研究表明，當(dāng)整車(chē)質(zhì)量減輕10%時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.8%，加速時(shí)間減少8%，CO排放減少4.5%，制動(dòng)距離減少5%，輪胎壽命提高7%，轉(zhuǎn)向力減小6%。

實(shí)現(xiàn)汽車(chē) 輕量化 的關(guān)鍵是在車(chē)身的制造中大量使用輕金屬和非金屬，而連接這些金屬的最佳方法是采用鉚接技術(shù)。

原有的鉚接工藝都要求對(duì)鉚接材料進(jìn)行預(yù)沖孔，然后再用鉚釘進(jìn)行連接，這樣的鉚接工藝復(fù)雜、外觀(guān)差、效率低且不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

自沖鉚接（SPR）工藝克服了傳統(tǒng)鉚接的弊端，實(shí)現(xiàn)了沖鉚一次完成，為 汽車(chē) 車(chē)身的制造開(kāi)辟了新的途徑。

車(chē)身制造中的自沖鉚接工藝

1.1 實(shí)心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

圖1所示為腰鼓形實(shí)心鉚釘?shù)你T接工藝，其工作過(guò)程為：沖頭推動(dòng)實(shí)心鉚釘向下運(yùn)動(dòng)，鉚釘下部的刃口將鉚接材料沖掉并落入凹模內(nèi)，鉚釘?shù)竭_(dá)凹模后停止運(yùn)動(dòng)；

隨著沖頭的繼續(xù)下行，沖頭下端面的凸臺(tái)將對(duì)鉚接材料加壓，使其發(fā)生塑性變形而向內(nèi)作徑向流動(dòng)，使其緊緊包住鉚釘，形成穩(wěn)定的鎖止?fàn)顟B(tài)。

顯然，這種鉚接工藝如同“咬口”鉚接一樣，被鉚接的兩層材料必須是能發(fā)生塑性變形的金屬。

圖1 腰鼓形實(shí)心鉚釘?shù)你T接工藝

圖2所示為圓柱形實(shí)心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。沖壓時(shí)當(dāng)沖頭行至下止點(diǎn)后，下層的被鉚接材料將充滿(mǎn)鉚釘?shù)沫h(huán)形凹槽內(nèi)，而鉚釘?shù)纳隙嗣鎰t產(chǎn)生“鐓頭”，這樣將兩層材料鉚接在一起。

這種鉚接工藝適用于相同金屬材料間的連接、不同金屬材料間的連接和金屬材料與 非金屬材料間的連接。鉚接后鉚釘兩端頭部均較平滑。

圖2 圓柱形實(shí)心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

采用實(shí)心鉚釘鉚接時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

a. 鉚接相同金屬材料時(shí)，較厚的放在下層；

b. 鉚接不同金屬材料時(shí)，硬度高的材料放在下層；

c. 鉚接金屬材料與非金屬材料時(shí)，將非金屬材料放在上層。

1.2 半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

圖3所示為半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。其工藝過(guò)程為：壓邊圈首先向下運(yùn)動(dòng)對(duì)鉚接材料進(jìn)行預(yù)壓緊，以防止材料在鉚釘?shù)淖饔孟孪虬寄?nèi)流動(dòng)；

然后沖頭推動(dòng)鉚釘向下刺穿上層材料；在凹模與沖頭的共同作用下，鉚釘尾部在下層金屬中張開(kāi)形成喇叭口形狀以鎖止鉚接材料，達(dá)到連接目的。鉚接時(shí)遵循的原則與實(shí)心鉚釘鉚接工藝相同。 在汽車(chē)車(chē)身制造中，考慮到具體的生產(chǎn)環(huán)境、自沖鉚接工藝的特點(diǎn)、連接強(qiáng)度以及應(yīng)用材料的性質(zhì)等，實(shí)心鉚接工藝因有很多局限性，所以在汽車(chē)輕量化生產(chǎn)中主要應(yīng)用半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。

圖3 半空心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

1.3 半空心鉚釘自沖鉚接工藝與點(diǎn)焊工藝連接質(zhì)量的比較

為比較自沖鉚接件與點(diǎn)焊連接件的疲勞性能，對(duì)兩種工藝的連接件進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。

首先對(duì)同一種材料不同厚度的鉚接件與焊接件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試樣尺寸如圖4所示，試樣厚度分別是1.2mm和3.0mm，材質(zhì)為鋁合金5754。

統(tǒng)計(jì)破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。由圖5可知，應(yīng)用自沖鉚接的連接件的疲勞強(qiáng)度均高于焊接件的疲勞強(qiáng)度。

其次，進(jìn)行了不同材料及厚度的鉚接件與焊接件的疲勞試驗(yàn)，試件尺寸如圖6所示，連接材料為厚0.8mm的鍍鋅鋼板和厚2.5mm的高強(qiáng)度鋼板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，自沖鉚接的有鍍層材料的抗疲勞性能比點(diǎn)焊的好，但是連接較厚的高強(qiáng)度鋼材時(shí)其抗疲勞性不如點(diǎn)焊的好。兩種連接方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所列。

