鞏啟亮

摘 要：汽車車身中新材料、新工藝的應(yīng)用越來越廣泛。例如：0.5mm鋼板的使用，鑄鋁零件、鋁沖壓件的使用，SRP、FDS等連接工藝的應(yīng)用。新材料的性能、新工藝的參數(shù)在試制階段的充分驗證，不僅可以減小后期項目階段的風(fēng)險而且可以加快項目進(jìn)度。TOX ?Clinch一般用在厚度差異較大鋼板的冷連接上，本文介紹了在試制階段如何選擇TOX ?Clinch的模具型號，如何確定壓力參數(shù)，進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控的方法等。該方法同樣適用于其他新型連接工藝關(guān)鍵參數(shù)的確定過程。

關(guān)鍵詞：Clinch;試制;沖鉚工藝;參數(shù);質(zhì)量控制

1 TOX連接技術(shù)原理

TOX連接技術(shù)也被稱為可塑性薄板的不可拆卸式點(diǎn)連接技術(shù)，TOX連接技術(shù)是這種技術(shù)的注冊名稱，在上世紀(jì)90年代就已作為板件連接的標(biāo)準(zhǔn)工藝廣泛用于工業(yè)發(fā)達(dá)國家。

TOX連接技術(shù)采用TOX氣液增力缸式?jīng)_壓設(shè)備及TOX專用標(biāo)準(zhǔn)連接模具，在一個沖壓過程中，依據(jù)板件本身材料的擠壓塑性變形，而使兩個板件在擠壓處形成一個互相鑲嵌的圓形連接點(diǎn)，由此將板件點(diǎn)連接起來。整個過程可以細(xì)分為：A初壓入、B擠壓、C形成上部輪廓、D充滿環(huán)形空間、E凸模側(cè)的板件材料向側(cè)面移動、F形成TOX圓連接點(diǎn)。TOX Clinch連接的設(shè)備主體包括：TOX氣液增力缸、機(jī)體、控制系統(tǒng)。設(shè)備的沖壓力是通過外接壓縮空氣驅(qū)動的設(shè)備自帶的油壓缸實現(xiàn)的。

2 TOX連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及在汽車行業(yè)的應(yīng)用

TOX連接技術(shù)在某些方面比傳統(tǒng)的點(diǎn)焊更有優(yōu)勢：可以連接多層板以及有鍍層的板件或鋁、銅及不銹鋼板件;可以連接噴漆板件、不同標(biāo)準(zhǔn)板件、厚度差異大板件以及有中間夾層的板件;TOX連接不破壞連接點(diǎn)外板表面鍍層，所以不會影響連接點(diǎn)處抗銹抗腐蝕能力;TOX連接點(diǎn)處沒有熱變形，不會造成連接點(diǎn)處應(yīng)力集中;TOX連接點(diǎn)材料冷作硬化、沒有微觀損傷，組織更細(xì)密，可以得到更優(yōu)的動態(tài)疲勞連接強(qiáng)度。據(jù)TOX廠家驗證，TOX連接點(diǎn)的動態(tài)疲勞連接強(qiáng)度是點(diǎn)焊的2～3倍。

鋼材的汽車發(fā)動機(jī)罩蓋內(nèi)板板厚一般在0.5～0.6mm，加強(qiáng)板厚度可達(dá)1.2mm。如果使用傳統(tǒng)點(diǎn)焊，很容易造成焊核位置偏離、燒穿等缺陷，給后續(xù)質(zhì)量控制帶來較大難度。由于TOX連接技術(shù)在厚度差異較大板材連接中的技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)動機(jī)罩蓋內(nèi)板與加強(qiáng)板的連接會優(yōu)先考慮采用TOX連接技術(shù)。

3 Clinch模具選型、參數(shù)確定的意義及方法

3.1 Clinch 模具選型、參數(shù)確定的意義

試制的目的是為了驗證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計意圖，新工藝是否滿足產(chǎn)品設(shè)計和性能要求。Clinch連接是車身制造中相對比較特殊的制造技術(shù)，Clinch點(diǎn)的質(zhì)量直接關(guān)系到前蓋總成的質(zhì)量。與發(fā)動機(jī)罩蓋相關(guān)的試驗有碰撞試驗、耐久試驗、行人保護(hù)等，所以Clinch的參數(shù)在試制階段一定要開發(fā)準(zhǔn)確。同時在試制階段準(zhǔn)確選定模具型號和參數(shù)值也為后續(xù)量產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

