異種高性能熱塑性材料旋轉(zhuǎn)摩擦鉚接工藝研究

李 鵬 喬鳳斌 王 飛 丘廉芳 王 江 趙維剛

1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海，2002402.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司科瑞工業(yè)研究所，上海，200245

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的目標(biāo)，汽車等工業(yè)產(chǎn)品的輕結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。輕結(jié)構(gòu)技術(shù)是指采用輕量化材料、結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化連接等手段實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)[1-3]。隨著該技術(shù)體系的逐步推廣，車輛、航空航天等工業(yè)產(chǎn)品的新材料、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。復(fù)合材料(如纖維增強(qiáng)塑料)、輕合金材料(如鋁鎂合金)及高強(qiáng)度鋼板作為輕量化的主要材料被應(yīng)用于輕結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，隨之而來的難點(diǎn)是，一些常見連接方式如螺紋連接、傳統(tǒng)鉚釘連接、膠接、焊接，在連接這些輕量化需求材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)缺陷，導(dǎo)致連接失效或成本極高。為了解決輕量化材料構(gòu)件在后續(xù)加工過程中所必需的點(diǎn)連接工藝的瓶頸，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出一種新型點(diǎn)連接工藝，即摩擦鉚接技術(shù)，并開展應(yīng)用研究[4-8]。

摩擦鉚接技術(shù)利用鉚釘?shù)男D(zhuǎn)摩擦獲得固相焊接效應(yīng)(又稱“摩擦鉚焊”)，同時(shí)保留傳統(tǒng)鉚接的變形自鎖特性，根據(jù)其鉚接母材材質(zhì)的不同，可以分為金屬型摩擦鉚接和非金屬型摩擦鉚接。金屬型摩擦鉚接主要鉚接鋁鎂合金、鈦鎂合金、粉末冶金材料、高強(qiáng)鋼；非金屬型摩擦鉚接主要鉚接纖維復(fù)合材料及各種塑料。兩種摩擦鉚接的機(jī)理具有一致性，都是摩擦生熱與塑性形變，工藝參數(shù)略有不同，特別是金屬摩擦鉚接要求的頂鍛力較非金屬鉚接的頂鍛力大，而非金屬摩擦鉚接要求的轉(zhuǎn)速較高。本文研究不同主軸動(dòng)力參數(shù)對(duì)AA2024-T351鉚釘/PEI ULTEM-1000母材摩擦鉚接工藝鐓頭形態(tài)的影響。

1 工藝原理

摩擦鉚接工藝的機(jī)理是：通過鉚釘相對(duì)母材旋轉(zhuǎn)摩擦，使母材連接區(qū)域產(chǎn)生一定的溫度分布，通過鉚釘軸向進(jìn)給和相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生母材塑化流動(dòng)，從而產(chǎn)生一種動(dòng)態(tài)鉚焊狀態(tài)，當(dāng)連接區(qū)域鉚焊狀態(tài)達(dá)到最佳時(shí)，通過摩擦鉚接裝備使鉚釘相對(duì)母材瞬間急停下來，在一定溫度梯度條件下使連接區(qū)域固化，最終形成摩擦鉚接連接接頭。

由此，摩擦鉚接工藝可以分成4個(gè)階段：第一階段，主軸帶動(dòng)鉚釘旋轉(zhuǎn)，同時(shí)軸向伺服進(jìn)給，鉚釘與母材接觸，摩擦開始；第二階段，鉚釘旋轉(zhuǎn)持續(xù)進(jìn)行，鉚釘軸向伺服進(jìn)給進(jìn)一步增加，鉚釘進(jìn)入母材，摩擦產(chǎn)生的大量熱量軟化母材和鉚釘；第三階段，鉚釘旋轉(zhuǎn)與軸向進(jìn)給不斷進(jìn)行，連接區(qū)域鉚焊狀態(tài)形成，鉚釘變形產(chǎn)生自鎖；第四階段，鉚焊狀態(tài)最佳，鉚釘相對(duì)母材急停，鉚接接頭完成。摩擦鉚接工藝過程見圖1。

圖1 摩擦鉚接工藝過程Fig.1 The process of friction riveting

(1)第一階段，金屬摩擦鉚接[8-10](圖1a上)軸向力初始可達(dá)10 kN，鉚釘轉(zhuǎn)速約3 000 r/min，隨著接觸時(shí)間延長，軸向力逐漸減小；對(duì)于非金屬鉚接[4](圖1a下)，初始軸向壓力約55 N，鉚釘轉(zhuǎn)速約21 000 r/min，軸向力也逐漸減小。

(2)第二階段，對(duì)于金屬母材(圖1b上)，鉚釘旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量使母材首先軟化，在旋轉(zhuǎn)作用下形成局部塑化流動(dòng)，隨著摩擦?xí)r間延長，鉚釘也開始變軟；對(duì)于非金屬母材(圖1b下)，此階段作用時(shí)間比金屬母材短。

