鋁車身自動冷連接技術的柔性應用

戚才人 楊磊 李磊 董雷 畢愿江 趙亞東

摘要：目前市面上針對鋁車身的連接工藝，有自沖鉚接、流鉆螺釘擰緊、無釘鉚接等，在工藝及設備成熟應用的基礎上，探究不同工藝的互換性，滿足各大主機廠對鋁連接技術的柔性需求。主要介紹在已建立的鋁連接試驗陣地中，通過對介質、設備接口的快速通斷，將自沖鉚接設備、流鉆螺釘擰緊設備、無釘鉚接設備實現在同一臺機器人上進行柔性切換的目的。

關鍵詞：自沖鉚接（SPR） 流鉆螺釘擰緊（FDS） 無釘鉚接（CLINCH） 柔性

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220197

Abstract： At present， the connection processes for aluminum body in the market include Self-Piercing Riveting（SPR）， Flow Drill Screw （FDS） tightening， riveting without nails （CLINCH）， etc. Based on the mature application of processes and equipments， this paper explores the interchangeability of different processes to meet the flexible requirements of major OEMs on aluminum connection technologies. The paper mainly introduces the SPR equipments， FDS tightening equipments and CLINCH equipments in the established aluminum connection test facility that can be flexibly switched on the same robot through the rapid on-off of the medium and equipment interface.

Key words： Self-Piercing Riveting （SPR）， Flow Drill Screw （FDS）， CLINCH， Flexibility

1 前言

為實現車身輕量化，同時保證整車剛度及安全性，輕質鋁合金材料在車身上的應用比例越來越高，因此自沖鉚接、流鉆螺釘擰緊、無釘鉚接等適用于鋼鋁材料、全鋁材料的連接技術，在各大主機廠也獲得越來越廣泛的應用。

與鋁制車身的高度普及相同，柔性化生產同樣是汽車產業無法繞開的核心話題，已經上升到所有產線設計的較高優先級，尤其是對于產量較小，生產節拍較長的車型，利用較少的設備投入，完整實現工藝內容，同時提高機器人利用率是降本增效的一個重要途徑。如何在鋁制車身工藝的基礎上，做到設備柔性化應用也是一項值得深入探究的課題。

2 相關技術

2.1 自沖鉚接

自沖鉚接技術（Self-Piercing Riveting，SPR）是通過電機提供動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材。在鉚釘壓力下，鉚接板材和鉚釘發生塑性形變并成形，鉚釘充盈于鉚模之中。自沖鉚接技術擁有更高的抗疲勞強度、扭轉剛度、抗腐蝕性、靜態緊固力，能夠大幅增加車身連接強度。可用于全鋁或鋼鋁混合鉚接。工作過程（圖1）如下。

a.壓緊階段：壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，鉚釘也在沖頭的驅動下垂直向下對板料進行預壓緊。

b.沖刺階段：沖頭向下運動，推動鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時鉚釘也在鉚槍驅使下層板料向凹模內發生塑性變形。

c.成型階段：隨著沖頭向下運動，鉚釘腿部逐漸張開，下層板料發生塑性形變逐漸填充入凹模。在沖頭和凹模的共同作用下，鉚釘腿部嵌入下層板，定型后形成了鉚釘與板料間的機械互鎖結構。

d.沖鉚完成：當沖頭將鉚釘下壓至鉚釘頭與上層板料的上表面緊密接觸且平齊時為鉚接完成，此時壓邊圈釋放壓邊力，沖頭將返回初始位置，沖鉚過程結束。

2.2 流鉆螺釘擰緊

流鉆螺釘擰緊技術（Flow Drill Screw，FDS）是一種使用自動緊固設備和專用流鉆自攻釘，通過摩擦生熱穿透板材，然后攻絲螺接緊固的工藝。可以連接高強鋼、鎂鋁合金等不同種類的材料，可以實現單面連接，可用于封閉型腔，連接強度高，氣密性水密性好，工作環境清潔環保，返修方便，熱融自攻連接工藝在鋼鋁混合的輕量化車身制造的應用上有著特殊優勢。工作過程（圖2）如下。

