林巨廣，錢讓發(fā)，袁 波，周建君，潘偉濤

(合肥工業(yè)大學(xué) a.機械工程學(xué)院，合肥 230009；b.智能制造研究院，合肥 230009)

0 引言

汽車產(chǎn)量以及保養(yǎng)量的增加帶來了安全、污染、能耗等問題，為提高能源利用率，達到節(jié)能減排的效果，提出了汽車輕量化設(shè)計理念。美國鋁業(yè)公司數(shù)據(jù)顯示，汽車中典型鋁質(zhì)零件的一次減重效果可達30%～40%，二次減重可進一步提高到50%[1-2]。采用鋁制車身可以減少汽車增長帶來的環(huán)境與能源壓力，達到汽車輕量化的設(shè)計要求。

在鋁車身連接工藝中，熱熔自攻絲、鋁點焊、自沖鉚被廣泛使用。但由于鋁合金化學(xué)活性強、極易形成氧化膜、線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱強，給焊接帶來困難[3]；自沖鉚工藝需要根據(jù)不同材料性質(zhì)、板件厚度來選擇不同的釘/鉚搭接方式，增加人工及試驗成本。熱熔自攻絲(Flow Drill Screwdriving簡稱FDS)[3]是一種新型的連接工藝。它綜合了摩擦鉆孔以及螺紋成型技術(shù)，在工作過程中緊固螺釘既作為鉆孔工具，又作為緊固件，避免以上工藝的連接限制。在連接過程中螺釘只需與板件單面接觸，大大提高了空間利用率，保證設(shè)計的靈活性。

在國外，一些公司對FDS工藝已經(jīng)進行深入的研究。Skovron J等[4]詳細地介紹了FDS工藝流程，并著重研究擰緊力與鉆孔速度對FDS影響；Miller 等[5]對摩擦鉆孔的過程進行了一系列詳細的研究與分析； Johan Kolst? S?nstab?等[6]通過一系列FDS連接件的剝落剪切試驗，研究連接件的強度以及失效形式，J E GOULD等[7]將FDS工藝與其他鋁合金連接工藝進行比較。目前，我國對FDS工藝研究比較少, 因此對FDS工藝參數(shù)研究具有重要意義。本文提出通過正交試驗設(shè)計方法對熱熔自攻絲工藝進行優(yōu)化，研究FDS的軸向下壓力、螺釘轉(zhuǎn)速、擰緊扭矩對接頭連接質(zhì)量影響規(guī)律，為熱熔自攻絲工藝參數(shù)優(yōu)化提出有益的參考，具有重要實踐與指導(dǎo)意義。

1 熱熔自攻絲(FDS)簡介

1.1 FDS用緊固螺釘介紹

試驗使用阿諾德公司制造的螺釘，如圖1所示，它是由五部分組成：螺釘頭部、底面溝槽、緊固螺紋、攻絲螺紋和尖部。螺釘頭部采用的是一種特殊的法蘭頭，它與FDS機器中相應(yīng)的刀頭緊密地嚙合在一起。其下方有一圈溝槽，用來容納連接過程中由于板件變形向上流出的板材。螺釘?shù)闹黧w部分由緊固螺紋和攻絲螺紋構(gòu)成，確保上下層板件緊密連接在一起。螺釘?shù)募舛私?jīng)過特殊的熱處理，硬度大且耐高溫，能夠保證其在板件上形成孔洞。

圖1 FDS緊固螺釘

1.2 FDS工藝過程簡介

熱熔自攻絲是一個連續(xù)的自動化工程，它可以連接多種不同的材料。在整個過程中它使用專用的螺釘作為工具和緊固件，來完成刺穿、擠壓、形成螺紋、產(chǎn)生扭矩的連續(xù)過程，來達到連接板件，產(chǎn)生夾緊力。

FDS整個工藝過程(見圖2)由五步組成：

(1)準(zhǔn)備：緊固螺釘與FDS機器嚙合；

(2)形成孔洞：在機器的帶動下，緊固螺釘在連接的上層板材表面高速旋轉(zhuǎn)，使連接區(qū)域上層板加熱塑化。緊固螺釘在壓力作用下進入板件，同時在工件表面形成披鋒(凸臺)[8]；

