射釘鉚接技術的質(zhì)量評價與優(yōu)化

閆旭東

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

在過去的車身生產(chǎn)過程中，由于都是使用鋼板，連接手段也相對單一，主要圍繞電阻點焊進行連接。雖然在電阻點焊的基礎上發(fā)展出了單邊焊接、鋁點焊等其他焊接手段，但是仍然難以彌補新材料尤其是鋁合金、碳纖維以及復合材料帶來的異種材料連接難題。因此機械連接等新型連接手段的使用具有一定的必要性。

由戴姆勒和德國博爾豪夫緊固件公司合作推出的Impact技術，即射釘鉚技術，由于其高效的連接效率，以及靈活的使用空間，得到了廣泛的應用。但是由于連接時噪聲極大，Impact技術特別配備了隔音房。投入如此巨大，必須保證射釘鉚技術在設備和質(zhì)量方面的可靠性和穩(wěn)定性。

這里討論其質(zhì)量評價，以及通過實驗得出的一系列優(yōu)化措施。

質(zhì)量評價標準

對于Impact技術的質(zhì)量控制，需要從這項技術所要實現(xiàn)的功能，以及剔試金相實驗來做一說明。Impact技術主要連接的是高強鋼和鑄鋁，以及鋁板件和鑄鋁件的連接，因此鑄鋁件是其中最重要的母材。由于是單面連接，且會破壞零件表面，因此存在脫落和滲水的可能性，需要與涂膠配合使用，所以如何保證在膠固化起作用之前保持其功能性是關鍵，這也是退釘力考核的由來。

如圖1所示，退釘力考核的標準目前已經(jīng)提高到0.22kN，因此需要對影響退釘力的諸多因素進行實驗分析，確定最佳參數(shù)和位置，給出鉚釘標準，并保持設備處于最佳狀態(tài)。

圖1 退釘力考核

研究步驟如下：

1）保持鉚點位置、鉚槍狀態(tài)和鉚釘狀態(tài)一致的情況下，改變主氣缸活塞壓力，尋找最佳壓力最佳區(qū)間。

2）保證壓力不變、鉚槍狀態(tài)及鉚釘都不變的情況下，調(diào)整鉚釘位置，查看距離加強筋和零件法蘭邊的最優(yōu)間距。

3）退釘力不足時，凍結鉚釘并測量，提出改善意見。

4）保持壓力和鉚槍位置不變，實驗不同S2狀態(tài)下的退釘力表現(xiàn)。

5）確定壓力、位置、設備及鉚釘?shù)淖顑?yōu)數(shù)據(jù)，論證實驗，進行推廣。

實驗過程及結果

1.確定主氣缸壓力最優(yōu)區(qū)間

與電阻點焊及其他機械連接技術不同，Impact是以純氣動為能量源頭的連接手段，保證鉚釘進入板材的主要動力來自于主氣缸，最大壓力可達到0.8MPa。由于一般工廠壓力最高是0.7MPa，因此需要增壓泵來保證鉚接的穩(wěn)定和持續(xù)性。

實驗中選取的鉚釘是某車型后端橫梁上的10個鉚點，該位置在過去的退釘力統(tǒng)計中不足情況占比較高：利用具有代表性的鉚點，做一組對比實驗，在鉚點位置、鉚槍狀態(tài)及鉚釘都不變的條件下，得出表1所示結果。

從表1中可以看到，藍色區(qū)間是鉚槍的初始壓力，綠色是進行了微調(diào)整的壓力（±0.03MPa之內(nèi)），黃色區(qū)域進行了較大的增加，分別為0.04MPa、0.05 MPa和0.06MPa，橙色區(qū)域是降低壓力，在0.04～0.06MPa，得出結果是黃色開始出現(xiàn)退釘力不足情況，而橙色則出現(xiàn)鉚接間隙太大的問題。

表1 10個鉚點經(jīng)過4次調(diào)整的結果對比

由此得出結論：主氣缸壓力過大或者過小都會導致退釘力不足的情況出現(xiàn)，并且得出了以上10個鉚點的最佳參數(shù)。以61226279鉚點為例，得出鉚接壓力與退釘力的關系（見圖2），并且通過拉力實驗得出強度關系，以便佐證實驗結果。