a.加熱：流鉆螺釘低速旋轉，同時與板件表面接觸，對板件預熱，便于穿透。

b.穿透：螺釘高速摩擦產生高溫，使金屬軟化，沖孔，整個過程持續到螺釘穿過下板料為止。

c.通孔：熱塑性變形階段，螺釘轉速降低并向下運動，形成比金屬板料厚度大的通孔。

d.攻螺紋：降低轉速及壓力，使流鉆螺釘可以在孔內自攻螺紋。

e.擰螺紋：流鉆螺釘正常擰緊。

f.緊固：板件冷卻并與流鉆螺釘緊密貼合，形成一個氣密性和水密性極高的連接。

2.3 無釘鉚接

無釘鉚接技術（CLINCH）是利用板件本身的冷變形能力，對板件進行壓力加工，使板件產生局部變形而將板件連接在一起的一種板件連接技術，這是一種不需要額外連接件的板料連接方式。這種連接方式不需要點焊、鉚接即可實現不同厚度不同材料的兩層或多層板件的最佳連接。連接對板件表面無任何要求，表面有鍍層、噴漆的工件無需處理即可直接連接，并且不損傷工件表面，無連接變形。這種連接廣泛應用于汽車工業中，特別是應用于汽車車體[1]。工作過程（圖3）如下。

a.在無鉚釘連接過程中，凸模首先與上層材料接觸。

b.材料在上模的壓力下，開始往凹模內拉伸變形，同時凹模活動部分向外張開，以使金屬材料充分地在凹模型腔內變形，形成一個緊密的連接點。

c.然后凸模返程，凹模的活動部分在彈簧力的作用下回到原始位置。

3 主要原理

3.1 換槍盤應用

機器人換槍盤是通過機器人自動更換不同的末端執行器，使機器人應用更具柔性，這些末端執行器包含例如焊槍、抓手等。換槍盤包括一個機器人側，用來安裝在機器人手臂上，還包括一個或多個工具側用來安裝在不同末端執行器上。換槍盤能夠讓不同介質例如氣體、電信號、冷卻水等從機器人手臂連通到末端執行器[2]。

本次應用所涉及的換槍盤需滿足SPR、FDS、CLINCH、抓具4種末端執行工具的快速切換，此換槍盤需要具備極高的兼容性，因此設計和構成較為復雜，首先需要了解這4種末端執行工具所需要的水、電、氣介質，根據介質需求（表1），在機器人端換槍盤上預留出不同的介質通道，經過對各類末端執行工具所接線纜種類的同化，最終得出設計結論。

3.1.1 換槍盤-機器人側

換槍盤-機器人側需帶有網絡模塊、電機編碼器電纜接口、電機動力電纜接口、EtherCat電纜接口、網絡電纜接口、弱電電纜接口及一路低壓氣接口（圖4）。

3.1.2 換槍盤-工具側（SPR）

換槍盤-工具側（SPR）需帶有電機編碼器電纜接口、電機動力電纜接口及一路低壓氣接口（圖5）。

3.1.3 換槍盤-工具側（FDS）

換槍盤-工具側（FDS）需帶有電機編碼器電纜接口、電機動力電纜接口、弱電電纜接口、EtherCat電纜接口及一路低壓氣接口（圖6）。

3.1.4 換槍盤-工具側（CLINCH）

換槍盤-工具側（CLINCH）需帶有電機編碼器電纜接口、電機動力電纜接口、弱電電纜接口、網絡線纜接口（圖7）。

3.2 停靠站的應用

為匹配機器人換槍盤的使用，需要設置對應4種末端執行工具的停靠站（圖8），相當于末端執行工具的存儲站，每個停靠站根據工具的外形特點設計制造非標準支架，可供工具放置其上，并配有到位檢測開關，通過接收、發射信號，驅動機器人進行下一步動作；換槍盤系統的機器人側和工具側翕合時，需要保證匹配精度，要保證2個工具的配合位置的清潔，不能存在由于長期放置積累灰塵和焊接時發生飛濺污染，因此需要配備工具接合處的防護組件。

3.3 設備集成

3.3.1 SPR設備集成

SPR設備由控制系統、送釘系統、槍體系統3部分構成，機器人通過換槍盤與鉚槍連接（圖9）。

控制系統組成部分包括有控制器、人機交互顯示屏，其中控制器與自動區PLC實現信息互通，可將鉚接參數上傳至上位系統，操作人員可以通過人機交互顯示屏對鉚接過程的行程、速度、預壓時間、壓力參數進行設定和調試。

送釘系統組成部分包括有送料器、送釘管、充釘站，其中送料器常與控制器放置在一起，可容納大批量的同種鉚釘，設備運行時，送料器將小批量的鉚釘通過送釘管充入自動區內的充釘站中，充釘站相當于送料器與槍體上的鉚釘彈夾媒介。