3.2 Clinch模具選型、參數(shù)確定的方法

Clinch點(diǎn)最重要的性能是抗拉和抗剪強(qiáng)度，性能驗證需要用特定的設(shè)備來完成，主機(jī)廠一般沒有這種設(shè)備和技術(shù)，所以由于技術(shù)的專利性和特殊性，Clinch點(diǎn)所用模具的選型和壓力參數(shù)值的確定是由蘇州TOX公司協(xié)助完成的，主要過程有模具及參數(shù)初選、制作試驗料片、質(zhì)量檢驗、現(xiàn)場調(diào)試四個過程。

模具選型及參數(shù)確定前需要提供給TOX試驗用的材料及每個Clinch點(diǎn)的信息。Clinch點(diǎn)的信息包括點(diǎn)的抗拉抗剪強(qiáng)度，點(diǎn)的板材料信息、板厚信息、板材之間是否涂膠等。不同鋼廠生產(chǎn)的即使同樣材料牌號的板材機(jī)械性能也是有差異的，為保證參數(shù)的準(zhǔn)確性，試驗料片一定要用實際生產(chǎn)的材料，并且如果板材的鋼廠發(fā)生變化、板材之間增加了涂膠或者取消了涂膠，按標(biāo)準(zhǔn)都是需要重新做試驗的。試驗料片的數(shù)量和大小以TOX點(diǎn)的要求為準(zhǔn)，料片尺寸過小會造成料片無法在性能試驗設(shè)備上定位。一般來說，試驗料片的尺寸為：長80mm，寬25mm，模具選型和壓力參數(shù)確定各需40片料片。

3.2.1 模具及參數(shù)初選

依據(jù)每個點(diǎn)的位置、空間大小、板材信息、板厚信息、Clinch點(diǎn)的設(shè)計抗拉和抗剪強(qiáng)度數(shù)值初步選定模具型號。上圖Clinch點(diǎn)所在凸臺大小為20mmX30mm，依據(jù)該信息初步選定點(diǎn)徑大小為8.5mm。點(diǎn)的設(shè)計抗拉強(qiáng)度 Pull strength≥500N，抗剪切強(qiáng)度 Shear strength>1500N.加強(qiáng)板材料為：鍍層（P-S）：GMW2M-ST-S-CR3-HD60G60G-U 板厚：1.2mm，內(nèi)板材料為：鍍層（D-S）：GMW2M-ST-S-CR3-HD60G60G-U板厚：0.5mm。綜合以上信息，初選凸模型號為157037，凹模型號為361368，沖壓力范圍為20～50KN。

3.2.2 制作試驗料片

使用選定的模具，在不同的沖壓力下做Clinch點(diǎn)，記錄下沖壓力的值和對應(yīng)的底厚值。制作試驗料片用于驗證某沖壓力下點(diǎn)的抗拉和抗剪性能是否滿足設(shè)計要求。底厚值是主機(jī)廠試制和量產(chǎn)階段質(zhì)量監(jiān)控的主要手段，料片的底厚值會作為該沖壓力下的底厚標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.3 質(zhì)量檢驗

質(zhì)量檢驗主要有剖面檢驗、抗拉強(qiáng)度檢驗和抗剪強(qiáng)度檢驗三方面。剖面檢驗是TOX公司依據(jù)TOX連接技術(shù)的特性而制定的，通過剖面的點(diǎn)徑等多個關(guān)鍵尺寸來判斷該點(diǎn)的板材之間的連接狀態(tài)?？估y試是指將料片固定在抗拉試驗機(jī)上，通過料片的破壞性試驗確定該點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度值。同樣道理，抗剪力測試是通過料片的破壞性試驗確定點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度值?？紤]到實驗室與車間的差異，TOX在抗拉和抗剪試驗時會乘一個安全系數(shù)。

