最先進(jìn)的自沖鉚接板材外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯,先進(jìn),鉚接,板材,外文,文獻(xiàn),翻譯,中英文 最先進(jìn)的自沖鉚接板材Xiaocong He*,Ian Pearson,Ken Young華威制造集團(tuán), 國際制造中心, 華威大學(xué), 考文垂 CV4 7AL,英國摘要:自沖鉚接（SPR）是用于片材的點(diǎn)接合的高速機(jī)械緊固技術(shù). 由于越來越多地使用諸如鋁和鎂合金的替代材料以及難以焊接這些材料，因此其在汽車領(lǐng)域中被大量使用. 本文中回顧了與 SPR相關(guān)的已發(fā)表作品. 介紹了接頭形成的機(jī)制和可能發(fā)生的缺陷類型. 討論了 SPR接頭的主要機(jī)械性能，如強(qiáng)度，腐蝕性能和自由振動性能. 還介紹了當(dāng) SPR用于創(chuàng)建結(jié)構(gòu)時(shí)的聯(lián)合失真的預(yù)測和該技術(shù)的成本效應(yīng). 本文的目的是審查 SPR使用的最近進(jìn)展，并為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ).?2007 Elsevier B.V.保留所有權(quán)利關(guān)鍵詞: 自穿鉚接, 板材, 接頭形成, 過程監(jiān)控, 機(jī)械性能, 有限元模擬1, 引言雖然自沖鉚接（SPR）工藝始于半個世紀(jì)前，但是在過去 20年中，SPR 的技術(shù)才有了顯著的進(jìn)步（Hill，1994; Pond，1972; Anon，1975; Gausden 和Gunn，1976; Endo，2001） 。由于對節(jié)能車輛的需求的增加，對設(shè)計(jì)輕量結(jié)構(gòu)的需求日益增加，并且這些需求總是使用輕量,難以或不可能焊接這種材料。 這使得 SPR技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)和部件中的使用顯著增加（Edwards，1992; Patrick和 Sharp，1992a，b; Heeren 和 Timmermann，2002;Takaki 等人，2004; Budde和 SchuzBeenken，1996; Moss和 Mahendran，2002,2003） 。此外，SPR 過程對包括航空航天，包裝和家電行業(yè)在內(nèi)的其他工業(yè)部門也具有極大的興趣。一些汽車制造商采用這種技術(shù)來組裝為空間框架和單殼機(jī)身裝配鋁合金汽車車身（Hill，1994; Doo，1993; Patrick和 Sharp，1993; Blacket，1995; Zeitzmann，1997; Kochan，1997,2000; Barnes和 Pashby，2000; Mortimer，2001; Anon，1990,1997; LaPensee， Mortimer，2004,2002） 。使用 SPR技術(shù)連接多個安裝支架; 電池的安裝，備用車輪的支撐和排氣的熱屏蔽只是滿足安裝要求的幾個例子（BFL，2007） 。此外，在家庭和辦公室中大量使用自穿孔鉚接接頭，并且這種廣泛的使用是基于它易于應(yīng)用，節(jié)省時(shí)間和成本，以及高的耐腐蝕性和抗疲勞性。（a）與更傳統(tǒng)的板材連接方法相比，SPR 提供的優(yōu)點(diǎn)包括（Blacket，1995; Barnes 和 Pashby，2000）：(1)可連接一系列不同材料和多個材料堆疊(2)不需要預(yù)鉆孔(3)循環(huán)時(shí)間短(4)安全和友好的環(huán)境(5)方便的自動化和過程監(jiān)控(6)可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和增加疲勞性能(7)低能耗(8)相對較低的成本(9)不產(chǎn)生廢料(10)可形成“防水”接頭(b)然而，與任何技術(shù)一樣，SPR 具有包括以下的一些缺點(diǎn)：(1)需要接近接頭的兩側(cè)(2)不適合脆性基材(3)與成形過程有關(guān)的凸起和凹痕可能不是美學(xué)上可接受的(4)用于成形工藝需要相對高的力此外，SPR 系統(tǒng)的安裝比點(diǎn)焊系統(tǒng)更簡單，成本更低. 