槍體系統組成部分包括有鉚槍主體、鉚釘彈夾、接收器、凹模，鉚槍工作時，槍體運行到充釘站處，充釘站將鉚釘小批量充入鉚釘彈夾中，鉚釘彈夾將鉚釘逐個送入到接收器內，槍體閉合將鉚釘充入凹模，即完成鉚接過程。

3.3.2 FDS設備集成

FDS設備由控制系統、送釘系統、擰緊系統3部分構成，機器人通過換槍盤與擰緊槍連接（圖10）。

控制系統組成部分包括有控制器、人機交互顯示屏，其中控制器與自動區PLC實現信息互通，可將擰緊參數上傳至上位系統，同時可儲存5 000組擰緊數據，操作人員可通過人機交互顯示屏對擰緊過程的轉速、扭矩、深度、間隙補償參數進行設定和調試。

送釘系統組成部分包括有送料器、送釘管，其中送料器常與控制器放置在一起，可容納大批量的螺釘，設備運行時，送料器通過送釘管，將螺釘送入擰緊槍中；擰緊槍工作時，將送料器吹送的螺釘壓緊并擰入板材中，即完成擰緊過程。

3.3.3 CLINCH設備集成

CLINCH設備由控制系統、槍體系統2部分構成，機器人通過換槍盤與鉚槍連接（圖11）。

控制系統內置質量監控系統，通過力-位移-圖的形式，監控鉚點的質量，同時儲存相關數據。

槍體系統組成部分包括鉚槍主體、凸模、凹模、脫模組件，采用凸模驅動方式，實現單點連接，一次沖壓加工完成一個點連接。

4 應用分析

4.1 線體布局

在自動區中將所有連接工具集成在一起（圖12），在8.5 m×6.5 m的自動區內，機器人置于七軸軌道上，并與換槍盤機器人側相連接；SPR、FDS、CLINCH 3種連接工具分別置于對應的工具停靠站上，并與換槍盤工具端相連接；工裝夾具置于上件料口，與地面定位系統相配合，保證夾具整體定位精準。

4.2 線體運行

自動區在料口處設有工裝夾具定位系統，AGV將不同的夾具送入料口，通過定位系統對夾具進行精定位，以滿足自動焊接的需求。

夾具精定位后，通過PLC對整個工作站進行自動化控制，系統識別出夾具種類后，即可調用出與此夾具所對應的機器人程序。例如，系統識別出此套夾具板材需要SPR工藝焊接，機器人則運行至SPR鉚槍停靠站，通過換槍盤與鉚槍相連接后，再運行至夾具進行鉚接，直至鉚接過程結束，機器人將再次運行至SPR鉚槍停靠站，換槍盤脫開，將鉚槍放入停靠站后，機器人回歸原點。

以此，機器人通過預設好的程序，即可柔性切換不同的連接工具，并可做大范圍拓展，根據板材、料厚的不同種類，快速切換連接工具組件。例如，SPR鉚鉗可通過切換鉚釘彈夾、接收器、凹模等組件，可兼容不同直徑、不同長度的鉚釘使用；FDS擰緊槍可增加送料器，可兼容不同直徑、不同長度的螺釘；CLINCH鉚槍，可通過切換凸模、凹模，實現不同板材、料口的鉚接工藝。

自動區在運行鋁車身連接技術柔性應用的同時，也可拓展為鋁車身連接的試驗陣地，可兼容不同板材、不同工藝的連接試驗。連接設備本身具備數據采集擴展功能，在試驗過程中，連接不同工藝、板材、料厚所設置的參數，可上傳到數據庫中，并通過數據庫互聯實現與工廠MES/ERP系統連接，實現各層級間的數據互聯，用以增強技術儲備，同時支撐不同車身產品的前期研發試制工作。

5 結束語

在熟悉一種工藝設備應用的基礎上，應當做更深層次的探究，未來的生產模式更趨近于柔性化、定制化，因此相關的的研究也就勢在必行，更快更好地掌握核心技術，就可以在行業競爭中掌握先機。

參考文獻：

[1] 趙升噸， 徐凡， 范淑琴， 等. 交流伺服直驅無鉚釘連接技術研究[J]. 鍛造與沖壓， 2012（22）： 5-5.

[2] 造車網.機器人工具快換裝置與柔性制造[EB/OL]. （2009-2-17）[2022-09-04]. https：//www.zaoche168.com/auto/_01-ABC00000000000116105.shtml.