鐵道車輛整車鉚接質量分析診斷系統概述

蔣新華

摘 要 采用了試驗結合有限元仿真的方法，對自沖鉚接（Self-PiercingRiveting，SPR）設備中的重要部件凹模出現的不同程度的損傷情況可能對SPR接頭質量產生的影響進行了試驗研究。對凹模的受損情況進行統計分類，根據凹模的受損程度將凹模分為早期受損、中前期受損等5個級別。使用不同受損程度的凹模對厚度為1.5mm的A6111鋁板進行自沖鉚接，測量鉚接接頭的外觀質量與接頭剖面幾何參數。通過拉伸-剝離仿真試驗，探究凹模斷裂損傷對SPR鉚接接頭的連接質量的影響。試驗結果表明：凹模損傷會對接頭表面外觀質量造成損傷，并且會隨著凹模損傷程度的增加而增大;凹模沒有發生斷裂時，凹模損傷對接頭剖面的幾何參數不會產生太大影響;凹模發生斷裂，會降低接頭的連接質量。

關鍵詞 自沖鉚接;凹模損傷;鉚接質量;接頭外觀;斷裂

引言

鋼結構件的連接方式主要有螺栓連接、鉚接連接及焊接連接等方式。在鐵道車輛生產中，鉚接是除了焊接外，應用最為廣泛的鋼結構件連接方式。近年來，國內軌道車輛企業和中國鐵路總公司大力投資信息化系統建設，不斷推動鐵路車輛診斷技術的發展，但鉚接質量在線診斷方面缺少可靠的解決方案及鉚接質量追溯措施。目前車輛制造過程中鉚釘鉚接完成后的檢查都是通過目測等人工方法進行，不僅費時費力，而且難以消除人為因素對檢測結果的影響在車輛企業質量管控廣泛采用ERP/MES/PCS/LIMS等分層架構的今天，仍然采用人工監測方式將會導致各平臺間數據傳輸不便、未對過程質量進行監測和預警、出現質量問題缺乏有效的工藝質量追溯和離線分析措施等問題，不能夠使質量管控達到最完善[1]。

1自沖鉚接的基本原理

自沖鉚接技術是一種冷機械連接工藝，在這種工藝中，多片材料無須預先鉆孔即可鉚接在一起。它的工作原理是將一個典型的半管狀鉚釘推入材料的目標堆中，在此期間材料和鉚釘的塑性變形使得材料堆內形成機械鎖。自沖鉚接技術各零部件包括沖頭、壓邊圈、上下板料、鉚釘和凹模。成型過程可分為4個階段：①夾緊階段。壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，與此同時，鉚釘也在沖頭的驅動下垂直向下對板料進行預壓緊。②沖刺階段。沖頭向下運動，推動鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時，鉚釘也驅使下層板料向凹模內發生塑性變形。③擴張階段。沖頭向下運動，推動鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時，鉚釘也驅使下層板料向凹模內發生塑性變形。④鉚接完成。沖頭向下運動，推動鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時，鉚釘也驅使下層板料向凹模內發生塑性變形。

2關鍵問題研究

2.1 整車鉚接工藝質量追溯體系的建立

整車鉚接工藝質量追溯體系的建立不僅需要判定鉚釘鉚接質量，還需要將每個鉚釘的鉚接質量及鉚接位置進行匹配，并生成質量卡片。拉鉚槍上的工業相機會將拉鉚時的鉚接對象及周圍環境記錄下來，并上傳給工控機。對于轉向架基礎制動裝置等具有明顯輪廓特征的對象，只要找出鉚接時采集圖像的輪廓特征即可判別鉚接位置;對于罐車、敞車以及其他鉚接位置無明顯輪廓特征的對象，可以采用事先對鉚接處信息的條形碼即可實現對該鉚接位置采集圖像的識別[2]。

2.2 鉚釘參數對接頭性能的影響

在鉚釘材料方面，的研究指出，由于鉚釘不僅要求較高的強度，而且要求適當的延展性，因此鉚釘強度的提高是有限的。出鉚釘必須有足夠的硬度來穿透上層板料，同時也要有足夠的塑性與底層板料一起向外擴張。提出在成型階段，硬度高的鉚釘所需要的壓力明顯高于硬度低的鉚釘。鉚釘硬度提高，抗剪強度提高，抗拉強度提高。認為鉚釘材料直接影響到鉚釘穿透鋁板的能力和鉚接接頭截面形貌。通過上述學者的研究，可以得出如下結論：鉚釘硬度不能太低，否則無法刺穿上層板，隨著鉚釘硬度的提高，鉚接質量顯著提高;但鉚釘的硬度也不能太高，否則容易穿透下板材料。在壓緊和上層板穿刺階段，鉚釘的硬度影響不大，在鉚釘腿部張開和成形階段，硬度大的鉚釘所需成形壓力較大。鉚釘硬度提高，抗剪強度提高，抗拉強度提高，但不同板料對應何種硬度的鉚釘還有待研究。

2.3 沖頭參數對接頭性能的影響

認為由于板料之間有間隙，鉚釘在嵌入板料之前需要先通過彈性變形消除間隙，故沖頭位移應比鉚釘長度大0.2mm。鉚接到位時載荷變化曲線非常陡，故用載荷控制誤差相對應位移控制較小。分析了鉚釘/板材組強度匹配、鉚接速度對鉚接成型質量的影響，認為鉚接速度主要通過兩方面來影響鉚接質量：一是由于沖壓載荷峰值的變化影響了接頭的成型性，二是由于應變速率的不同，對板材加工硬化程度和斷裂應力的影響不同。提出接頭強度隨加載速率的增大而增大。采用5種不同的鉚接速度進行接頭的自沖鉚接試驗。觀察各鉚速下接頭的截面成形形貌，并測得鉚速增大時，接頭底切量增大，底部厚度和剩余厚度均減小。的研究表明，應變速率增大時，板材加工硬化率提高，斷裂應力有減小的趨勢，會過早產生斷裂。張雨桐等的研究表明，沖頭速度過大，板料容易發生回彈現象，沖頭速度過小，達不到預期的鉚接效果。上述學者的研究表明：隨著鉚接速度的增加，從成型狀態來觀察，接頭底切量增大，剩余厚度和底部厚度均減小;從板料性能來觀察，板料加工硬化率提高，斷裂應力有減小的趨勢。成型狀態此時處于優勢地位，對接頭性能的影響大于板料本身的影響，所以接頭拉剪強度明顯增大，而脫落強度增大幅度較小[3]。

3結束語

通過上述研究可以得出如下結論。

①影響接頭質量的工藝參數主要是鉚釘材料、長度、鉚釘間距、板邊間距、凹模的凸臺高度、板料的厚度和沖頭的載荷與速度。不同學者對影響程度優先順序之間的研究結果并不相同，所以仍需采用更完善的試驗方法對工藝參數的重要程度進行判斷。②根據工藝參數對接頭的幾何性能和抗剪強度進行預測，可以指導工藝參數的選取，簡化生產過程，提高生產效率。但目前的預測模型仍有一定的缺陷，所以需要研究新的強度預測模型和方法。

參考文獻

[1] 蔣滔，方輝，董秀麗.飛機蒙皮鉚接質量視覺檢測系統的構建[J].航空制造技術，2017，60（6）：88-91.

[2] 戴云鵬.汽車輕量化中自沖鉚連接技術的工藝特點[J].機電技術，2017（1）：61-63.

[3] 王雷，張志超.鉚接過程質量控制工藝及生產技術研究[J].機電元件，2016，36（4）：36-39.