全铝车身自冲铆接设备自动化应用

张勇1 胡峥楠2 ( 1. 宁波吉利汽车研究开发有限公司,宁波 315336;2. 吉利汽车研究院(宁波)有限公司,宁波 315336)

Automobile Technology & Material - - Special Topic - 1987—),作者简介:张勇( 男,工程师,本科,研究方向为自动化设备开发、智能工厂电气自动化开发、先进制造工艺。

摘要:针对自冲铆接设备在全铝车身连接生产中的应用,阐述了当前铆接设备的应用前景,通过对铆接过程的分析,验证铆接质量的过程监控对于自动化生产的重要意义。结果表明,保证铆钉铆接质量是汽车生产高节拍、高质量,以及自冲铆接工艺大量投入汽车生产过程的前提。

关键词:轻量化 自冲铆 柔性化 过程质量 切换工艺 分料U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180241中图分类号: 文献标识码:

1 前言

随着国内对于能耗和排放的要求越来越严格,汽车的节能减排标准在当前政策推动下不断提高,为改善燃油经济性、排放性能以及电动汽车的续航能力,汽车制造的轻量化越来越为各大汽车制造商所重

75%视。研究表明,约 的油耗与整车质量有关,车身

100 kg, 0.3~0.5 L/100 km,每减少 燃料消耗量减少CO2 0.8~1 kg/100 km[排放量减少 1]。铝合金材料对汽车轻量化有着非常积极的意义,它也成为了汽车材料的发展方向。目前,全

15%世界耗铝量的 以上用于汽车工业,有些工业

18%发达国家已超过 [2]。未来,轻量化材料如铝材、碳纤维等超轻材料将逐渐取代传统钢材的工业地位。

汽车轻量化材料有很多种,这些材料的连接是最终形成车身的关键,目前的连接方式主要有 焊接、黏胶、锁铆铆接,连接工艺直接影响汽车的安全性。

2 自冲铆接技术 2.1 技术特点

自冲铆接是一项航天工艺技术,它通过电机提供的动力将铆钉直接压入待铆接板材,当铆接板材在铆钉的压力下与铆钉发生塑性形变并成形后,充盈于铆模之中,从而形成一种全新的板材连接技术。它可以更广泛地应用到制造业的各个方面,打破了焊接技术对于材料的局限性,解决了车身轻量化过程中不同材料连接的技术关键。同时,铆钉具有较高抗疲劳强度和静态紧固力,这意味着通过该技术打造的车型拥有更强的车身刚性,在面对撞击时,采用铆钉技术的车型能承受更剧烈的撞击,尽可能保证驾乘人员的安全。

与传统电阻点焊工艺相比,自冲铆接有如下优点[3]: a.实现了冲铆过程的一步完成,减少工时,连接成本低廉并有利于自动化生产。

b.可加工对象广泛并可以连接多层板料,弥补了焊接工艺对材料的局限性。c.连接过程无需加热,可以与其他工艺组合。d.模具使用寿命相对较长(使用次数通常超过20 000次)。e.连接过程不散发烟雾和热量且噪声低,有利于环境保护。

2.2 工艺过程

4 1):自冲铆接工艺分 个阶段[4(]见图a.夹紧,铆枪到达铆接位置并贴近铆接板料,铆钉在冲头的驱动下垂直向下对板料进行预定位。b.压入,冲头加力下压铆钉迫使其刺穿上层板料,与此同时,铆钉刃口继续向下使下层板料发生塑性变形。c.扩张,随着铆接过程的进行,下层板料被刺穿,塑性变形产生的径向力包裹在铆钉凹槽上, “墩头”形成。d.释放,当铆钉头与上层板料的上表面紧密接触且平齐时可以认为铆接已完成,冲头返回初始位置。

