影響最大,變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對其影響次之,變形量隨凹模與板件間距離的減小而減小;鉚點間距對其影響不明顯。

鋁合金;無釘鉚接;翹曲變形;正交試驗

近年來,鋁合金材料憑借低密度、高強度、良好的耐蝕性、較好的碰撞吸能效果等優點,在白車身制造領域得到了廣泛的應用[1-2]。但由于鋁與鋼在導熱率、熔點、熱膨脹系數等性質之間的差異,使得鋁合金材料難以應用于傳統的白車身點焊連接工藝[3-4]。無釘鉚接是一項較新的連接技術,可以實現相等或不等板厚的2層或多層板件連接,適用于鋼材、鋁材及非金屬材料;該工藝是冷擠壓連接,無熱變形、微觀損傷以及應力集中等現象;連接點的靜態抗剪、抗拉強度高;對于有鍍層板件來說,鉚接過程中連接點處的鍍層隨板件一起產生塑性變形,不破壞其原有的防銹防腐蝕特性[5]。目前,奧迪A6L前后門、奧迪Q5前后蓋等產品的連接均采用該技術。

本文通過正交試驗研究了鉚接角度、凹模位置和鉚點間距對板件翹曲變形的影響規律,對控制鋁合金車身裝配的尺寸精度具有一定的指導意義。

1　無釘鉚接

無釘鉚接成形過程參見文獻[6-7]。板件定位完成后,壓邊圈首先向下運動將板件預壓緊；然后進入鉚接初始拉伸階段,凸模向下運動,給上下板件一定的擠壓力,上板與凸模接觸的部分發生彈性彎曲變形；隨著凸模的運動,上下板受到凸模端面及圓角、凹模內側面和凹模端面的擠壓,晶格被壓縮,組織被強化,在彈性變形和塑性變形的作用下形成上部輪廓。

隨著凸模繼續下行直至其運行到死點,進入鉚接擠壓和填充階段。由于凹模的環形凹槽對下板圓角處無約束力,材料在擠壓力的作用下產生流動,填充環形凹槽；凸模的繼續增壓導致凸凹模和上下板間壓力繼續增大,當摩擦力達到一定值后,上下板料將向外流動,此時上下板料相互咬合在一起,形成特定的接頭形狀。隨后的墩鍛保壓階段中,上下板受到凸模充分的擠壓作用,板料呈放射性的流動趨勢,兩層板料形成燕尾狀相互內嵌自鎖的接頭,實現板件的連接。隨后凸模上行返回,完成退模階段。

2　正交試驗方案設計

2.1試驗設備和試驗因素

本文以1.0 mm ENAW5754鋁合金板件作為研究對象,利用某公司搭建的無釘鉚接試驗平臺進行試驗。該平臺主要由TOX氣液增力缸式機器人鉗(鉚槍)、機器人、機器人控制柜和夾具臺組成,如圖1所示。

圖1　無釘鉚接試驗平臺

無釘鉚接的成型過程中,由于凸模充分的擠壓作用,板件受到沿Z軸負向的沖擊力作用,在板件XOY面形成壓力,松開夾具后板件在該面內發生延展,必然會在Z方向上產生翹曲變形,如圖2所示。翹曲變形會影響板件表層曲面的連續性和光滑性,且結構具有脆性,不僅影響產品的裝配精度,也降低了使用壽命。

圖2　板件翹曲變形示意圖

車身門蓋的內外板通常帶有一定曲率,造成現場示教過程中鉚槍與板件的垂直度偏差,此時發現板件在鉚接后發生較明顯的翹曲變形。機器人的重復定位精度會影響凹模與下板的貼合情況,造成兩者之間存在微小間隙或產生輕微擠壓,從而對板件的受力情況產生影響,易使其發生翹曲變形。實際生產中,多鉚點情況下板件各點的翹曲變形量相互影響,易造成產品的大面積凹陷變形。因此,本文試驗選取鉚接角度、凹模位置和鉚點間距作為試驗因素,通過正交試驗研究其對無釘鉚接工藝中板件翹曲變形的具體影響規律。

2.2試驗原理

試驗板件采用1.0 mm ENAW5754鋁合金薄板,截面尺寸為200 mm×25 mm,鉚點數量為2個,選用L9(34)正交表進行試驗[8]。

規定鉚槍與圖2中YOZ平面的偏角為鉚接角度,共選取0°、2°、3.5° 3個水平;規定凹模與下板間存在一定間隙時值為正，剛好接觸下板時值為0;將板件向上稍微頂起一定高度時值為負,凹模位置共選取0.5 、0、-0.5 mm 3個水平;2個鉚點位置與板件中心左右對稱,鉚點間距共選取30、45、60 mm 3個水平。

試驗前,在板件表面的夾緊點之間按等間距繪出5個測量點。裝夾完成后,利用高度尺測出各點相對于夾具臺的高度值;同理,在鉚接完成后測出5點的相對高度值,以所得高度差作為評價翹曲變形程度的依據,如圖3所示。

L9(34)型正交表共計9組試驗,每組試驗各做10次,取最大翹曲變形量的平均值記入正交表中試驗結果一欄。

圖3　測量點分布、板件裝夾及高度測量

3　試驗結果分析

按照正交試驗方法,在不同因素、不同水平下進行試驗,分別通過極差分析法和方差分析法處理數據,得到試驗結果見表1 所列。

不同因素、不同水平下試驗結果變化規律如圖4所示。

表1　正交試驗結果

圖4　板件翹曲變形量因素-指標趨勢

由表1可知,鉚接角度對板件翹曲變形的影響最大,板件翹曲變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對其影響次之,板件變形量隨凹模與板件間的距離減小而減小;鉚點間距對其影響最小,改變鉚點間距對控制板件變形量影響不大。