通過大量試驗會得出如下試驗報告，試驗報告中需要關(guān)注的是，試驗結(jié)果中的凹模側(cè)點(diǎn)徑、控制參數(shù)X值（底厚值）、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖壓力等參數(shù)。沖壓力表示在實際生產(chǎn)中要使用38.5KN的力，凹模側(cè)點(diǎn)徑表示用該套模具和沖壓力的情況下clinch的直徑，抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度表示Clinch點(diǎn)可達(dá)到的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最小值。在工件材質(zhì)及厚度一定、模具一定的條件下，控制參數(shù)“X”只與連接時的沖壓力（TOX氣液增力缸的工作油壓）有對應(yīng)關(guān)系，工作油壓越高，控制參數(shù)“X”值越小;反之，工作油壓越低，控制參數(shù)“X”值越大。底厚值表示該點(diǎn)的中心點(diǎn)的底厚值，Clinch點(diǎn)的底厚是不均勻的，在中心點(diǎn)處底厚最薄，報告中的底厚值是指最薄點(diǎn)的。底厚值公差為+/-15%，報告里底厚標(biāo)準(zhǔn)值為0.5mm的點(diǎn)，實際生產(chǎn)過程中底厚在0.425～0.575mm都是合格的，見圖1。

3.2.4 Clinch現(xiàn)場調(diào)試：

從試驗報告得知，沖壓力為38KN時，點(diǎn)的抗拉和抗剪強(qiáng)度是符合要求的。TOX Clinch用的是氣液增力缸式?jīng)_壓設(shè)備，需要將試驗報告中的沖壓力轉(zhuǎn)換為沖壓設(shè)備的氣壓值或液壓值才可用于實際生產(chǎn)。數(shù)值轉(zhuǎn)換和設(shè)備所用的氣缸種類直接相關(guān)。從下圖的氣缸銘牌可以看出氣缸種類是Q-K08型的，查表得知Q-K8氣缸在氣壓6 bar，油壓327bar的條件下最大可輸出67.4KN的沖壓力?，F(xiàn)場調(diào)試時首先將氣壓設(shè)置為6bar，根據(jù)比例式67.4KN/38KN=327bar/X bar可算出油壓在184.3bar時，輸出的沖壓力為38KN，所以將油壓值設(shè)定為184bar。在6bar 氣壓、184bar油壓情況下制作零件，對比零件底厚值與試制料片的標(biāo)準(zhǔn)底厚值，如果零件底厚值大于標(biāo)準(zhǔn)底厚值就增大油壓，如果小于標(biāo)準(zhǔn)底厚值就減小油壓。為保證后續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，調(diào)試中底厚值要盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.5 Clinch質(zhì)量監(jiān)控：

調(diào)試穩(wěn)定后，生產(chǎn)中Clinch質(zhì)量的監(jiān)控主要通過測量Clinch點(diǎn)的底厚。Clinch點(diǎn)的底厚是不均勻的，中心點(diǎn)最薄，越往外越厚，測量時一定要注意測量Clinch的中心點(diǎn)。底厚的公差范圍為+/-15%。一般來說，底厚在公差范圍內(nèi)的點(diǎn)，抗拉、抗剪強(qiáng)度等性能都是符合要求的。當(dāng)生產(chǎn)中遇到底厚超差時一定要找出原因，必要時可與TOX廠家聯(lián)系或者重新做實驗。

在設(shè)備、壓力參數(shù)、模具狀態(tài)不變的情況下，對質(zhì)量影響最大的是材料本身和表面狀態(tài)。零件表面有油污、搭接面貼合狀態(tài)不良等都會直接影響Clinch的質(zhì)量。即使材料牌號相同，不同鋼廠的板料機(jī)械性能都是不同的，所以材料牌號更換或者材料廠家更換都需要重新做實驗確定沖壓力，而不能直接沿用原來的參數(shù)。

除此以外，在生產(chǎn)中還應(yīng)注意：凸、凹模上下要對中，對中不好會造成板材撕裂，模具壽命降低;工件應(yīng)平放在凹模上，或夾具上;如果發(fā)現(xiàn)連接不好，不允許再次在同一位置沖鉚;模具不能打在工件折彎厚的圓角上;應(yīng)經(jīng)常清楚凹模內(nèi)的金屬屑;定期檢查模具內(nèi)的脫模彈簧;定期檢查模具內(nèi)的導(dǎo)向裝置;定向裝置定期進(jìn)行潤滑保養(yǎng)。

4 結(jié)論

文中給出了試制階段TOX Clinch模具選型及參數(shù)確定的方法，文中的思路和方法也適用于與Clinch類似的SPR、FDS等工藝參數(shù)的確定。

參考文獻(xiàn)：

TOX PRESSOTECHNIK 德國托克斯連接技術(shù).