由于沒有產(chǎn)生危險(xiǎn)的煙霧，因此不需要空氣抽吸系統(tǒng)（Carle 和 Blount，1999） 。圖 1 - SPR 過程的示意圖（Voelkner，2000）2. SPR過程2.1關(guān)節(jié)形成的力學(xué)基本上，SPR 工藝是用于通過穿過頂片驅(qū)動半管狀鉚釘（見圖 1）來緊固兩片或更多片材料的冷成形操作，刺穿所述底部片材（但不穿透它）并且在合適的模具的引導(dǎo)下展開鉚釘裙部。由于不需要在板材中預(yù)鉆孔，SPR 工藝消除了對部件之間以及部件和鉚釘定型機(jī)械之間的精確對準(zhǔn)的需要. 由于該工藝依賴于機(jī)械互鎖而不是熔合，它可以用于材料和材料的組合。實(shí)例是重鍍鋅，有機(jī)涂層或預(yù)涂鋼，鋼與鋁合金和一些塑料與金屬的組合。對于鋼，接頭可以制成從約 0.5至 3mm厚度的片材，總接合厚度高達(dá)約 6mm。 對于輕質(zhì)合金，可以鉚接高達(dá)約 10mm的總接頭厚度。鉚釘由高強(qiáng)度鋼制成，并具有適當(dāng)?shù)男螤詈椭睆接糜诔善仿?lián)合。模具由模具鋼制成, 尺寸適于生產(chǎn)所需的最終接頭幾何形狀。該方法僅涉及兩個不同的階段，刺穿和燃燒. 它可以通過以下四個步驟描述（Hill，1994; Blacket，1995; Porcaro等人，2006a; Atzeni等人，2005; Voelkner，2000）：（1）夾緊：鉚釘通過平面沖頭垂直于頂部片材表面并且將片材壓靠在模具上。（2）沖孔：沖頭將鉚釘推過頂片并進(jìn)入底片。（3）燃燒：下部片材的材料流入模具中，并且鉚釘柄部張開，從而在基板之間形成機(jī)械互鎖。（4）釋放：沖頭在達(dá)到力或行程的預(yù)定值時(shí)停止和縮回。2.2過程監(jiān)控過程監(jiān)測方法由大學(xué)和工業(yè)公司開發(fā)，其中大量的研究提供了對過程的更好理解和基于計(jì)算機(jī)的過程的發(fā)展監(jiān)測包（Hill，1994; Budde 和 Lappe，1991; Budde等，1992; Bokhari，1995; King 等，1995; King，1997; Taylor，1997; ETI，2002; Henrob Group，2007） 。SPR 過程監(jiān)控系統(tǒng)通常包括具有定制軟件和智能信號調(diào)節(jié)和通信硬件的 PC以及換能器。系統(tǒng)記錄各種過程參數(shù)（輸入速度，力等）和設(shè)備條件（期望的輸入速度或力等） 。對于“在過程中”監(jiān)測，有必要建立可測量的參數(shù)，其將給出總體圖像可再現(xiàn)的質(zhì)量過程，并且作為量化過程質(zhì)量的可靠手段已經(jīng)建立了力位移。通過直接在鉚機(jī)構(gòu)測量的力和位移，可以產(chǎn)生通過其所有階段有關(guān)的接頭形成的特性曲線。 圖 2示出了 SPR過程的典型的四步設(shè)定力/位移曲線（Hou 等人，2004）.由于力/位移曲線的形狀將隨著工藝參數(shù)的變化而改變，所以該曲線實(shí)際上成為在下面產(chǎn)生的所有緊固件的指紋相同的工藝條件。來自可接受形成的接頭的指紋曲線可以與在相同工藝條件下形成的每個接頭進(jìn)行比較（King，1997） ，并且提供 100％的檢查以及緊固質(zhì)量的部分控制。圖 2 - SPR 過程的典型的四步設(shè)定力 - 位移曲線（Hou et al。 ，2004） 。2.3. 接頭故障力學(xué)SPR接頭對所有其他機(jī)械緊固接頭顯示類似的故障模式. King（1997）建立了五種獨(dú)立的靜態(tài)失效模式，他們表明 SPR接頭的強(qiáng)度和柔性取決于接頭的失效模式。Westgate 和 Razmjoo（1999）發(fā)現(xiàn)鋼和鋁接頭表現(xiàn)出不同的失效模式。