采用方差分析法計算出因素變動平方和與誤差變動平方和,并利用F分布表進行因素顯著性檢驗。F分布的臨界值為：F0.05(2,2)=19.00;F0.1(2,2)=9.00;F0.25(2,2)=3.00。比較表1中各因素F值與臨界值可知,F0.05(2,2)>FA>F0.1(2,2)>FB>F0.25(2,2)>FC。

方差分析法區分了因素水平變化引起的試驗數據差異和誤差引起的試驗數據差異,提供了考察因素作用是否顯著的標準。顯著性檢驗結果表明,鉚接角度的改變對板件翹曲變形有顯著影響,凹模位置的改變對板件翹曲變形有一定影響,而鉚點間距的改變對其無顯著影響。進一步驗證了各因素水平改變對板件翹曲變形影響程度主次的結論。

凹模位置為負值時可將板件沿Z軸正方向頂起,產生一定的彈性變形,同時給予板件一定的壓力,對板件做出反變形補償,從而有效控制翹曲變形量。從4號、7號和8號試驗組可以看出,變形量均未超過0.5 mm,滿足實際生產中對板件翹曲變形控制的要求。因此,選用較小值的凹模位置可以有效地控制板件的翹曲變形。

過大的鉚接角度偏差會使凹模與下板無法完全貼合,增大了凸模對板件的沖擊力和壓力,造成嚴重的翹曲變形。從3號和6號試驗組可以看出,變形量過大,均超過1 mm。9號試驗組同樣采用3.5°進行鉚接,但由于凹模位置值較小,板件變形量比3號和6號試驗組小。

通過以上分析可知,當角度偏差不大時,可通過改變凹模位置控制板件的翹曲變形。通過對比2號、5號和8號試驗組可以發現,8號組的板件最大變形量小于0.5 mm,顯然是由于選用了更小的凹模位置。

為此本文針對凹模位置補充了大量試驗。選取鉚接角度0°和鉚點間距30 mm,凹模位置值在-1.50～0.75 mm范圍內每間隔0.25 mm取1個值,進行10組試驗,得到凹模位置對板件變形的影響情況，如圖5所示。

圖5　凹模位置對板件翹曲變形的影響

從圖5可以看出,凹模位置為負值時的板件變形量明顯小于其為正值時的變形量,且當該值小于-0.50 mm時,變形量仍有明顯的減小趨勢。當凹模位置值為-1.00、-1.25、-1.50 mm時,變形量均小于正交試驗最優結果7號組的0.26 mm,但試驗過程中發現,當凹模位置值為-1.50 mm時,板件在鉚接前已產生塑性變形。因此,凹模位置值選用-1.00 mm最為合適。

4　結　　論

鉚接角度是影響無釘鉚接工藝中板件翹曲變形的最主要因素,板件翹曲變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對其影響程度次之,變形量隨凹模距板件距離減小而減小;鉚點間距對其無顯著影響。

1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754板件組合的無釘鉚接最優結果為7號試驗組,結合補充試驗獲得最優工藝參數組合,即采用0°鉚接角度、凹模位置-1.00 mm、鉚點間距30 mm。當鉚槍無法垂直鉚接板件時,在保證-1.00 mm凹模位置的情況下,可允許存在不超過2°的鉚接角度偏差。

[1]周偉.基于拓撲優化與靈敏度分析的客車車身輕量化研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2013,36(4):406-409.

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[3]唐寬強. TOX連接技術在板件連接中的應用[J].新技術新工藝,2013(2):1-3.

[4]鐘麗慧,孔淑華,劉志鋼.沖鉚技術在汽車行業上的應用與控制[J].電焊機,2013,43 (2):111-116.

[5]黃志超,劉曉坤,夏令君,等.自沖鉚接、無鉚釘鉚接與電阻點焊強度對比試驗研究[J].中國機械工程,2012,23 (20):2487-2491.

[6]徐正昭.無鉚釘連接成形規律及其工藝研究[D].桂林:桂林電子科技大學,2014.

[7]韓永志,陳忠家,何艷生.5A02鋁合金板料深沖有限元模擬與實驗研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2009,32(7):992-995.

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(責任編輯胡亞敏)

Process optimization of clinching of aluminum alloy sheet metal based on orthogonal experiment method

WANG Jianqiang1, SU Anpeng1, GUO Tingting1, NIU Zhaolong2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui JEE Automation Equipment Co. , Ltd. ， Hefei 230031, China)

To control the dimension of aluminum alloy car body assembly, the factors affecting the warping in clinching of aluminum alloy sheet metal were studied. In view of the ENAW5754 aluminum alloy sheet, the impact of the angle, position of die and distance between riveting points on warping was investigated by using the orthogonal experiment method, the key factors affecting warping were researched, and the optimal process parameters for the 1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754 combination were analyzed. The results show that the angle has the greatest influence on warping and the deformation increases with the increase of angle. The position of die has less influence on warping and the deformation decreases with the decrease of the distance between die and sheet. The distance between riveting points has no obvious influence on warping.

aluminum alloy; clinch; warping; orthogonal experiment

2015-03-27；

2015-05-11

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAF06B01);國家智能制造裝備發展專項資助項目(發改辦高技[2011]2548號)

王健強(1964-),男,浙江寧波人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.001

TG938

A

1003-5060(2016)08-1009-04