(3)形成螺紋：在孔洞形成之后，緊固螺釘轉(zhuǎn)速降低。其螺紋成型區(qū)域在板件中形成母螺紋；

(4)螺紋旋入：當(dāng)深度傳感器檢測到攻螺紋階段結(jié)束后，為了保證新形成的母螺紋不被損壞，緊固螺釘?shù)霓D(zhuǎn)速進一步降低；

(5)擰緊：擰緊螺釘，使其達到設(shè)定的扭矩。

0 準(zhǔn)備 1 成孔 2 形成螺紋 3 螺紋旋入 4 最后擰緊
圖2 FDS工藝流程

1.3 FDS連接質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)

在實際生產(chǎn)中，對FDS連接板件質(zhì)量評估主要分為外觀檢測和剖面形狀檢測。由于外觀檢測存在著主觀性，為了定量的了解各連接參數(shù)對連接結(jié)果的影響，本文采用剖面形狀檢測方法來判斷連接質(zhì)量。

在進行剖面檢測前，需要將連接件沿著螺釘中心剖開。通過顯微鏡檢測剖面的狀態(tài)以及螺紋形狀(見圖3)，檢測標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下幾個方面：

(1)測量螺釘頭部底座與上層板之間的間隙，記做d/mm。間隙不能過大，一般不超過0.3mm；

(2)測量板與板之間的間隙，記做b/m；

(3)觀察下層板的螺牙個數(shù)，并測量有效螺牙的高度記做a/mm。

圖3 剖面測試示意圖

2 FDS實驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過試驗確定FDS工藝連接中軸向下壓力、螺釘轉(zhuǎn)速、擰緊扭矩這三個過程參數(shù)對連接結(jié)果的影響程度，為以后的生產(chǎn)中提供參考。

2.2 試驗儀器準(zhǔn)備

(1)試驗用板件

用于汽車車身板的常見鋁合金有2000系、5000系以及6000系鋁合金[9]。本次實驗采用型號為6111與6082-T6的板材，其規(guī)格為40mm×40mm，板材厚度以及材料的力學(xué)性能如表1所示。根據(jù)阿諾德公司給出的技術(shù)要求，將6111板材放置在上層，6082-T6板材放置于下層。這樣能夠提高下層板件中有效螺紋長度，提升連接強度。

表1 鋁合金板件的力學(xué)性能

(2)試驗用儀器

在試驗中使用的是Deprag公司提供的FDS連接設(shè)備、阿諾德公司的5×24mm緊固螺釘、專業(yè)的金相切割設(shè)備以及顯微鏡，如圖4所示。

(a)FDS連接設(shè)備 (b)顯微測量設(shè)備圖4 試驗設(shè)備

2.3 正交實驗設(shè)計

(1)確定影響試驗結(jié)果的因子及水平

影響FDS連接強度的三個因素分別為：螺釘轉(zhuǎn)速(A)、軸向下壓力(B)、擰緊扭矩(C)。假設(shè)三個因素之間互不影響，根據(jù)實際經(jīng)驗，確定各因素采用的水平如表2所示。

表2 正交表格各因素及水平

(2)制定合適的正交表格

試驗中各因素有三個水平，故選用L9(33)的正交實驗，設(shè)計出表3所示的試驗方案。

表3 FDS試驗正交表格

3 實驗結(jié)果分析與處理

根據(jù)表3中提供的數(shù)據(jù)，在不同的螺釘轉(zhuǎn)速、軸向下壓力以及擰緊扭矩下進行試驗，得到如圖5所示的剖面圖。

(a) 1號試驗 (b) 2號試驗 (c) 3號試驗

(d) 4號試驗 (e) 5號試驗 (f)6號試驗

(g)7號試驗 (h) 8號試驗 (i)9號試驗圖5 6111+6082-T6連接件剖面檢測

3.1 觀察分析各工藝參數(shù)對測試結(jié)果影響

分析圖5，可以得到以下結(jié)論：

(1)擰緊扭矩對螺釘頭部間隙有顯著的影響。1號、6號、8號試驗中螺釘頭部間隙普遍偏大，這顯然是因為擰緊扭矩過??；在2號、4號、9號試驗中，擰緊扭矩增加，螺釘頭部間隙顯著減小。試驗2中由于螺釘轉(zhuǎn)速偏低，雖然扭矩增加，螺釘頭部仍然有較大的間隙。

