一種新型旋鉚薄板連接技術和設備開發

張毅

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

本篇重點地介紹一種新型的板材間連接技術，目前它分支了三大類工藝，第一種是接頭跟SPR比較類似，鉚釘腳被撐開產生反向阻止脫落結構形式，但SPR是鋁板與鋁板的連接，這種工藝確實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，高速旋轉摩擦焊接了下層的鋼板，第三種是鋁板鋁板，鉚釘腿內腔帶螺紋的方式，高速旋轉生熱產生塑性材料擠入鉚釘內腔，內腔塑性材料冷卻后鋁柱被內腔的螺紋環抱住，與此同時，鉚釘帽高速旋轉在鉚釘帽沿圈兩層鋁板組織由于生熱熔合在一起，產生一定的強度形成復合連接體。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，除鋼釘產生與SPR一樣的效果外，鋼釘在高速生熱后，產生鋼釘腿尖部還會與鋼板熔合連接現象。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，鋼釘內腔螺紋抱住了腔體內流入的鋁柱外，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，連接體的強度也可以媲美一定直徑大小的HUK鉚釘的連接效果。

以第二種工藝為例，涉及元素分別是摩擦鉚釘（釘腿中空內腔型）、上層鋁板、下層鋼板、形變材料流動區、摩擦焊接區。工藝流程簡易模型大概概括為，首先摩擦鉚釘根據材料種類和板材的厚度軸向選擇合適的轉速、軸向力和進給速度，穿透上層鋁板層，由于高速旋轉推進，鋁板在被穿透的過程中，也就是變形材料流動區，材料軟化產生流動，逐漸地填充釘腿內腔，釘腿內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間接觸下層鋼板的表面涂層，并穿透，然后鉚釘在持續的高速旋轉和推力下，鋼釘端部和下層鋼板摩擦生熱，也就是摩擦焊接區，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，最后驅動鉚釘旋轉的動作停止但持續保持一定推力，對接頭持續壓緊一定設定時間，完成一個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度要求的接頭。

實現這種新型的連接技術需要設計制造比較有針對性的專用裝備，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、推進電機，要求提供大約450KG左右的推力，進給速度大于250mm/s;旋轉電機，要求提供大于4500轉/分的旋轉速度，以及8N.m以上的扭矩;推進電機力輸出聯軸器和絲杠，配合電機輸出扭矩和所需移動速度，選擇合適直徑和導程的絲杠;滑軌，保證驅動軸運行直線度的重要精度保證部件;驅動軸和驅動套，二者承擔著直接旋轉鉚釘和擠壓的鉚釘的重要任務，旋鉚過程的轉速大概要大于4500轉/分，轉速不能太低;壓邊圈壓邊套，起到驅動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，可以應用廣泛場景中，在常見的用在六軸工業機器人上，落地固定專機，四軸工業機器人，四軸桁架機構等場景中都是非常可行的，不過由于負載非常大，轉速非常高，對設備本身的能力要求也非常高。

在對此特殊專機的控制方面要求滿足如下技術指標：

滿足機器人自動化作業要求;多段鉚接功能;滿足不同板材組合匹配對應鉚接程序;實現參數規范設置、存儲與導入;驅動軸壓力實時監測與反饋;診斷板厚與預設不匹配，程序終止;鉚焊接過程參數化控制;顯示鉚接過程參數曲線，歷史數據存儲對比;具備設備故障診斷報警功能，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界面交互;隨著這類工藝掌握程度不斷的加深，控制技術要求的指標越來越精細，手段也會越來越完善。

完整的系統框架包括：

整體系統由空壓機、氣源過濾器FAL、送釘機、送釘管、鉚釘系列、鉚釘加工設備、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多點觸摸柜、機器人、機器人管線包、一系列檢測傳感器、氣路和氣控模塊（真空閥、數顯氣壓傳感器、電磁閥、氣體過濾器和閥排）、壓力傳感器采樣放大器、數字量采樣模塊、模擬量采樣模塊、脈沖量采樣模塊、數字量輸出模塊、電纜管線、接頭系列等組成。

整體設備開發涉及到大致的工作范圍：開發資金的申請、項目管理、市場調研、采購活動、工藝設計研究、機械設計、機械動作模擬分析、氣路設計、電控硬件設計、電控程序設計、技術支持和指導、機械零件受力載荷仿真分析、產品裝配和調試、上電程序運行聯調聯試、產品說明書編撰、設備操作手冊編撰等等。

各方職責：

項目經理負責整體項目實施溝通協調，范圍管控，進度管控，成本控制，人員工作協調，風險管理、質量控制，一系列全過程管理。

工藝設計研究團隊負責鉚釘系列設計，對應板材材料和厚度組合設計，實驗分析鉚焊接點接頭各項力學性能，提供輸出旋鉚轉數指標和扭矩指標，進給速度指標，驅動頭擠壓力需求指標和壓邊圈對板材壓力需求指標等工藝技術實現的要求指標;

機械設計負責功能目標與機器運動匹配設計，機械結構整體布局，機械零件設計，外購件選型，裝配拆卸可行性分析，機加可行性分析，運動認證分析干涉檢查與排除，設計零件強度分析，精簡減重分析優化，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定，圖紙命名規則確定，動作時序分析，二維圖繪制和BOM表制作，專用工具設計，外購件和機加工采購單制定，各項相關技術支持，采購價格洽談、交期和合同技術關鍵條款制定;

