基于正交試驗(yàn)的鋁合金無(wú)釘鉚接工藝優(yōu)化

王健強(qiáng),　蘇安鵬,　郭婷婷,　牛趙龍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽 合肥　230009; 2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司,安徽 合肥　230031)

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基于正交試驗(yàn)的鋁合金無(wú)釘鉚接工藝優(yōu)化

王健強(qiáng)1,蘇安鵬1,郭婷婷1,牛趙龍2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽 合肥230009; 2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司,安徽 合肥230031)

為了控制鋁合金車(chē)身裝配的尺寸精度,文章對(duì)鋁合金無(wú)釘鉚接工藝中板件翹曲變形的影響因素進(jìn)行了研究。針對(duì) ENAW5754鋁合金板件,基于正交試驗(yàn)研究了鉚接角度、凹模位置以及鉚點(diǎn)間距對(duì)該工藝中板件翹曲變形的影響規(guī)律,分析了影響板件翹曲變形的關(guān)鍵因素,并得出了1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754連接的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明:鉚接角度對(duì)板件翹曲變形的影響最大,變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對(duì)其影響次之,變形量隨凹模與板件間距離的減小而減小;鉚點(diǎn)間距對(duì)其影響不明顯。

鋁合金;無(wú)釘鉚接;翹曲變形;正交試驗(yàn)

近年來(lái),鋁合金材料憑借低密度、高強(qiáng)度、良好的耐蝕性、較好的碰撞吸能效果等優(yōu)點(diǎn),在白車(chē)身制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但由于鋁與鋼在導(dǎo)熱率、熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)等性質(zhì)之間的差異,使得鋁合金材料難以應(yīng)用于傳統(tǒng)的白車(chē)身點(diǎn)焊連接工藝[3-4]。無(wú)釘鉚接是一項(xiàng)較新的連接技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)相等或不等板厚的2層或多層板件連接,適用于鋼材、鋁材及非金屬材料;該工藝是冷擠壓連接,無(wú)熱變形、微觀損傷以及應(yīng)力集中等現(xiàn)象;連接點(diǎn)的靜態(tài)抗剪、抗拉強(qiáng)度高;對(duì)于有鍍層板件來(lái)說(shuō),鉚接過(guò)程中連接點(diǎn)處的鍍層隨板件一起產(chǎn)生塑性變形,不破壞其原有的防銹防腐蝕特性[5]。目前,奧迪A6L前后門(mén)、奧迪Q5前后蓋等產(chǎn)品的連接均采用該技術(shù)。

本文通過(guò)正交試驗(yàn)研究了鉚接角度、凹模位置和鉚點(diǎn)間距對(duì)板件翹曲變形的影響規(guī)律,對(duì)控制鋁合金車(chē)身裝配的尺寸精度具有一定的指導(dǎo)意義。

1　無(wú)釘鉚接

無(wú)釘鉚接成形過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。板件定位完成后,壓邊圈首先向下運(yùn)動(dòng)將板件預(yù)壓緊；然后進(jìn)入鉚接初始拉伸階段,凸模向下運(yùn)動(dòng),給上下板件一定的擠壓力,上板與凸模接觸的部分發(fā)生彈性彎曲變形；隨著凸模的運(yùn)動(dòng),上下板受到凸模端面及圓角、凹模內(nèi)側(cè)面和凹模端面的擠壓,晶格被壓縮,組織被強(qiáng)化,在彈性變形和塑性變形的作用下形成上部輪廓。

隨著凸模繼續(xù)下行直至其運(yùn)行到死點(diǎn),進(jìn)入鉚接擠壓和填充階段。由于凹模的環(huán)形凹槽對(duì)下板圓角處無(wú)約束力,材料在擠壓力的作用下產(chǎn)生流動(dòng),填充環(huán)形凹槽；凸模的繼續(xù)增壓導(dǎo)致凸凹模和上下板間壓力繼續(xù)增大,當(dāng)摩擦力達(dá)到一定值后,上下板料將向外流動(dòng),此時(shí)上下板料相互咬合在一起,形成特定的接頭形狀。隨后的墩鍛保壓階段中,上下板受到凸模充分的擠壓作用,板料呈放射性的流動(dòng)趨勢(shì),兩層板料形成燕尾狀相互內(nèi)嵌自鎖的接頭,實(shí)現(xiàn)板件的連接。隨后凸模上行返回,完成退模階段。

2　正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)因素

本文以1.0 mm ENAW5754鋁合金板件作為研究對(duì)象,利用某公司搭建的無(wú)釘鉚接試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。該平臺(tái)主要由TOX氣液增力缸式機(jī)器人鉗(鉚槍)、機(jī)器人、機(jī)器人控制柜和夾具臺(tái)組成,如圖1所示。

