一種新型旋鉚薄板連接技術(shù)和設(shè)備開發(fā)

張毅

國內(nèi)在汽車、航空、軍工、一般工業(yè)領(lǐng)域做板材連接技術(shù)非常豐富。最常見如薄鋼板與鋼板間，薄板鋁板與鋁板采用電阻鋼點(diǎn)焊，電阻鋁點(diǎn)焊技術(shù)，這種焊接部位對(duì)周邊變形影響小，連接部位強(qiáng)度高。除點(diǎn)焊外，還有強(qiáng)度更高，連接面更大但局部變形大的惰性氣體保護(hù)下弧焊，比較常見CMT焊（全新MAG、MIG焊接工藝）、激光焊，目前機(jī)器人代替人工，將視覺引導(dǎo)和反饋應(yīng)用在此領(lǐng)域，焊縫質(zhì)量得到有效管理。另外比如，鋁合金材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，連接技術(shù)也引入了SPR、FDS、CLINCH、RIVET、RIVTAC等工藝，配合著連接縫密封和加強(qiáng)，在連接銜接部位涂密封膠和結(jié)構(gòu)膠。隨著板材連接技術(shù)研究深入，以及設(shè)備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平提升，還有設(shè)備性能的提升，板材連接有了更多的選擇。

本篇重點(diǎn)地介紹一種新型的板材間連接技術(shù)，目前它分支了三大類工藝，第一種是接頭跟SPR比較類似，鉚釘腳被撐開產(chǎn)生反向阻止脫落結(jié)構(gòu)形式，但SPR是鋁板與鋁板的連接，這種工藝確實(shí)是下層鋼板與上層鋁板形成新型連接，第二種是鋼鋁鉚焊連接，鉚釘穿透上層鋁板后，高速旋轉(zhuǎn)摩擦焊接了下層的鋼板，第三種是鋁板鋁板，鉚釘腿內(nèi)腔帶螺紋的方式，高速旋轉(zhuǎn)生熱產(chǎn)生塑性材料擠入鉚釘內(nèi)腔，內(nèi)腔塑性材料冷卻后鋁柱被內(nèi)腔的螺紋環(huán)抱住，與此同時(shí)，鉚釘帽高速旋轉(zhuǎn)在鉚釘帽沿圈兩層鋁板組織由于生熱熔合在一起，產(chǎn)生一定的強(qiáng)度形成復(fù)合連接體。第一種不同于常見的SPR，SPR是鋁板鋁板間的連接，而第一種是在鋁板和鋼板間連接，除鋼釘產(chǎn)生與SPR一樣的效果外，鋼釘在高速生熱后，產(chǎn)生鋼釘腿尖部還會(huì)與鋼板熔合連接現(xiàn)象。第二種就是鋁鋼薄板連接典型代表，鋼釘穿過上層鋁板后，高速旋轉(zhuǎn)的鋼釘與鋼板摩擦生熱頂腳端部與它周圍的鋼板熔合在一起，形成強(qiáng)度很大的連接頭，通常這種鉚釘釘腿比較短2～3mm左右。第三種鋁板與鋁板的連接，除前述到的，鋼釘內(nèi)腔螺紋抱住了腔體內(nèi)流入的鋁柱外，釘帽在一定壓力下，帽檐下方鋁板鋁板之間通過釘帽高速旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，在貼合部位也形成了鋁板鋁板間沿圈熔合連接體。這種連接體除了可以配底模支撐外，即使不配底模，連接體的強(qiáng)度也可以媲美一定直徑大小的HUK鉚釘?shù)倪B接效果。

以第二種工藝為例，涉及元素分別是摩擦鉚釘（釘腿中空內(nèi)腔型）、上層鋁板、下層鋼板、形變材料流動(dòng)區(qū)、摩擦焊接區(qū)。工藝流程簡(jiǎn)易模型大概概括為，首先摩擦鉚釘根據(jù)材料種類和板材的厚度軸向選擇合適的轉(zhuǎn)速、軸向力和進(jìn)給速度，穿透上層鋁板層，由于高速旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，鋁板在被穿透的過程中，也就是變形材料流動(dòng)區(qū)，材料軟化產(chǎn)生流動(dòng)，逐漸地填充釘腿內(nèi)腔，釘腿內(nèi)腔流入的塑形料量可以包含掉釘腿壁厚所占有量，盡可能地避免了鋁板材料下陷或凸起，接著釘腿穿透上層鋁板后第一時(shí)間接觸下層鋼板的表面涂層，并穿透，然后鉚釘在持續(xù)的高速旋轉(zhuǎn)和推力下，鋼釘端部和下層鋼板摩擦生熱，也就是摩擦焊接區(qū)，形成了摩擦焊需要要素，二者相互擠壓并高速摩擦生熱熔焊在一起，最后驅(qū)動(dòng)鉚釘旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作停止但持續(xù)保持一定推力，對(duì)接頭持續(xù)壓緊一定設(shè)定時(shí)間，完成一個(gè)完整的摩擦焊接過程，最終在鉚釘作用部位形成我們所需的滿足一定強(qiáng)度要求的接頭。

