新材料与工艺手册

[FDS] 流钻连接技术在白车身的应用

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发表于 2019-12-2 10:54:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】本文介绍了流钻的工作原理、设备构成和质量检查,以及流钻在汽车轻量化进程中的重要性,但其普及需要进一步降低成本和优化工艺过程。


流钻,又叫高速流钻或者钻尾螺钉,行业内称为FDS,是基于紧固件原理而研发应用的一项新型机械连接技术。紧固件是基于钻孔工艺制造而成的有螺纹孔或无螺纹孔的金属构件。这个工艺已经有数十年的历史,它是通过使用相对较高的轴向压力将钢制螺钉钻透金属表面,并且螺钉以一定的旋转速度钻进金属表面形成孔洞或者螺纹孔,而不损失任何金属。该技术可以实现单面连接,而且强度较高,性能稳定,因此在汽车车身连接中得到了广泛的应用。

背景意义

随着当代汽车制造领域中材料技术的飞速发展,尤其是车身轻量化的要求,越来越多的新型材料(铝合金碳纤维材料等)被应用到汽车制造中。而新材料的引进给汽车工业带来了一项新的课题,即汽车材料连接技术的革新。

铝合金因其高强度、高延展性、低密度的特点,正被大量应用于汽车制造工业,如奔驰SL级跑车已实现全铝车身。而传统的电阻电焊已不适用于铝材连接,尤其不适用于铝材与钢材的复合连接。新型铝点焊技术需要大电流以击穿铝材表面致密氧化膜,且不宜用于对热敏感的铝材,工艺窗口小,也无法用于不同材料间的连接,应用范围十分有限。

而螺钉具有尖锐的端部,锥形的中部和根部都带有锋利的螺纹。锋利的螺纹高速钻进材料时会产生热量,使材料变软,达到足够的延展性使其易于加工和穿孔。螺钉被推进材料后在下表面入口四周形成较薄的飞边,而在上表面形成通孔。这一过程通常只需要几秒钟。

基于这种工艺,德国的紧固件制造商开发出了钻尾螺钉,它是一种具有自穿刺和挤压效果的紧固件,可钻透2~4层薄板并实现连接。常用的紧固件包括EJOT GmbH公司开发的FDS螺钉,Schrauben GmbH公司开发的Pentaflow螺钉,以及Arnold Umformtechnik公司开发的Flowform螺钉。

工作原理

流钻,北京奔驰内部称其为F L S,其原理在于钻尾螺钉接触工件表面并施加相应的应力和转速后,在摩擦力和轴向应力的作用下,材料表面塑化并开始“流动”;螺钉钻透工件,被挤出的材料在金属板材背面形成堆积;螺钉的轴向力和速度开始减小,前两圈螺纹面开始攻螺纹,形成线程;然后转矩持续增加并达到形成螺纹的转矩,随后转矩降低,螺钉继续拧紧;最后螺钉紧固至固定的转矩,随着连接部分金属的冷却,材料发生收缩,填充螺纹,提高接头完整性。如图1所示。

图1中,步骤1为主轴施加压力与转速使螺钉摩擦加热板材;步骤2为螺钉高速旋转刺入板材;步骤3为板材被穿透,开始形成螺纹;步骤4为降低压力与转速攻螺纹;步骤5为转速与压力进一步降低拧紧螺纹;步骤6为紧固螺钉达到设定转矩。

图1 流钻工作原理

设备构成

FLS(FDS)铆枪系统构成与其他铆接技术系统构成相似,主要由控制柜、铆枪供钉系统、铆枪以及管线等构成。如图2和图3所示。

图2 WEBER的RSF20铆枪系统构成框架
1.送钉控制器 2.FLS控制器 3.接线盒 4.机械手控制器 5.机械手本体 6.FLS枪

1.控制器

控制柜是流钻铆接的主要工艺控制单元。控制柜外部除了常规通信接口、电源接口、开关及旋钮以外,还配有一个人机交互界面。控制柜内部的核心组件为博世公司提供的Rexroth伺服电动机控制驱动,该驱动内置PLC,可对铆枪伺服电动机实现精确的速度控制、位移控制或转矩控制。通过人机交互界面的设置,可以对每一个铆点进行精确的参数控制,为每一步设置精确的转速、扭矩和时间等参数。如图4所示。