圖1　無(wú)釘鉚接試驗(yàn)平臺(tái)

無(wú)釘鉚接的成型過(guò)程中,由于凸模充分的擠壓作用,板件受到沿Z軸負(fù)向的沖擊力作用,在板件XOY面形成壓力,松開(kāi)夾具后板件在該面內(nèi)發(fā)生延展,必然會(huì)在Z方向上產(chǎn)生翹曲變形,如圖2所示。翹曲變形會(huì)影響板件表層曲面的連續(xù)性和光滑性,且結(jié)構(gòu)具有脆性,不僅影響產(chǎn)品的裝配精度,也降低了使用壽命。

圖2　板件翹曲變形示意圖

車(chē)身門(mén)蓋的內(nèi)外板通常帶有一定曲率,造成現(xiàn)場(chǎng)示教過(guò)程中鉚槍與板件的垂直度偏差,此時(shí)發(fā)現(xiàn)板件在鉚接后發(fā)生較明顯的翹曲變形。機(jī)器人的重復(fù)定位精度會(huì)影響凹模與下板的貼合情況,造成兩者之間存在微小間隙或產(chǎn)生輕微擠壓,從而對(duì)板件的受力情況產(chǎn)生影響,易使其發(fā)生翹曲變形。實(shí)際生產(chǎn)中,多鉚點(diǎn)情況下板件各點(diǎn)的翹曲變形量相互影響,易造成產(chǎn)品的大面積凹陷變形。因此,本文試驗(yàn)選取鉚接角度、凹模位置和鉚點(diǎn)間距作為試驗(yàn)因素,通過(guò)正交試驗(yàn)研究其對(duì)無(wú)釘鉚接工藝中板件翹曲變形的具體影響規(guī)律。

2.2試驗(yàn)原理

試驗(yàn)板件采用1.0 mm ENAW5754鋁合金薄板,截面尺寸為200 mm×25 mm,鉚點(diǎn)數(shù)量為2個(gè),選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)[8]。

規(guī)定鉚槍與圖2中YOZ平面的偏角為鉚接角度,共選取0°、2°、3.5° 3個(gè)水平;規(guī)定凹模與下板間存在一定間隙時(shí)值為正，剛好接觸下板時(shí)值為0;將板件向上稍微頂起一定高度時(shí)值為負(fù),凹模位置共選取0.5 、0、-0.5 mm 3個(gè)水平;2個(gè)鉚點(diǎn)位置與板件中心左右對(duì)稱(chēng),鉚點(diǎn)間距共選取30、45、60 mm 3個(gè)水平。

試驗(yàn)前,在板件表面的夾緊點(diǎn)之間按等間距繪出5個(gè)測(cè)量點(diǎn)。裝夾完成后,利用高度尺測(cè)出各點(diǎn)相對(duì)于夾具臺(tái)的高度值;同理,在鉚接完成后測(cè)出5點(diǎn)的相對(duì)高度值,以所得高度差作為評(píng)價(jià)翹曲變形程度的依據(jù),如圖3所示。

L9(34)型正交表共計(jì)9組試驗(yàn),每組試驗(yàn)各做10次,取最大翹曲變形量的平均值記入正交表中試驗(yàn)結(jié)果一欄。

圖3　測(cè)量點(diǎn)分布、板件裝夾及高度測(cè)量

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

按照正交試驗(yàn)方法,在不同因素、不同水平下進(jìn)行試驗(yàn),分別通過(guò)極差分析法和方差分析法處理數(shù)據(jù),得到試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1 所列。

不同因素、不同水平下試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律如圖4所示。

表1　正交試驗(yàn)結(jié)果

圖4　板件翹曲變形量因素-指標(biāo)趨勢(shì)

由表1可知,鉚接角度對(duì)板件翹曲變形的影響最大,板件翹曲變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對(duì)其影響次之,板件變形量隨凹模與板件間的距離減小而減小;鉚點(diǎn)間距對(duì)其影響最小,改變鉚點(diǎn)間距對(duì)控制板件變形量影響不大。

采用方差分析法計(jì)算出因素變動(dòng)平方和與誤差變動(dòng)平方和,并利用F分布表進(jìn)行因素顯著性檢驗(yàn)。F分布的臨界值為：F0.05(2,2)=19.00;F0.1(2,2)=9.00;F0.25(2,2)=3.00。比較表1中各因素F值與臨界值可知,F0.05(2,2)>FA>F0.1(2,2)>FB>F0.25(2,2)>FC。

方差分析法區(qū)分了因素水平變化引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異和誤差引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異,提供了考察因素作用是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,鉚接角度的改變對(duì)板件翹曲變形有顯著影響,凹模位置的改變對(duì)板件翹曲變形有一定影響,而鉚點(diǎn)間距的改變對(duì)其無(wú)顯著影響。進(jìn)一步驗(yàn)證了各因素水平改變對(duì)板件翹曲變形影響程度主次的結(jié)論。