通过以上过程分析,自冲铆接在铆钉刺穿板材过程中,板材只在其刺穿部位发生变形,远离刺穿部位的变形逐渐减弱甚至没有发生,工艺效果2如图 所示。

3 自冲铆接装备 3.1 系统构成

自冲铆接设备型式多样,各具特色,其基本结构为:由液压或伺服系统组成的动力系统、推送机构、铆钉供给机构、电气控制器等。

Henrob) Emhart)目前亨罗布( 公司、埃姆哈特(

Boll-hoff)公司、博尔豪夫( 相继开发了自冲铆接设备,并陆续为汽车行业及相关领域的客户提供铆接设备和相应服务。以博尔豪夫公司的自冲铆接系统为例,其系统应用到机器人工作站的基本构

3成如图所示。其中,驱动器包括分料单元、送料单元等,铆钉执行器包括模具、推送机构、连接装置等,工具切换机构包括换枪盘等,机器人控制柜包括机器人控制器及驱动器等,铆枪控制柜包括控制器、过程监测机构等。

3.2 国内自冲铆接装备开发

虽然自冲铆接有许多优点,但作为一种新兴的技术,如何导入自动化生产,是急需解决的问题。国内铆接装备开发起步较晚,通过总结国外铆接装备开发过程可知,开发时需要重点考虑铆接过程质量监控、铆接工具切换工艺以及分料、送料方式。3.2.1

铆接监控机构目前,国内外对于铆接过程中质量监控问题的解决较为迫切。其中,无损式监测和分析技术是自冲铆接质量控制的发展方向[5]。无损式监测技术主4)要依靠铆接设备自身的力和位移传感器(见图 获取的数据进行分析。根据不同的铆钉长度、板材厚

-度具有不同特征的力 位移曲线的特点,通过对铆接过程中的力和位移信号进行采集和分析,可以对

加工中的工艺故障进行判断,比如铆钉长度错误、板材厚度错误、铆钉位置不对中等。

只依靠设备自身的力和位移传感器,在生产过程中有较大的局限性。因此,在铆接系统开发

-过程中,将力位移曲线监测技术与机器视觉、超声波检测等技术结合,对自冲铆接质量的在线监测和缺陷分析有重要意义。机器视觉技术设备可随铆接设备作为工具共同

5安装到机器人工作臂上,如图 所示。通过机器视觉影像技术建立良品的视觉模型,铆接过程中利用-力 位移曲线监测过程质量,铆接完成后利用视觉模型对比当前铆接质量,实现对质量监控的闭环判断。 3.2.2

铆接工具切换工艺在现代汽车生产线中,柔性化是自动化生产的关键要素,工装夹具及机器人工具的快速切换,使柔性化生产成为可能。目前,汽车柔性焊装生产线中的机器人工具快换技术已经普及,机器人通过切换不同的焊枪,实现不同位置、不同空间的焊接需求。

自动铆接技术可以利用目前的快换技术,针对不同铆钉、不同铆接位置实现铆枪的快速切换,

6如图 所示。3.2.3

分料、送料机构在使用铆钉时,由于铆钉大多为散装不规则排列,需要人工将铆钉一一放入铆接孔内,操作不 便,生产效率较低。自动供料机构把待使用的产品从散乱的零件中分离出来,按照产品设计要求,在准确的时间以合适的姿态送入执行机构中。目前,国内分钉技术已基本成熟,总体分为振动分离技术和机械分离技术。本文建议采用振动分离技术,通过振动盘,将同一规格铆钉通过振动分离排列,送入送料单元,结合机器人管线包技术,最终

7送入到铆枪内,如图 所示。

4 结束语

随着对自冲铆接工艺研究的不断深入,自冲铆接技术必然会成为材料连接的最可行和有效的连接工艺。国内装备厂商应根据汽车生产线高节拍、柔性化、智能化的要求,结合铆接工艺的特点,开发出适用于国内汽车轻量化生产线的铆接设备。

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图3 连接自冲铆设备的机器人工作站

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