(3)第三階段，在一定的工藝參數(shù)下，此階段的連接區(qū)域會(huì)發(fā)生鉚焊狀態(tài)，在金屬塑性流動(dòng)和高溫作用下，金屬母材(圖1c上)的鉚焊會(huì)出現(xiàn)金屬間化合物，同時(shí)在模具的作用下空心鉚釘腿部彎曲自鎖；對(duì)于非金屬母材(圖1c下)，此階段會(huì)出現(xiàn)鐓粗現(xiàn)象。

(4)第四階段，鉚釘?shù)募蓖Ｊ悄Σ零T接連接的最后階段，也是摩擦鉚接工藝的關(guān)鍵所在，此階段要把握好鉚釘旋轉(zhuǎn)的急停減速時(shí)間(圖1d)。

從上述工藝過程分析中可以看出， 摩擦鉚接工藝采用伺服進(jìn)給可以實(shí)時(shí)精確地監(jiān)測(cè)和控制鉚接過程中加載的壓力，同時(shí)采用精密急停主軸可以控制旋轉(zhuǎn)摩擦速度和進(jìn)給速度及時(shí)間以控制鉚接區(qū)域熱輸入。通過這種“力-行程”和“轉(zhuǎn)速-溫度”摩擦鉚接監(jiān)控技術(shù)可以得到優(yōu)良的連接接頭，同時(shí)避免母材擠壓破裂、褶皺等裝配缺陷發(fā)生。同時(shí)，可以采用X、Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)尋位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接點(diǎn)的精密定位。

從工藝性來說，摩擦鉚接十分適合連接輕薄板料，具有極大的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)鉚接技術(shù)相比，摩擦鉚接不破壞母材的整體性，保證了結(jié)構(gòu)的承載能力；噪聲小，無打孔所致的多余物，綠色環(huán)保；克服了傳統(tǒng)鉚接工藝對(duì)母材組合的外觀、功能和動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度的制約。與膠接技術(shù)相比，摩擦鉚接不需膠粘劑；膠接接頭的強(qiáng)度較低，而摩擦鉚接強(qiáng)度較高；克服了涂膠粘合工藝在抗高溫、耐沖擊、抗老化性能方面存在的安全隱患。與特殊焊接相比，無論從設(shè)備投資、能耗成本核算，還是從工序繁簡(jiǎn)和操作要求方面，都具有不可比擬的綜合成本優(yōu)勢(shì)。

總之，摩擦鉚接具有如下工藝優(yōu)點(diǎn)：

(1)可連接不同材質(zhì)、不同厚度、不同硬度和不同強(qiáng)度的兩層或多層材料組合。

(2)充分滿足不同非金屬種類材料之間的連接靜態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度要求，克服膠接工藝和傳統(tǒng)鉚接工藝的不足，具有碰撞能量吸收功能，可滿足安全方面的要求。

(3)允許不同種類材料之間涂結(jié)構(gòu)膠粘合層，達(dá)到隔音降噪和防水密封的目的，克服了螺接和傳統(tǒng)鉚接工藝的不足。

(4)工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)流程化，便于生產(chǎn)線集成。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文采用的上海航天設(shè)備制造總廠自主研發(fā)的摩擦鉚接裝備FR001(2014年)見圖2。設(shè)備行程為1 200 mm×700 mm×600 mm；額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為18 000 r/min；額定扭矩為27 N·m，配置自研主軸急停系統(tǒng)[11]。裝備采用西門子數(shù)控系統(tǒng)828D(銑床版)，構(gòu)成如圖3所示。其中油冷機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)電主軸在急停工作中所產(chǎn)生的大量熱量，保護(hù)主軸；壓力傳感器用于鉚接過程頂鍛力的檢測(cè)[12]，可以提供力參數(shù)給鉚接工藝的管理系統(tǒng)，起到閉環(huán)控制，同時(shí)可以提供過載報(bào)警信號(hào)，保護(hù)主軸。

圖2 自研摩擦鉚接裝備Fig.2 Self-developed friction riveting equipment

圖3 摩擦鉚接裝備系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.3 System diagram of friction riveting equipment

2.2 材料與準(zhǔn)備

選用PEI ULTEM-1000(美國通用公司)作為基體母材。為了使摩擦鉚接模具匹配，將母材尺寸改制為8 mm×610 mm×47 mm、10 mm×610 mm×47 mm、15 mm×610 mm×47 mm和20 mm×610 mm×47 mm，以測(cè)試不同厚度材料的鐓頭效果差別。鉚釘材料選擇高強(qiáng)鋁合金AA2024-T351。如圖4所示，前期進(jìn)行了9種形式的鉚釘可鉚性基礎(chǔ)摸索試驗(yàn)工作，本文選擇與主軸工藝參數(shù)窗口匹配性較好的直徑為 10 mm、長度為60 mm的AA2024-T351鋁合金實(shí)心桿鉚釘和實(shí)心螺紋鉚釘。