實(shí)現(xiàn)這種新型的連接技術(shù)需要設(shè)計(jì)制造比較有針對(duì)性的專用裝備，以第三種工藝為例，以某種特定材料和板材厚度組合做連接頭為例，這種裝備有如下幾大功能部件：

1、推進(jìn)電機(jī)，要求提供大約450KG左右的推力，進(jìn)給速度大于250mm/s;旋轉(zhuǎn)電機(jī)，要求提供大于4500轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)速度，以及8N.m以上的扭矩;推進(jìn)電機(jī)力輸出聯(lián)軸器和絲杠，配合電機(jī)輸出扭矩和所需移動(dòng)速度，選擇合適直徑和導(dǎo)程的絲杠;滑軌，保證驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)行直線度的重要精度保證部件;驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)套，二者承擔(dān)著直接旋轉(zhuǎn)鉚釘和擠壓的鉚釘?shù)闹匾蝿?wù)，旋鉚過程的轉(zhuǎn)速大概要大于4500轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)速不能太低;壓邊圈壓邊套，起到驅(qū)動(dòng)軸同軸度保障和給板材施加壓緊力的重要作用;承托架，所大類。

這種新型的連接工藝，可以應(yīng)用廣泛場(chǎng)景中，在常見的用在六軸工業(yè)機(jī)器人上，落地固定專機(jī)，四軸工業(yè)機(jī)器人，四軸桁架機(jī)構(gòu)等場(chǎng)景中都是非?？尚械模贿^由于負(fù)載非常大，轉(zhuǎn)速非常高，對(duì)設(shè)備本身的能力要求也非常高。

在對(duì)此特殊專機(jī)的控制方面要求滿足如下技術(shù)指標(biāo)：

滿足機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)要求;多段鉚接功能;滿足不同板材組合匹配對(duì)應(yīng)鉚接程序;實(shí)現(xiàn)參數(shù)規(guī)范設(shè)置、存儲(chǔ)與導(dǎo)入;驅(qū)動(dòng)軸壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋;診斷板厚與預(yù)設(shè)不匹配，程序終止;鉚焊接過程參數(shù)化控制;顯示鉚接過程參數(shù)曲線，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)比;具備設(shè)備故障診斷報(bào)警功能，故障部位反饋;吸釘成功與否診斷;控制操作界面展示和人機(jī)界面交互;隨著這類工藝掌握程度不斷的加深，控制技術(shù)要求的指標(biāo)越來越精細(xì)，手段也會(huì)越來越完善。

完整的系統(tǒng)框架包括：

整體系統(tǒng)由空壓機(jī)、氣源過濾器FAL、送釘機(jī)、送釘管、鉚釘系列、鉚釘加工設(shè)備、單邊沖鉚槍、雙邊沖鉚焊槍、鉚釘緩存彈夾、鉚釘彈夾充裝停放站、電氣控制總成柜、HMI多點(diǎn)觸摸柜、機(jī)器人、機(jī)器人管線包、一系列檢測(cè)傳感器、氣路和氣控模塊（真空閥、數(shù)顯氣壓傳感器、電磁閥、氣體過濾器和閥排）、壓力傳感器采樣放大器、數(shù)字量采樣模塊、模擬量采樣模塊、脈沖量采樣模塊、數(shù)字量輸出模塊、電纜管線、接頭系列等組成。

整體設(shè)備開發(fā)涉及到大致的工作范圍：開發(fā)資金的申請(qǐng)、項(xiàng)目管理、市場(chǎng)調(diào)研、采購活動(dòng)、工藝設(shè)計(jì)研究、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)作模擬分析、氣路設(shè)計(jì)、電控硬件設(shè)計(jì)、電控程序設(shè)計(jì)、技術(shù)支持和指導(dǎo)、機(jī)械零件受力載荷仿真分析、產(chǎn)品裝配和調(diào)試、上電程序運(yùn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試、產(chǎn)品說明書編撰、設(shè)備操作手冊(cè)編撰等等。

各方職責(zé)：

項(xiàng)目經(jīng)理負(fù)責(zé)整體項(xiàng)目實(shí)施溝通協(xié)調(diào)，范圍管控，進(jìn)度管控，成本控制，人員工作協(xié)調(diào)，風(fēng)險(xiǎn)管理、質(zhì)量控制，一系列全過程管理。