凹模位置為負(fù)值時(shí)可將板件沿Z軸正方向頂起,產(chǎn)生一定的彈性變形,同時(shí)給予板件一定的壓力,對(duì)板件做出反變形補(bǔ)償,從而有效控制翹曲變形量。從4號(hào)、7號(hào)和8號(hào)試驗(yàn)組可以看出,變形量均未超過(guò)0.5 mm,滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)板件翹曲變形控制的要求。因此,選用較小值的凹模位置可以有效地控制板件的翹曲變形。

過(guò)大的鉚接角度偏差會(huì)使凹模與下板無(wú)法完全貼合,增大了凸模對(duì)板件的沖擊力和壓力,造成嚴(yán)重的翹曲變形。從3號(hào)和6號(hào)試驗(yàn)組可以看出,變形量過(guò)大,均超過(guò)1 mm。9號(hào)試驗(yàn)組同樣采用3.5°進(jìn)行鉚接,但由于凹模位置值較小,板件變形量比3號(hào)和6號(hào)試驗(yàn)組小。

通過(guò)以上分析可知,當(dāng)角度偏差不大時(shí),可通過(guò)改變凹模位置控制板件的翹曲變形。通過(guò)對(duì)比2號(hào)、5號(hào)和8號(hào)試驗(yàn)組可以發(fā)現(xiàn),8號(hào)組的板件最大變形量小于0.5 mm,顯然是由于選用了更小的凹模位置。

為此本文針對(duì)凹模位置補(bǔ)充了大量試驗(yàn)。選取鉚接角度0°和鉚點(diǎn)間距30 mm,凹模位置值在-1.50～0.75 mm范圍內(nèi)每間隔0.25 mm取1個(gè)值,進(jìn)行10組試驗(yàn),得到凹模位置對(duì)板件變形的影響情況，如圖5所示。

圖5　凹模位置對(duì)板件翹曲變形的影響

從圖5可以看出,凹模位置為負(fù)值時(shí)的板件變形量明顯小于其為正值時(shí)的變形量,且當(dāng)該值小于-0.50 mm時(shí),變形量仍有明顯的減小趨勢(shì)。當(dāng)凹模位置值為-1.00、-1.25、-1.50 mm時(shí),變形量均小于正交試驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果7號(hào)組的0.26 mm,但試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)凹模位置值為-1.50 mm時(shí),板件在鉚接前已產(chǎn)生塑性變形。因此,凹模位置值選用-1.00 mm最為合適。

4　結(jié)　　論

鉚接角度是影響無(wú)釘鉚接工藝中板件翹曲變形的最主要因素,板件翹曲變形量隨鉚接角度的增大而增大;凹模位置對(duì)其影響程度次之,變形量隨凹模距板件距離減小而減小;鉚點(diǎn)間距對(duì)其無(wú)顯著影響。

1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754板件組合的無(wú)釘鉚接最優(yōu)結(jié)果為7號(hào)試驗(yàn)組,結(jié)合補(bǔ)充試驗(yàn)獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合,即采用0°鉚接角度、凹模位置-1.00 mm、鉚點(diǎn)間距30 mm。當(dāng)鉚槍無(wú)法垂直鉚接板件時(shí),在保證-1.00 mm凹模位置的情況下,可允許存在不超過(guò)2°的鉚接角度偏差。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

Process optimization of clinching of aluminum alloy sheet metal based on orthogonal experiment method

WANG Jianqiang1, SU Anpeng1, GUO Tingting1, NIU Zhaolong2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui JEE Automation Equipment Co. , Ltd. ， Hefei 230031, China)

To control the dimension of aluminum alloy car body assembly, the factors affecting the warping in clinching of aluminum alloy sheet metal were studied. In view of the ENAW5754 aluminum alloy sheet, the impact of the angle, position of die and distance between riveting points on warping was investigated by using the orthogonal experiment method, the key factors affecting warping were researched, and the optimal process parameters for the 1.0 mm ENAW5754+1.0 mm ENAW5754 combination were analyzed. The results show that the angle has the greatest influence on warping and the deformation increases with the increase of angle. The position of die has less influence on warping and the deformation decreases with the decrease of the distance between die and sheet. The distance between riveting points has no obvious influence on warping.

aluminum alloy; clinch; warping; orthogonal experiment

2015-03-27；

2015-05-11

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAF06B01);國(guó)家智能制造裝備發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(發(fā)改辦高技[2011]2548號(hào))

王健強(qiáng)(1964-),男,浙江寧波人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.001

TG938

A

1003-5060(2016)08-1009-04