關(guān)于同一主題，F(xiàn)u 和 Mallick（2001 年，2003 年）強(qiáng)調(diào)穿孔板的斷裂是疲勞試驗(yàn)期間發(fā)生的唯一失效系統(tǒng)。最近的研究（Chen 等人，2003; Han等人，2006a）表明，在疲勞試驗(yàn)過程中可能發(fā)生鉚釘斷裂和板材破壞，并且這受到微動行為的影響。使用 Han（2003）的應(yīng)變計(jì)測量了二次彎曲（搭接接頭幾何形狀的固有特征）對單圈 SPR接頭的影響，并且得出結(jié)論，二次彎曲對失效機(jī)理有貢獻(xiàn)并導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的顯著降低。Razmjoo 和 Westgate（1999）使用所謂的“H”截面樣本進(jìn)行了研究，以消除二次彎曲的影響。結(jié)果表明， “H”型截面試樣的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單圈 SPR接頭。任何接合技術(shù)都有潛在的固有腐蝕問題。表面不規(guī)則或裂縫將加劇該問題?？p隙腐蝕是高度局部腐蝕攻擊的嚴(yán)重形式，并且由縫隙中存在電解質(zhì)引起。當(dāng)不同的導(dǎo)電材料連接并且水進(jìn)入形成電解池時(shí)，發(fā)生電化腐蝕。在這種類型的腐蝕中，當(dāng)陽極和陰極區(qū)域隨時(shí)間移動和反轉(zhuǎn)時(shí)，材料被均勻地腐蝕。Howard和 Sunday（1983）提出了廣泛的數(shù)據(jù)，比較 SPR接頭中的腐蝕量與常用的電阻點(diǎn)焊接頭，并建議通過使用聚酯涂層或鎘鍍層可顯著減少腐蝕量。同一作者還發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行 90天的交替浸漬試驗(yàn)后，SPR 接頭和點(diǎn)焊接頭的極限剪切強(qiáng)度沒有顯示出顯著的降解。如果鉚釘由與被接合的片材相同的材料制造，則可以避免電腐蝕。已經(jīng)對鋁自鉆鉚釘進(jìn)行了初步工作，用于鋁車輛的建造（Bazdresch，2001） 。通過燒結(jié)制造鉚釘，因?yàn)樵摲椒ㄈ菀?允許使用不同的合金或合金的混合物。此外，鉚釘?shù)纳a(chǎn)可以在整個制造過程的控制內(nèi)部進(jìn)行。它還允許小批量生產(chǎn)數(shù)量，在研究的初始階段需要。3. 機(jī)械性能3.1. SPR接頭的靜態(tài)和疲勞行為由于 SPR被認(rèn)為是點(diǎn)焊的替代方案，大多數(shù)研究集中在比較通過這些技術(shù)制造的接頭的機(jī)械性能。這一領(lǐng)域的研究表明，自穿孔鉚接給予具有相當(dāng)?shù)撵o強(qiáng)度和優(yōu)異的疲勞性能的焊點(diǎn)，同時(shí)在剝離和剪切試驗(yàn)中產(chǎn)生有希望的結(jié)果（Krause 和 Cherenkoff，1995; Riches等人，1995; Miller et al。 ，1998; Stegemann et al。 ，1998; Sun et al。 ，2004; Sun and Khaleel，2005） 。Lennon et al（1999）對四種類型的機(jī)械連接進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，這些是自穿孔鉚接，壓接，壓鉚和自攻螺釘，其厚度為 1.0,1.2,1.6,2.0mm。圖 3示出了自穿孔鉚接與其它工藝相比產(chǎn)生高峰值負(fù)載，高初始剛度和高延展性。圖 3 2.0mm 厚鋼管連接的平均載荷位移路徑許多作者已經(jīng)表明，SPR 接頭的靜態(tài)強(qiáng)度比電阻點(diǎn)焊（RSW）接頭的靜態(tài)強(qiáng)度低一些（Bonde 和 Grange-Jansson，1996; Olivier，2000; Booth等，2000） 。