圖4 試件尺寸

圖5 鋁合金鉚接件與點(diǎn)焊件的疲勞性能比

圖6 試件尺寸

圖7 不同材料和厚度的鉚接件與點(diǎn)焊件的

表1 兩種連接方法比較

自沖鉚接靜應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度的影響因素

為了更好的制定自沖鉚接工藝，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，必須對(duì)影響鉚接強(qiáng)度的因素進(jìn)行分析和量化，以安排合理的工藝。

對(duì)不同凹模凸臺(tái)高度、不同的鉚釘直徑和長(zhǎng)度、不同的鉚接厚度、不同鍍層厚度的連接件分別進(jìn)行了靜應(yīng)力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，以確定各物理量對(duì)鉚接強(qiáng)度的影響程度。

靜應(yīng)力試驗(yàn)是將測(cè)得的連接件連接點(diǎn)破壞時(shí)的應(yīng)力峰值作為其抗靜應(yīng)力指標(biāo)。試驗(yàn)試件為2塊厚1.2mm的5754鋁合金鉚接件，試件尺寸同圖4，凹模和鉚釘尺寸及形狀如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，連接件的靜應(yīng)力隨凹模凸臺(tái)高度d(0.25mm-0.5mm)鉚釘直徑(3-5mm)、鉚釘長(zhǎng)度(4-5mm、6-6.5mm)、鉚釘材料厚度(1-2mm)的增加而增大，隨鉚釘硬度(410-480HV)的增加而先增大后減小，隨鍍層厚度(1-2mm)的增大而減小。

對(duì)同樣的鉚接件進(jìn)行不同負(fù)荷疲勞試驗(yàn)，各物理量對(duì)疲勞性能的影響與靜應(yīng)力試驗(yàn)基本相同。

圖8 凹模和鉚釘尺寸及形狀

通過(guò)上述分析可知，影響鉚接靜應(yīng)力的主要因素是凹模凸臺(tái)高度和鉚釘長(zhǎng)度，而影響鉚接疲勞性能的主要因素是鉚釘直徑、鉚接厚度和負(fù)荷。

因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要合理的匹配影響鉚接質(zhì)量的基本參數(shù)，使鉚接質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

鉚接工藝的合理制定

鉚接工藝需要根據(jù)所要求的連接強(qiáng)度、使用材料的特性和表面質(zhì)量來(lái)確定。

鉚接工藝確定后再根據(jù)鉚接材料的特性來(lái)選擇相應(yīng)材質(zhì)的鉚釘、凹模的形狀及尺寸、鉚接力的大小，這些數(shù)據(jù)的選擇及匹配通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

為了保證鉚接質(zhì)量，提高鉚接的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)的鉚接形式應(yīng)合理，如圖9中左邊形式。

圖9 鉚接形式優(yōu)劣對(duì)比

a. 避免形成封閉的盒子型截面，如圖9a；

b. 應(yīng)有足夠的鉚接空間便于鉚接設(shè)備操作，如圖9b；

c. 鉚接兩層不同材料時(shí)，將塑性好的材料放在上層；三層以上時(shí)將塑性好的放中間；鉚接相同材料不同厚度時(shí)，將較薄的放在上層，如圖9c；

d. 鉚接點(diǎn)應(yīng)具有一定的受力長(zhǎng)度，如圖9d。

汽車(chē)制造中半空心鉚釘自沖鉚接質(zhì)量的評(píng)價(jià)

半空心自沖鉚接在汽車(chē)車(chē)身制造中的連接質(zhì)量將直接決定車(chē)身的強(qiáng)度。

為了保證車(chē)身各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)采用的鉚接工藝質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確保鉚接具有足夠的靜應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度。

生產(chǎn)實(shí)際中主要通過(guò)對(duì)鉚接點(diǎn)塑性變形區(qū)剖面進(jìn)行直觀(guān)檢查來(lái)評(píng)價(jià)鉚接質(zhì)量，如圖10所示。

圖10 鉚接質(zhì)量評(píng)價(jià)位置示意

a.鉚釘?shù)淖冃谓孛鎽?yīng)成軸對(duì)稱(chēng)，即鉚接后鉚釘要在子午面上均勻變形，如圖10中部位1；

b.鉚釘頭下端面材料不應(yīng)有裂紋，正常情況下鉚釘頭與材料間應(yīng)該充分接觸而沒(méi)有間隙，如圖10中部位2；

c.鉚釘與連接材料之間不應(yīng)有間隙，如圖10中部位3；

d.鉚釘尾部要完全張開(kāi)，保證有足夠的金屬包圍鉚釘?shù)撞?，以便有良好的機(jī)械自鎖性能，如圖10中部位4；

e.下層金屬應(yīng)均勻變形，不出現(xiàn)裂紋或被刺穿情況，如圖10中部位5。

通過(guò)對(duì)自沖鉚接工藝和電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行的各項(xiàng)性能比較可知，凡是難于進(jìn)行焊接的連接都可采用自沖鉚接工藝，而且后者的疲勞極限高于點(diǎn)焊的疲勞極限，完全適用于車(chē)身的使用需要。

在車(chē)身生產(chǎn)中，“自沖”的特點(diǎn)又為快速生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)大批量流水生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

該工藝可用于汽車(chē)底盤(pán)件、汽車(chē)覆蓋件、車(chē)座椅、內(nèi)飾件之間的連接，特別是對(duì)于貨車(chē)車(chē)箱板間的連接有重要的意義。