圖2 主氣缸壓力與退釘力關系

從實驗結果得出調(diào)試的方法，并且可以為所有鉚點找到最佳的主氣缸壓力區(qū)間，從而有效的保障質(zhì)量需求，防止退釘力不足的情況發(fā)生。如圖2所示，61226279的最佳壓力在0.54MPa±0.03MPa，由此可以得出其他鉚點的最佳數(shù)值。

2.鉚點最佳位置的分析研究

根據(jù)板材實驗結果，鉚釘距離加強筋邊距aR≥3mm即可，這種情況比較適用的是加強筋距離L≤9mm的情況，因為鉚釘直徑為3mm。那么對于L≥9mm的情況，是否打在正中間更好呢？通過實驗驗證并非如此。

通過表2及圖3所示，加強筋位于零件內(nèi)部，部分鉚點可以借助內(nèi)窺鏡查看位置，但是無法測量。雖然大部分鉚點處于監(jiān)控盲點，但是還能通過對比實驗發(fā)現(xiàn)鉚點距離加強筋太近或者太遠都不合適。

表2 鉚點與加強筋距離與退釘力關系

圖3 距離太近導致炸開

上述對比圖示說明了距離aR需要滿足的四種要求：aR≤3mm時，容易破壞加強筋強度；3mm≤aR≤7mm時，背部容易炸開；9mm≤aR≤13mm時，區(qū)間合適，不需要太大壓力（見圖4）；aR≥13mm時，距離另外一邊太近。

圖4 距離保持在10～13mm正合適

根據(jù)公式及實驗結果，得到退釘力與邊距相對關系曲線（見圖5）。

圖5 邊距aR與退釘力F關系

綜上所述，距離加強筋9～13mm為最佳區(qū)間，其余區(qū)間均存在風險。從金相和板材變形方面分析造成這種情況的原因，發(fā)現(xiàn)是因為距離加強筋太近，需要的壓力大，從而會導致背部炸開。

以61226279點為例，aR≤7mm，需要壓力P≥（5.4+0.3）MPa，根據(jù)上述實驗結果，背部很容易炸裂，這樣把兩部分實驗進行了統(tǒng)一，取得了預期的效果。

3.鉚槍S2與退釘力的關系

Impact鉚槍是利用氣動原理，通過比例閥精確控制氣壓大小，從而實現(xiàn)每一個鉚點都可以單獨控制的效果。但是實際工作中，高壓會對其中的緩沖塊造成磨損，如何補償這種磨損，就需要定期對鉚槍進行S2檢測。

如圖6所示為鉚釘從打入到鉚槍離開過程中，鉚桿的位置情況。在整個打點過程中，鉚桿行程152mm，鉚釘端高度1.7mm，鉚桿比彈夾的平面縮回約0.2mm，因此S2的補償距離應該是：HS2=H-L鉚桿=1.7-0.2=1.5mm，其中H是鉚釘端高度，L鉚桿是初始位置鉚桿比彈夾縮回的距離，如果鉚桿超出彈夾，那么就會卡釘。

如圖7所示為S2的原理和檢查調(diào)整方式，如果緩沖塊磨損，導致S2變小，就會導致鉚桿伸出過長，將鉚釘打得更深，從而導致下層板炸裂。

通過實驗，得出其公差帶約為0.05mm，并有如下結果：HS2≤1.45mm時，鉚桿伸出過長，退釘力不足；1.45≤HS2≤1.55mm時，符合標準；HS2≥1.55mm時，可能出現(xiàn)間隙，需進行返修。

實驗結果

本研究通過對比實驗，采集數(shù)據(jù)，找到了影響退釘力的最佳壓力區(qū)間、位置區(qū)間及設備調(diào)整狀態(tài)，避免了剔試質(zhì)量問題的發(fā)生。同時，一系列的改善，極大降低了現(xiàn)場質(zhì)量報錯和質(zhì)量停機故障（見圖8）。對于Impact技術質(zhì)量評價和優(yōu)化，提出了一定的解決思路。

結語

本次研究探究了退釘力不足的形成機理以及相關影響因素，尤其是通過建立數(shù)學模型，采集大量數(shù)據(jù)，通過對比實驗，來考證究竟這些因素是如何影響退釘力的。退釘力不足的問題，可能會導致鉚釘脫落，因此這一問題的徹底解決，也能避免更大的質(zhì)量問題。文中提到的問題都是趨勢性的，在面對個別問題時，還需要進一步研究其特殊情況。