(2)軸向下壓力是影響板件間隙的重要因素。對比1號、4號、7號與2號、5號、8號兩組實驗，可以看出，隨著軸向下壓力增加，板件間隙變小。在軸向下壓力相同時(1號、4號、7號試驗)，擰緊扭矩及螺釘轉(zhuǎn)速的增加能夠降低板件間隙。

(3)對剖面圖分析可知，1號、2號、6號、8號試驗中螺釘頭部間隙偏大(大于0.3mm)，1號、2號、4號、7號試驗中板件間隙偏大，均不滿足生產(chǎn)要求。故在實際生產(chǎn)中，擰緊扭矩和軸向下壓力不能設(shè)置過小。

3.2 極差法分析工藝參數(shù)對測試結(jié)果影響

為進一步研究工藝參數(shù)對連接結(jié)果的影響，按照圖3給出的方法在光學(xué)顯微鏡下對接頭的幾個參數(shù)進行測量，得到的測量數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 各參數(shù)測量結(jié)果

分別用A、B、C表示螺釘轉(zhuǎn)速、軸向下壓力和擰緊扭矩，b、a、d表示板間間隙、螺牙深度、螺釘頭部間隙。根據(jù)表4中測量的數(shù)據(jù)，計算I、II、III測量參數(shù)結(jié)果的差異，反映各排因素(工藝參數(shù))取不同水平時對測量的結(jié)果影響。表5中R代表極差。

表5 測量參數(shù)極差計算結(jié)果

分析表5中數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

(1)各工藝參數(shù)對接頭的測量結(jié)果影響。由表5知，對于板件間隙b,軸向下壓力影響最大，螺釘轉(zhuǎn)速次之，擰緊扭矩影響最小，即B>A>C;對于螺牙深度a,軸向下壓力影響最大，擰緊扭矩次之，螺釘轉(zhuǎn)速影響最小，即B>C>A;對于螺釘頭部間隙，擰緊扭矩影響最大，螺釘轉(zhuǎn)速次之，軸向下壓力影響最小，即C>A>B。

(2)相對于螺釘頭部間隙、板件間隙，三種工藝參數(shù)對螺牙高度影響較小。在試驗中可以優(yōu)先考慮三種工藝參數(shù)對螺釘頭部、板件間隙的影響；

(3)確定較好的工藝參數(shù)組合。板件間隙b越小，連接效果越好，根據(jù)表5計算，A2B3C3為最佳組合；螺牙深度越大，連接效果越好，故A2B2C3為最佳組合；螺釘頭部間隙越小，越滿足連接效果，故A2B3C3為最佳組合。綜合以上數(shù)據(jù)，選取A2B3C3達到最佳效果。

4 結(jié)論

本文通過幾組正交試驗，對熱熔自攻絲工藝的過程參數(shù)進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)對于1.5mm 6111與3mm 6082-T6鋁合金板件的連接工藝，采用6000r/min的螺釘轉(zhuǎn)速、1200N的軸向下壓力、12N的擰緊扭矩能夠達到最佳的連接效果；

(2)通過正交試驗表：擰緊扭矩是影響螺釘頭部間隙的最重要因素，隨著擰緊扭矩增加，螺釘頭部間隙減?。惠S向下壓力是影響板件間隙的重要因素，隨著軸向下壓力增加，板件間隙減小；軸向下壓力對螺牙嚙合高度影響最大，軸向下壓力偏大、偏小均使嚙合高度降低，需要通過試驗選擇合適參數(shù)；

(3)在實際生產(chǎn)中，不能只考慮剖面檢測結(jié)果參數(shù)，還需要考慮過程參數(shù)是否合理。如擰緊扭矩過大會使螺釘斷裂，軸向下壓力過大會使板件變形。