電控設計負責功能目標與機器運行控制匹配設計，電氣元件選型和采購單定制，電纜網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計和接線圖設計，收集設備系統各項信號參數擬合成嚴密邏輯規則，編寫PLC程序實現完整工藝機器運行控制，PLC程序能夠設定各項邊界條件和反映每一步運行狀態，實現脫機網絡和聯線程序導入后自動運行編寫的程序，人機操作界面反饋內容設計與規劃，人機界面可實現手動操作各項子程序，程序實現過程故障診斷、故障點提示和故障解除措施反饋，人機界面能夠直觀顯示故障診斷結果和故障區塊，人機界面在設定的許可權限下可以根據生產實際調整參數值，手動模式測試，自動模式測試，機器人調用模式測試，自動化調試和程序優化改善，人機界面顯示鉚焊全工藝過程中進給位移、進給速度、旋轉速度、旋轉扭矩、驅動軸壓力、過程時間、鉚接過程能量實時監控表征值，表達成直觀曲線圖示意，到貨元器件開箱性能測試，伺服電機配套驅動器參數設置，各項相關技術支持，采購價格、交期洽談和合同技術關鍵條款制定;

機械裝配人員：外購件的到貨檢查，運動部件配合調整，機械到位安裝，氣管線連接鋪設，傳感器安裝，節拍測試記錄并優化調試，內部驗收，拆裝及包裝，現場辦公及物料倉庫布置，現場問題單跟蹤;

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，各種電源連接，各設備間網絡連接，安全回路連接，傳感器連接，傳感器調整，安全回路檢查，上電，I/O檢查，電氣調試，電氣元件拆裝及包裝，各類元器件標牌和號碼管編號;

氣路施工人員：氣源連接，三聯件安裝，真空發生器安裝，閥塊布置，壓力反饋傳感器安裝，管接頭、堵頭、消音器、節流閥、分氣快等安裝，各類尺寸氣管的串接，各類控制端標牌和執行端標牌，配合電控工程師完成調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隊模式的工作職責內容，不同的公司不同的組織結構，工作內容可以分工更精細方向發展和安排，當然也需要采購、財務和庫管等相關人員的密切協調配合。

設備開發過程也要有完整的過程技術資料的輸出，一般包括如下過程文件：

項目立項書;項目組織結構;項目實施計劃;設計基準書;項目需求分析報告;開發工作日志;相關計算報告;設備測試報告;鉚接點實驗報告;過程改進記錄;風險評估報告;項目過程會議紀要;采購技術協議;采購合同; OPENISSUE記錄;供應商清單;采購RQF單; RQF跟蹤單;采購商品價格數據庫;采購及機加物料跟蹤單;市場調研或技術探討分析報告;三維設計數模;二維設計圖紙; 機械和電氣外購、機加、標準零件等詳細清單;備品備件清單;采購件清單;設備指定尺寸鉚釘系列圖紙;設備適用薄板組合系列圖表;電控PLC程序，HMI程序，網絡配置文件，驅動器設置參數文件;設備運行時序圖;電氣圖紙的元件圖庫;電氣安裝圖紙;氣缸、接近開關、氣動閥島編號標識牌布局圖;柜子、設備和電纜的標識牌和標簽布置圖;氣路圖;開發過程問題跟蹤單;設備失效模式和分析報告;工藝失效模式和分析報告;設備連續往復運行監測報告;設備檢測報告;設備維修養護指導書;外購產品說明書;外購產品操作指導書;設備操作指導書;客戶培訓指導手冊;

該類型的新型連接技術設備在工業連接工藝應用的實現，突破了傳統鋁鋼薄板間連接方式以外的選擇，除了配備介質的輔助連接外還兼顧材料熔合焊接復合工藝連接。在鋁板和鋼板間連接，或鋁板與鋁板連接，無需焊接設備，無需預先開孔，二者貼合連接可以用這種專機直接一步到位連接在一起，不產生飛濺和廢屑，連接強度高，板材局部變形量小等優點。運用場景柔性度高，可以用作固定式專機，也可以將專機設備安放在三軸桁架機構上，也可以安放在四軸機器人和六軸機器人上。范圍應用廣，汽車制造行業，車身件連接;飛機制造行業，機身材料連接;高鐵制造行業，車廂型材連接;軍工裝甲制造行業，裝甲表面附著板材固定連接等等;設備支撐針對性定制開發，根據連接強度需求要求，可以選擇接頭的直徑大小和長度值，從而配置相應技術指標附件。這種專用設備開發技術含量很高，單機開發相當于一臺高精度機床設備設計制造。工藝方面涵蓋了一系列復雜實驗數據的記錄，篩查比較，總結歸納出不同板材組合工藝應對策略;在設備方面，配備高性能伺服電動機，高精度導軌和驅動絲杠，高精度的位置檢測線性編碼傳感器，高速放大響應壓力檢測傳感器，復雜加工鉚釘驅動桿，多種高性能材料應用，氣路管控系統，復雜閉環程序控制系統。預測未來，隨之我們的對這項技術和設備開發的推進，不久的將來，這種工藝會在工業生產中應用越來越廣泛。