图3 FLS铆枪系统构成

图4 控制柜实物图
1.数字I/O 2.以太网开关 3.急停继电器 4.24V供电 5.电闸 6.滤波器 7.内置PLC伺服电动机驱动 8.伺服电动机与电源切断继电器 9.DAIMLER监控系统

2.铆枪本体

枪体主要包括行程气缸、模拟阀组、电动机、传感器、螺钉刀头、压力脚(用于模拟测量)及阀组(用于模拟测量);流钻枪拥有两个气缸,主缸和电力传动里边的小气缸,主缸负责将整枪压到工件上,并且尽量保证工件间隙较小,然后电力传动中的小气缸负责将螺钉压入板件,两个气缸要有一定的气压差,这样便于螺钉打入,目前北京奔驰采用的压力差是0.2~0.4 kN。

3.送钉系统

流钻采用独立的送钉系统,本身带有控制柜,通过送钉管将螺钉由送钉系统传动到铆枪本体内,然后通过固定颚口传动到枪鼻端,从而完成打钉过程。料斗内部装有螺旋轨道,送料时料斗振动并产生磁场,铆钉受磁场作用沿螺旋轨道向上运动进入线性轨道。

参数设置

流钻参数的设置思路在于根据铆钉的结构,采用合理的转速、压力、时间等参数组合,将螺钉打入板材,并且实现螺纹的完全填充。图5所示为螺钉的结构,参数设置参考如图6所示。

一般情况下,设置参数分为啮合步、驱动步和旋紧步,每一步再分解成若干小步骤,以便于参数设置。

啮合步可以保证铆杆的螺纹和铆钉的螺纹完全啮合好,这样保证铆杆完美驱动铆钉旋进板材。驱动步可以保证螺钉旋进板材,并且穿透板材,形成较好的螺纹。

图5 螺钉结构
1.螺钉头 2.负载螺纹 3.螺纹形成区 4.圆柱状区域 5.钻孔区域 6.螺钉尖端

旋紧步可以保证螺钉与板材之间没有间隙,并且需要保证螺钉达到要求的力矩,螺纹达到完全填充,填充度是衡量流钻强度的一个重要指标。

质量检查

一般质量检查包括目视检查,间隙测量以及剔试检测。

1.目视检查

目视检查主要检查铆点的完整性,是否有缺失、断裂、融化等问题。

2.间隙测量

流钻需要保证螺帽和板材间隙不得大于0.3或者0.1mm(具体标准由车体本身强度和预冲孔等具体情况所确定)。间隙测量包括整体间隙和倾斜间隙,间隙对于铆接力矩、密封性以及填充度都有影响。

3.剔试检测

失效形式:螺纹填充金属缺失。

图6 参数设置
1.步骤 2.点号 3.保存并返回上一步 4、9.返回上一步 5.编辑该步骤 6.插入步骤 7.删除步骤 8.监控项目

可能原因:零件问题,转速、转矩过大,如果下层板为比较脆硬的铸铝件,且转速与压力不成比例,转速过大,铆钉的钻入过分依赖于螺纹作用;转速过小,铆钉钻入过分依赖于纵向压力,都会导致螺纹内金属不同程度受力;如果转矩过大,螺纹内金属会在转矩攀升过程中断裂,无法达到良好填充。

措施:排除零件问题,重新编程,找到合理的压力、转速、转矩值。

结语

随着铝合金材料在车身中的广泛应用,铝合金型材以及铸件所占的比例不断增加。对于板件与型材等管状封闭结构的连接,SPR、点焊等双边连接工艺已无法满足。那么Impact和流钻等可以单面连接的工艺,恰好可以填补这个空缺,满足车身连接中的空白。


目前流钻主要是在合资车身上应用比较广泛,自主品牌受制于成本及其他因素,应用比较少。所以需要进一步降低成本,同时优化工艺过程。在流钻的发展过程中,已经升级换代过很多次,铆杆及其他部件也多有改善,但是目前仍然有很大的改善空间。相信在不久的将来,随着铆钉、铆杆等各项铆接部件的发展,流钻会有更广泛的应用。

来源:期刊-《汽车工艺师》作者:北京奔驰汽车有限公司/ 闫旭东 杨博

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