Booth 等人 （2000）報(bào)告，對于鋼 - 鋼接頭，RSW 接頭顯示出比對應(yīng)的 SPR接頭高出超過 25％的失效載荷。然而，當(dāng)在搭接剪切和 T剝離構(gòu)造中測試鋁 - 鋁接頭時(shí)，沒有觀察到清晰的圖案（Booth 等人，2000） 。對于用相同厚度的基底制成的接頭，3mm，RSW 接頭的強(qiáng)度比 SPR接頭的強(qiáng)度高 10-20％。對于由 1.2mm厚的相等厚度基底和具有 1.2mm和 3.0mm的不等厚度基底的接頭制成的接頭，SPR 接頭比 RSW接頭強(qiáng)約 10-20%。雖然 SPR接頭的靜態(tài)強(qiáng)度可能低于點(diǎn)焊接頭的靜態(tài)強(qiáng)度，但通常認(rèn)為通過鉚釘和模具的合適設(shè)計(jì)可以為 SPR接頭實(shí)現(xiàn)令人滿意的靜態(tài)強(qiáng)度（Westgate 和Razmjoo，1999; Riches 等,1995） 。SPR接頭的疲勞強(qiáng)度已經(jīng)被許多作者研究, 成為了一些汽車工業(yè)青睞的材料。所有人都同意 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于點(diǎn)焊接頭. （Henrob Group，2007; Fu and Mallick，2001，2003; Razmjoo and Westgate，1999; Krause and Cherenkoff，1995; Bonde and Grange-Jansson，1996; Booth et al。 ，2000; Cai et al。 ，2005; Hahnet al 。1999; Sunday，1983; Bonde，1995; Litherland，1998;Tileliet al。 ，1999; Li 和 Fatemi，2006; Agrawal 等人，2003） 。圖 4比較了不同連接技術(shù)的疲勞性能。圖 4 - 點(diǎn)焊，鉗口和 SPR 關(guān)節(jié)的疲勞行為比較（Cai et al，2005）Mizukoshi和 Okada（1997）對一些鋁汽車車身板材（如 GC45-O，GC55-O和 SG112-T4）進(jìn)行 SPR接頭，鉚接接頭和點(diǎn)焊接頭的疲勞試驗(yàn)。SPR 接頭通過使用 5mm長的鋼鉚釘制成，其是鍍鋅或鍍錫的。他們通過所謂的“疲勞比” （定義為疲勞強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度）來比較接頭。結(jié)果表明，SPR 接頭獲得更高的疲勞強(qiáng)度和產(chǎn)生的疲勞比約 0.4，是 RSW接頭的兩倍。結(jié)果還表明，盡管 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度在暴露于鹽霧 2000小時(shí)后降低了約 30％，但是仍然等于點(diǎn)焊接頭的疲勞強(qiáng)度，并且這與基材無關(guān)。研究人員將這些結(jié)果歸結(jié)為以下事實(shí)：在點(diǎn)焊接頭中，接頭周圍的金屬已經(jīng)被焊接熱（HAZ）軟化，但是在 SPR接頭中，與鉚釘相鄰的基板已經(jīng)被加工硬化。還致力于通過工藝優(yōu)化來增強(qiáng) SPR接頭的疲勞壽命。Jin 和Mallick（2002）發(fā)現(xiàn)環(huán)形壓印可以改善鋁合金中 SPR接頭的疲勞壽命，并且改進(jìn)的程度可能取決于壓印條件和板厚度的組合。Neugebauer 等人提出了一種結(jié)合液壓成形和 SPR的新方法（2005） 。與標(biāo)準(zhǔn)方法相反，在沒有固體模具的情況下實(shí)現(xiàn)鉚接工藝，而是高壓流體在接合期間用作模具。Hydro-Self Pierce鉚接工藝的優(yōu)點(diǎn)是減少了加工步驟的數(shù)量，并且新的設(shè)計(jì)可能性是可行的，因?yàn)檫B接復(fù)雜的液壓成形單元變得可能，也允許 SPR用于不可接近的地方（Neugebauer 等人，2005 ） 。