工藝設(shè)計(jì)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)鉚釘系列設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)板材材料和厚度組合設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)分析鉚焊接點(diǎn)接頭各項(xiàng)力學(xué)性能，提供輸出旋鉚轉(zhuǎn)數(shù)指標(biāo)和扭矩指標(biāo)，進(jìn)給速度指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)頭擠壓力需求指標(biāo)和壓邊圈對(duì)板材壓力需求指標(biāo)等工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的要求指標(biāo);

機(jī)械設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)功能目標(biāo)與機(jī)器運(yùn)動(dòng)匹配設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體布局，機(jī)械零件設(shè)計(jì)，外購件選型，裝配拆卸可行性分析，機(jī)加可行性分析，運(yùn)動(dòng)認(rèn)證分析干涉檢查與排除，設(shè)計(jì)零件強(qiáng)度分析，精簡(jiǎn)減重分析優(yōu)化，氣密性分析與處理，管線閥塊走向和布局，零件材料篩選與確定，零件尺寸公差和配合精度公差設(shè)定，圖紙命名規(guī)則確定，動(dòng)作時(shí)序分析，二維圖繪制和BOM表制作，專用工具設(shè)計(jì)，外購件和機(jī)加工采購單制定，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)支持，采購價(jià)格洽談、交期和合同技術(shù)關(guān)鍵條款制定;

電控設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)功能目標(biāo)與機(jī)器運(yùn)行控制匹配設(shè)計(jì)，電氣元件選型和采購單定制，電纜網(wǎng)線通訊電纜及接頭選型與采購單定制，電氣元件組合電路圖設(shè)計(jì)和接線圖設(shè)計(jì)，收集設(shè)備系統(tǒng)各項(xiàng)信號(hào)參數(shù)擬合成嚴(yán)密邏輯規(guī)則，編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)完整工藝機(jī)器運(yùn)行控制，PLC程序能夠設(shè)定各項(xiàng)邊界條件和反映每一步運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)線程序?qū)牒笞詣?dòng)運(yùn)行編寫的程序，人機(jī)操作界面反饋內(nèi)容設(shè)計(jì)與規(guī)劃，人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作各項(xiàng)子程序，程序?qū)崿F(xiàn)過程故障診斷、故障點(diǎn)提示和故障解除措施反饋，人機(jī)界面能夠直觀顯示故障診斷結(jié)果和故障區(qū)塊，人機(jī)界面在設(shè)定的許可權(quán)限下可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)整參數(shù)值，手動(dòng)模式測(cè)試，自動(dòng)模式測(cè)試，機(jī)器人調(diào)用模式測(cè)試，自動(dòng)化調(diào)試和程序優(yōu)化改善，人機(jī)界面顯示鉚焊全工藝過程中進(jìn)給位移、進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)扭矩、驅(qū)動(dòng)軸壓力、過程時(shí)間、鉚接過程能量實(shí)時(shí)監(jiān)控表征值，表達(dá)成直觀曲線圖示意，到貨元器件開箱性能測(cè)試，伺服電機(jī)配套驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置，各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)支持，采購價(jià)格、交期洽談和合同技術(shù)關(guān)鍵條款制定;

機(jī)械裝配人員：外購件的到貨檢查，運(yùn)動(dòng)部件配合調(diào)整，機(jī)械到位安裝，氣管線連接鋪設(shè)，傳感器安裝，節(jié)拍測(cè)試記錄并優(yōu)化調(diào)試，內(nèi)部驗(yàn)收，拆裝及包裝，現(xiàn)場(chǎng)辦公及物料倉庫布置，現(xiàn)場(chǎng)問題單跟蹤;

電工安裝人員：電柜電氣元件安裝和排線，I/O模塊布置，電纜連接與橋架鋪設(shè)，各種電源連接，各設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)連接，安全回路連接，傳感器連接，傳感器調(diào)整，安全回路檢查，上電，I/O檢查，電氣調(diào)試，電氣元件拆裝及包裝，各類元器件標(biāo)牌和號(hào)碼管編號(hào);

氣路施工人員：氣源連接，三聯(lián)件安裝，真空發(fā)生器安裝，閥塊布置，壓力反饋傳感器安裝，管接頭、堵頭、消音器、節(jié)流閥、分氣快等安裝，各類尺寸氣管的串接，各類控制端標(biāo)牌和執(zhí)行端標(biāo)牌，配合電控工程師完成調(diào)試過程中遇見氣路方面的問題;

