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

實現(xiàn)汽車 輕量化 的關(guān)鍵是在車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鉚接材料進行預(yù)沖孔，然后再用鉚釘進行連接，這樣的鉚接工藝復(fù)雜、外觀差、效率低且不易實現(xiàn)自動化。

自沖鉚接（SPR）工藝克服了傳統(tǒng)鉚接的弊端，實現(xiàn)了沖鉚一次完成，為 汽車 車身的制造開辟了新的途徑。

車身制造中的自沖鉚接工藝

1.1 實心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

圖1所示為腰鼓形實心鉚釘?shù)你T接工藝，其工作過程為：沖頭推動實心鉚釘向下運動，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_凹模后停止運動；

隨著沖頭的繼續(xù)下行，沖頭下端面的凸臺將對鉚接材料加壓，使其發(fā)生塑性變形而向內(nèi)作徑向流動，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 腰鼓形實心鉚釘?shù)你T接工藝

圖2所示為圓柱形實心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝。沖壓時當(dāng)沖頭行至下止點后，下層的被鉚接材料將充滿鉚釘?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 圓柱形實心鉚釘?shù)淖詻_鉚接工藝

采用實心鉚釘鉚接時應(yīng)遵循以下原則：

a. 鉚接相同金屬材料時，較厚的放在下層；

b. 鉚接不同金屬材料時，硬度高的材料放在下層；

c. 鉚接金屬材料與非金屬材料時，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。其工藝過程為：壓邊圈首先向下運動對鉚接材料進行預(yù)壓緊，以防止材料在鉚釘?shù)淖饔孟孪虬寄?nèi)流動；

然后沖頭推動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形成喇叭口形狀以鎖止鉚接材料，達到連接目的。鉚接時遵循的原則與實心鉚釘鉚接工藝相同。 在汽車車身制造中，考慮到具體的生產(chǎn)環(huán)境、自沖鉚接工藝的特點、連接強度以及應(yīng)用材料的性質(zhì)等，實心鉚接工藝因有很多局限性，所以在汽車輕量化生產(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焊工藝連接質(zhì)量的比較

為比較自沖鉚接件與點焊連接件的疲勞性能，對兩種工藝的連接件進行了疲勞試驗。

首先對同一種材料不同厚度的鉚接件與焊接件進行疲勞試驗，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)計破壞時的循環(huán)次數(shù)，試驗結(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度均高于焊接件的疲勞強度。

其次，進行了不同材料及厚度的鉚接件與焊接件的疲勞試驗，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的高強度鋼板。實驗結(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焊的好，但是連接較厚的高強度鋼材時其抗疲勞性不如點焊的好。兩種連接方法的優(yōu)缺點比較如表1所列。

圖4 試件尺寸

圖5 鋁合金鉚接件與點焊件的疲勞性能比

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)力和疲勞強度的影響因素

為了更好的制定自沖鉚接工藝，滿足設(shè)計強度，必須對影響鉚接強度的因素進行分析和量化，以安排合理的工藝。

對不同凹模凸臺高度、不同的鉚釘直徑和長度、不同的鉚接厚度、不同鍍層厚度的連接件分別進行了靜應(yīng)力試驗和疲勞試驗，以確定各物理量對鉚接強度的影響程度。

靜應(yīng)力試驗是將測得的連接件連接點破壞時的應(yīng)力峰值作為其抗靜應(yīng)力指標(biāo)。試驗試件為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。

實驗結(jié)果表明，連接件的靜應(yīng)力隨凹模凸臺高度d(0.25mm-0.5mm)鉚釘直徑(3-5mm)、鉚釘長度(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。

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

圖8 凹模和鉚釘尺寸及形狀

通過上述分析可知，影響鉚接靜應(yīng)力的主要因素是凹模凸臺高度和鉚釘長度，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)所要求的連接強度、使用材料的特性和表面質(zhì)量來確定。

鉚接工藝確定后再根據(jù)鉚接材料的特性來選擇相應(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)的選擇及匹配通過試驗測得。

為了保證鉚接質(zhì)量，提高鉚接的強度，設(shè)計的鉚接形式應(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，將塑性好的材料放在上層；三層以上時將塑性好的放中間；鉚接相同材料不同厚度時，將較薄的放在上層，如圖9c；

d. 鉚接點應(yīng)具有一定的受力長度，如圖9d。

汽車制造中半空心鉚釘自沖鉚接質(zhì)量的評價

半空心自沖鉚接在汽車車身制造中的連接質(zhì)量將直接決定車身的強度。

為了保證車身各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，必須對采用的鉚接工藝質(zhì)量進行評價，以確保鉚接具有足夠的靜應(yīng)力和疲勞強度。

生產(chǎn)實際中主要通過對鉚接點塑性變形區(qū)剖面進行直觀檢查來評價鉚接質(zhì)量，如圖10所示。

圖10 鉚接質(zhì)量評價位置示意

a.鉚釘?shù)淖冃谓孛鎽?yīng)成軸對稱，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，保證有足夠的金屬包圍鉚釘?shù)撞?，以便有良好的機械自鎖性能，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。

通過對自沖鉚接工藝和電阻點焊工藝進行的各項性能比較可知，凡是難于進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焊的疲勞極限，完全適用于車身的使用需要。

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

該工藝可用于汽車底盤件、汽車覆蓋件、車座椅、內(nèi)飾件之間的連接，特別是對于貨車車箱板間的連接有重要的意義。