Han et al（2006b）報(bào)道了板材預(yù)應(yīng)變對自穿孔鉚接鋁合金板的靜態(tài)和疲勞行為的影響。Iyer et al（2005）發(fā)現(xiàn)雙鉚釘 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于鉚釘?shù)摹岸ㄏ蚪M合” 。Hahn et al（1999）在 6016鋁合金與各種表面預(yù)處理和涂層中進(jìn)行了 SPR和粘合劑結(jié)合的疲勞性能。他們的研究表明，在靜態(tài)和疲勞試驗(yàn)中，該組合產(chǎn)生了比鉚釘本身更強(qiáng)的連接。一些其他研究人員（Olivier，1999; Madasamy 等人，2001,2002; Weber，2004; Hahn和 Wibbeke，2005; Anon。 ，2005; Whitworth，2006）也顯示出來自混合 SPR接頭的額外的好處。例如：（1）連續(xù)，防漏接頭， （2）較高強(qiáng)度接頭， （3）增加關(guān)節(jié)剛度， （4）改進(jìn)的剝離和抗沖擊性，因?yàn)檫h(yuǎn)離接頭的裂紋生長通過粘合劑粘結(jié)而被阻止。此外，應(yīng)該提到的是忽略“隱藏”因素，例如輔助彎曲等，由 Razmjoo和Westgate（1999）所指示的，可能會導(dǎo)致在接頭之中強(qiáng)度不足。3.2. SPR接頭的振動行為在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，包括接合的部件，為了最小的振動響應(yīng)，部件材料和接頭的阻尼能力的具體知識是重要的. 據(jù)認(rèn)為，SPR 接頭作用，以增加系統(tǒng)的阻尼容量。本文作者最近的工作詳細(xì)研究了單個搭接包層 SPR梁的扭轉(zhuǎn)和橫向自由振動特性（He et al。 ，2006，2007a） 。分析的焦點(diǎn)是揭示了對不同基底特性的單個搭接包層 SPR梁的固有頻率和模態(tài)形狀的影響。數(shù)值實(shí)施例表明，當(dāng)基底的楊氏模量增加時(shí)，固有頻率顯著增加，但是基底的泊松比的變化幾乎不引起固有頻率的變化。模式形狀表明，與沒有接頭的參考包層梁相比，在SPR梁的接合部分中存在不同的變形。這些不同的變形可能導(dǎo)致不同的固有頻率值和不同的應(yīng)力分布。3.3. SPR接頭的摩擦磨損磨損的存在可以顯著地降低機(jī)械緊固件的疲勞壽命。從三個不同關(guān)節(jié)的測試，Iyer et al （2002 ）得出結(jié)論，SPR 關(guān)節(jié)中的疲勞裂紋開始伴隨著微動磨損：（1）鉚釘?shù)桨宀暮停?）板材到板材接口。 發(fā)現(xiàn)微動磨損的嚴(yán)重性隨著板厚度而增加。Chen 等人使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡（SEM） （2003）研究 SPR鋁合金接頭的微動行為。在兩個片材之間的界面處的微動圖案如圖 5所示。注意到磨損磨損最初是不規(guī)則的，并且隨著磨損的繼續(xù)產(chǎn)生多層壓實(shí)的碎片。在最近的一項(xiàng)研究中，Han et al（2006a）報(bào)告，接頭的疲勞壽命被觀察到取決于不同界面條件下的微動行為。圖 5 在兩個片材之間的界面處的微動區(qū)域：（a）在 4.5kN 下 2.1×104 個循環(huán); （b）4.5kN 下 8.9×104個循環(huán); （c）在 2.7kN 下 8.5×105 個循環(huán)（Chen 等人，2003）4.SPR關(guān)節(jié)的有限元分析SPR接頭的機(jī)械性能不僅受接頭的幾何特性影響，而且受工藝參數(shù)的影響。很難預(yù)測 SPR關(guān)節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)性質(zhì)，盡管數(shù)值模擬可以提供克服這些問題的重要性（Heet al 2007b）。