(a)實(shí)心桿 (b)螺紋細(xì)桿

(d)空心桿 (c)螺紋粗桿

(e)空心螺紋桿(f)空心螺紋端頭倒圓桿

(g)空心臺(tái)階桿1(h)空心臺(tái)階桿2

(i)實(shí)心臺(tái)階桿圖4 摩擦鉚釘Fig.4 The friction rivets

2.3 方法概述

由于摩擦旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高、功率大、頂鍛力大、急停時(shí)間要求極短，故與傳統(tǒng)鉚接裝備和攪拌摩擦焊接機(jī)床裝備具有很大的不同。試驗(yàn)中需考慮裝備的抗振動(dòng)能力、熱穩(wěn)定性和精度保持性，試驗(yàn)除采用自主研制的設(shè)備之外，還設(shè)置了模具系統(tǒng)，如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)具有在線監(jiān)測(cè)鉚接力、扭矩以及溫度的作用[12]，便于工藝分析。

圖5 摩擦鉚接工藝試驗(yàn)方法Fig.5 Experimental method of friction riveting process

摩擦鉚接中，實(shí)心金屬鉚釘通過高速的主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，然后以一定速度直接“撞入”被鉚接的PEI母材，由于摩擦生熱鋁合金鉚釘軟化，加上PEI母材材料的軟化流動(dòng)壓力，使得被鉚接出來的鉚接墩頭出現(xiàn)環(huán)狀錨鉤的形態(tài)，形成機(jī)械自鎖效應(yīng)。

試驗(yàn)獲得的摩擦鉚接接頭見圖6，接頭加工出與試驗(yàn)夾具相適應(yīng)的R32.5圓角，通過圖6所示的拉力試驗(yàn)機(jī)獲得抗剪力與拉斷力，幫助分析主軸動(dòng)力參數(shù)及鐓頭形態(tài)與接頭性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(a)CMT5305試驗(yàn)機(jī) (b)試驗(yàn)夾具部分 (c)試驗(yàn)接頭圖6 摩擦鉚接接頭拉力試驗(yàn)Fig.6 Tensile test of friction riveted joint

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

從獲得的結(jié)果來看，熱量輸入量決定了鉚接接頭質(zhì)量的優(yōu)良程度，而決定熱量大小的參數(shù)主要是設(shè)備的主軸(鉚釘旋轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)速、鉚入速度和下壓深度。急停的快慢對(duì)非金屬摩擦鉚接接頭的鐓頭形成沒有直接關(guān)系，但對(duì)接頭緊固的松緊度有較大影響。

結(jié)果表明，工藝參數(shù)與力學(xué)性能有很大的相關(guān)性，同時(shí)主軸動(dòng)力參數(shù)的變化對(duì)鐓頭形態(tài)影響很大，本文進(jìn)行了若干試驗(yàn)并得到了較好的樣品(圖7)，同時(shí)也獲得了幾種典型的缺陷(圖8)?；谠囼?yàn)結(jié)果，以鐓頭觀察為主，接頭力學(xué)性能為輔，分析主軸動(dòng)力參數(shù)對(duì)摩擦鉚接鐓頭形態(tài)影響，結(jié)果如表1所示。

(a)接頭樣品 (b)接頭外觀

(c)鐓頭形態(tài)圖7 典型良好鐓頭形態(tài)摩擦鉚接接頭Fig.7 Typical good pier head friction riveting joints

(a)扭斷 (b)鉆削

(c)錨鉤鐓粗 (d)錨鉤撞彎圖8 幾種典型摩擦鉚接鐓頭形態(tài)缺陷種類Fig.8 Kinds of typical defect types of frictionriveted pier head

3.2 主軸轉(zhuǎn)速

摩擦鉚接鉚釘?shù)霓D(zhuǎn)速對(duì)母材表面溫度的變化、母材的磨損、鐓頭的形成具有很大的影響。根據(jù)上述試驗(yàn)材料和設(shè)備，轉(zhuǎn)速8 000 r/min以下時(shí)，對(duì)于10 mm實(shí)心棒鉚釘，摩擦生熱較小，PEI母材有材料鉆削磨損現(xiàn)象(圖8b)，PEI母材未融化，鉚釘由于下壓作用被撞彎，鉚釘材料未出現(xiàn)熱塑性變形，母材融化不完全，無旋轉(zhuǎn)摩擦熱鐓頭；對(duì)于 10 mm實(shí)心棒鉚釘，轉(zhuǎn)速10 000 r/min以下時(shí)，有材料鉆削和少部分材料融化現(xiàn)象并行出現(xiàn)，同時(shí)有部分出現(xiàn)鉚釘扭斷現(xiàn)象(圖8a)，可見鉚釘材料出現(xiàn)熱塑性，在下壓力和熱輸入共同作用下產(chǎn)生了微弱鐓頭。試驗(yàn)的主軸摩擦轉(zhuǎn)速有8種，即8 000，9000，10 000，11 000，12 000，13 000，14 000，15 000 r/min。由結(jié)果可以看出鉚釘直徑越大，熱輸入越大，母材越容易被融化，與此同時(shí)鉚釘越易被軟化。