以上是典型工作集中比較高的工作團(tuán)隊(duì)模式的工作職責(zé)內(nèi)容，不同的公司不同的組織結(jié)構(gòu)，工作內(nèi)容可以分工更精細(xì)方向發(fā)展和安排，當(dāng)然也需要采購、財(cái)務(wù)和庫管等相關(guān)人員的密切協(xié)調(diào)配合。

設(shè)備開發(fā)過程也要有完整的過程技術(shù)資料的輸出，一般包括如下過程文件：

項(xiàng)目立項(xiàng)書;項(xiàng)目組織結(jié)構(gòu);項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃;設(shè)計(jì)基準(zhǔn)書;項(xiàng)目需求分析報(bào)告;開發(fā)工作日志;相關(guān)計(jì)算報(bào)告;設(shè)備測(cè)試報(bào)告;鉚接點(diǎn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告;過程改進(jìn)記錄;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告;項(xiàng)目過程會(huì)議紀(jì)要;采購技術(shù)協(xié)議;采購合同; OPENISSUE記錄;供應(yīng)商清單;采購RQF單; RQF跟蹤單;采購商品價(jià)格數(shù)據(jù)庫;采購及機(jī)加物料跟蹤單;市場(chǎng)調(diào)研或技術(shù)探討分析報(bào)告;三維設(shè)計(jì)數(shù)模;二維設(shè)計(jì)圖紙; 機(jī)械和電氣外購、機(jī)加、標(biāo)準(zhǔn)零件等詳細(xì)清單;備品備件清單;采購件清單;設(shè)備指定尺寸鉚釘系列圖紙;設(shè)備適用薄板組合系列圖表;電控PLC程序，HMI程序，網(wǎng)絡(luò)配置文件，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置參數(shù)文件;設(shè)備運(yùn)行時(shí)序圖;電氣圖紙的元件圖庫;電氣安裝圖紙;氣缸、接近開關(guān)、氣動(dòng)閥島編號(hào)標(biāo)識(shí)牌布局圖;柜子、設(shè)備和電纜的標(biāo)識(shí)牌和標(biāo)簽布置圖;氣路圖;開發(fā)過程問題跟蹤單;設(shè)備失效模式和分析報(bào)告;工藝失效模式和分析報(bào)告;設(shè)備連續(xù)往復(fù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)報(bào)告;設(shè)備檢測(cè)報(bào)告;設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)指導(dǎo)書;外購產(chǎn)品說明書;外購產(chǎn)品操作指導(dǎo)書;設(shè)備操作指導(dǎo)書;客戶培訓(xùn)指導(dǎo)手冊(cè);

該類型的新型連接技術(shù)設(shè)備在工業(yè)連接工藝應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)鋁鋼薄板間連接方式以外的選擇，除了配備介質(zhì)的輔助連接外還兼顧材料熔合焊接復(fù)合工藝連接。在鋁板和鋼板間連接，或鋁板與鋁板連接，無需焊接設(shè)備，無需預(yù)先開孔，二者貼合連接可以用這種專機(jī)直接一步到位連接在一起，不產(chǎn)生飛濺和廢屑，連接強(qiáng)度高，板材局部變形量小等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用場(chǎng)景柔性度高，可以用作固定式專機(jī)，也可以將專機(jī)設(shè)備安放在三軸桁架機(jī)構(gòu)上，也可以安放在四軸機(jī)器人和六軸機(jī)器人上。范圍應(yīng)用廣，汽車制造行業(yè)，車身件連接;飛機(jī)制造行業(yè)，機(jī)身材料連接;高鐵制造行業(yè)，車廂型材連接;軍工裝甲制造行業(yè)，裝甲表面附著板材固定連接等等;設(shè)備支撐針對(duì)性定制開發(fā)，根據(jù)連接強(qiáng)度需求要求，可以選擇接頭的直徑大小和長度值，從而配置相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)附件。這種專用設(shè)備開發(fā)技術(shù)含量很高，單機(jī)開發(fā)相當(dāng)于一臺(tái)高精度機(jī)床設(shè)備設(shè)計(jì)制造。工藝方面涵蓋了一系列復(fù)雜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，篩查比較，總結(jié)歸納出不同板材組合工藝應(yīng)對(duì)策略;在設(shè)備方面，配備高性能伺服電動(dòng)機(jī)，高精度導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)絲杠，高精度的位置檢測(cè)線性編碼傳感器，高速放大響應(yīng)壓力檢測(cè)傳感器，復(fù)雜加工鉚釘驅(qū)動(dòng)桿，多種高性能材料應(yīng)用，氣路管控系統(tǒng)，復(fù)雜閉環(huán)程序控制系統(tǒng)。預(yù)測(cè)未來，隨之我們的對(duì)這項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備開發(fā)的推進(jìn)，不久的將來，這種工藝會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。