使用 DEFORMTM-2D（King，1997）創(chuàng)建并分析 SPR過程的縮進(jìn)的基本有限元模型。這使得能夠?qū)⒃O(shè)定力，位移和部件變形的初始計(jì)算與實(shí)際緊固的情況進(jìn)行比較。Hahn 和 Dolle（2001）廣泛地討論了 SPR過程的數(shù)值模擬，其中使用 FE程序 MSC.AutoForge進(jìn)行 SPR過程的數(shù)值模型。在實(shí)驗(yàn)力/變形曲線和相應(yīng)的模擬之間發(fā)現(xiàn)良好的一致性. Westgate等人 （2001）開發(fā)了使用 C形框架的 FE網(wǎng)的輕量級自穿孔鉚接設(shè)備。這些使用現(xiàn)場分析模型（FAM）產(chǎn)生并使用通用目的 FE代碼 ABAQUS分析。他們認(rèn)為 2D模型足以用于早期的設(shè)計(jì)評估，并且需要 3D模型來精確地預(yù)測應(yīng)力并精確設(shè)計(jì)。Khezri（2000）使用 FE法模擬了深沖壓和再磷酸化鋼板的 SPR的碰撞試驗(yàn)。Westerberg（2002）進(jìn)行了 SPR的 FE模擬剝離試樣。在類似的上下文中，Stromstedt（2002）進(jìn)行了 SPR搭接剪切接頭樣本的 FE分析。Iyer et al（2005,2002）進(jìn)行 3D有限元分析，以評估相對滑動，接觸壓力和體積應(yīng)力在關(guān)節(jié)的負(fù)載誘導(dǎo)局部分布。這種方法沒有考慮由于刺穿產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。Tang等人已經(jīng)開發(fā)了 FE方法（2002）用于模擬受沖擊的鋁部件和結(jié)構(gòu)中 SPR的特性。它依賴于基線曲線和通過考慮不同參數(shù)的影響來預(yù)測 SPR性能的通用公式的組合。該方法應(yīng)用于完整的車輛側(cè)面碰撞分析，并實(shí)現(xiàn)了與變形模式和SPR分離的良好相關(guān)性。Sui et al（2004）建立了一個非線性有限元模型來研究 SPR過程，發(fā)現(xiàn)環(huán)向殘余應(yīng)力對接頭的機(jī)械性能有最大的影響. Kim et al（2005）試圖評估 SPR接頭樣品的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞壽命，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值（通過有限元建模根據(jù) FEMFAT指南），并發(fā)現(xiàn)即使 SPR接頭樣品的結(jié)構(gòu)剛度大致相同其他類型 的接頭（例如 RSW），疲勞壽命增加并且依賴于基底材料和厚度。 CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGYSelf-pierce riveting for sheet materials: State of the art最先進(jìn)的自沖鉚接板材資料來源： https://www.researchgate.net 設(shè)計(jì)題目： 學(xué)生姓名： 學(xué)院名稱： 專業(yè)名稱： 班級名稱： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 完成時(shí)間： 20XX 年 3 月 24 日最先進(jìn)的自沖鉚接板材Xiaocong He*,Ian Pearson,Ken Young華威制造集團(tuán), 國際制造中心, 華威大學(xué), 考文垂 CV4 7AL,英國摘要:自沖鉚接（SPR）是用于片材的點(diǎn)接合的高速機(jī)械緊固技術(shù). 由于越來越多地使用諸如鋁和鎂合金的替代材料以及難以焊接這些材料，因此其在汽車領(lǐng)域中被大量使用. 本文中回顧了與 SPR相關(guān)的已發(fā)表作品. 介紹了接頭形成的機(jī)制和可能發(fā)生的缺陷類型. 討論了 SPR接頭的主要機(jī)械性能，如強(qiáng)度，腐蝕性能和自由振動性能. 