表1 幾組典型摩擦鉚接拉斷力測(cè)試

3.3 鉚入速度

摩擦鉚接中，鉚釘鉚入母材表面的速度對(duì)快速產(chǎn)生大量熱量和避免大量鉆削磨損的影響很大。試驗(yàn)中鉚入速度過小，會(huì)出現(xiàn)鉚釘逐漸深入鉆削的現(xiàn)象(圖8c)，同時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量會(huì)被母材的磨損磨料在離心速度下帶走，影響熱量在鉚釘和母材接觸區(qū)域的積聚，從而造成該區(qū)域有效熱量輸入能量密度過低，伴隨出現(xiàn)的特征是鉚釘既不發(fā)生鐓粗，也不會(huì)被撞彎，只有母材被高速打磨出一個(gè)孔。試驗(yàn)中鉚釘鉚入速度過快，熱量還未來得及產(chǎn)生，鉚釘材料就被撞彎，撞彎相當(dāng)于擴(kuò)大鉚釘直徑，然后產(chǎn)生一個(gè)彎曲的鐓頭(圖8d)，研究發(fā)現(xiàn) 10 mm鉚釘15 000 r/min轉(zhuǎn)速下以800 mm/s以上鉚入速度進(jìn)行鉚接，大部分會(huì)被撞彎而產(chǎn)生鐓頭。研究中設(shè)置的鉚入速度是100～800 mm/s。

3.4 下壓深度

摩擦鉚接鉚釘下壓距離對(duì)鉚釘鐓頭局部具有很大的影響。對(duì)于光桿鉚釘，試驗(yàn)中下壓距離越大，有效熱量輸入越多，產(chǎn)生的鐓頭越粗，鐓頭表面堆積的材料越多。對(duì)于螺紋鉚釘，由于螺紋的排屑作用，使其下壓距離影響不十分明顯，總體上下壓距離越大，形成的錨鉤狀區(qū)域形狀越光整，由拋物線鉤狀向圓鉤發(fā)展(圖8c)。

3.5 急停時(shí)間

急停的快慢對(duì)非金屬摩擦鉚接接頭的鐓頭形成影響不大，急?？炻饕赡Σ零T接設(shè)備的減加速度決定，結(jié)果表明，急停越快，接頭越不容易松動(dòng)。這是因?yàn)槿诨癄顟B(tài)的PEI非金屬母材會(huì)黏附在鉚釘表面，從而限制圓周松動(dòng)。試驗(yàn)中，急停的時(shí)間獲取通過控制系統(tǒng)獲得，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)急停時(shí)間對(duì)墩頭環(huán)狀錨鉤的形成影響不大，但對(duì)接頭的松動(dòng)性有影響，將從15 000 r/min急停時(shí)間控制在1 s內(nèi)可以提高摩擦鉚接緊固牢固率80%以上。目前獲得的數(shù)據(jù)表明，非金屬從15 000 r/min急停時(shí)間在1 s內(nèi)，可以滿足AA2024-T351鉚釘/PEI ULTEM-1000母材摩擦鉚接工藝墩頭形態(tài)要求。

4 結(jié)語

在摩擦鉚接工藝技術(shù)初始研究階段,采用自主設(shè)計(jì)的摩擦鉚接裝備、摩擦鉚接鉚釘和摩擦鉚接模具，并根據(jù)設(shè)備調(diào)試和優(yōu)化需要，進(jìn)行了摩擦鉚接可鉚性試驗(yàn)，并成功做出摩擦鉚接樣件接頭。在此基礎(chǔ)上，研究了摩擦鉚接主軸轉(zhuǎn)速、鉚釘下壓速度、鉚釘下壓距離和急停性能對(duì)摩擦鉚接鐓頭形態(tài)的影響。

摩擦鉚接工藝裝備作為自研的先進(jìn)高速瞬態(tài)點(diǎn)連接設(shè)備之一，集成了摩擦點(diǎn)焊機(jī)、旋鉚機(jī)及自沖鉚設(shè)備的工藝優(yōu)點(diǎn)，其多項(xiàng)單元技術(shù)可應(yīng)用于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)與改進(jìn)，例如高檔電主軸技術(shù)、鉚接自動(dòng)化技術(shù)及制造系統(tǒng)集成技術(shù)。