還介紹了當(dāng) SPR用于創(chuàng)建結(jié)構(gòu)時(shí)的聯(lián)合失真的預(yù)測和該技術(shù)的成本效應(yīng). 本文的目的是審查 SPR使用的最近進(jìn)展，并為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ).?2007 Elsevier B.V.保留所有權(quán)利關(guān)鍵詞: 自穿鉚接, 板材, 接頭形成, 過程監(jiān)控, 機(jī)械性能, 有限元模擬1, 引言雖然自沖鉚接（SPR）工藝始于半個世紀(jì)前，但是在過去 20年中，SPR 的技術(shù)才有了顯著的進(jìn)步（Hill，1994; Pond，1972; Anon，1975; Gausden 和Gunn，1976; Endo，2001） 。由于對節(jié)能車輛的需求的增加，對設(shè)計(jì)輕量結(jié)構(gòu)的需求日益增加，并且這些需求總是使用輕量,難以或不可能焊接這種材料。 這使得 SPR技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)和部件中的使用顯著增加（Edwards，1992; Patrick和 Sharp，1992a，b; Heeren 和 Timmermann，2002;Takaki 等人，2004; Budde和 SchuzBeenken，1996; Moss和 Mahendran，2002,2003） 。此外，SPR 過程對包括航空航天，包裝和家電行業(yè)在內(nèi)的其他工業(yè)部門也具有極大的興趣。一些汽車制造商采用這種技術(shù)來組裝為空間框架和單殼機(jī)身裝配鋁合金汽車車身（Hill，1994; Doo，1993; Patrick和 Sharp，1993; Blacket，1995; Zeitzmann，1997; Kochan，1997,2000; Barnes和 Pashby，2000; Mortimer，2001; Anon，1990,1997; LaPensee， Mortimer，2004,2002） 。使用 SPR技術(shù)連接多個安裝支架; 電池的安裝，備用車輪的支撐和排氣的熱屏蔽只是滿足安裝要求的幾個例子（BFL，2007） 。此外，在家庭和辦公室中大量使用自穿孔鉚接接頭，并且這種廣泛的使用是基于它易于應(yīng)用，節(jié)省時(shí)間和成本，以及高的耐腐蝕性和抗疲勞性。（a）與更傳統(tǒng)的板材連接方法相比，SPR 提供的優(yōu)點(diǎn)包括（Blacket，1995; Barnes 和 Pashby，2000）：(1)可連接一系列不同材料和多個材料堆疊(2)不需要預(yù)鉆孔(3)循環(huán)時(shí)間短(4)安全和友好的環(huán)境(5)方便的自動化和過程監(jiān)控(6)可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和增加疲勞性能(7)低能耗(8)相對較低的成本(9)不產(chǎn)生廢料(10)可形成“防水”接頭(b)然而，與任何技術(shù)一樣，SPR 具有包括以下的一些缺點(diǎn)：(1)需要接近接頭的兩側(cè)(2)不適合脆性基材(3)與成形過程有關(guān)的凸起和凹痕可能不是美學(xué)上可接受的(4)用于成形工藝需要相對高的力此外，SPR 系統(tǒng)的安裝比點(diǎn)焊系統(tǒng)更簡單，成本更低. 由于沒有產(chǎn)生危險(xiǎn)的煙霧，因此不需要空氣抽吸系統(tǒng)（Carle 和 Blount，1999） 。圖 1 - SPR 過程的示意圖（Voelkner，2000）2. SPR過程2.1關(guān)節(jié)形成的力學(xué)基本上，SPR 工藝是用于通過穿過頂片驅(qū)動半管狀鉚釘（見圖 1）來緊固兩片或更多片材料的冷成形操作，刺穿所述底部片材（但不穿透它）并且在合適的模具的引導(dǎo)下展開鉚釘裙部。由于不需要在板材中預(yù)鉆孔，SPR 工藝消除了對部件之間以及部件和鉚釘定型機(jī)械之間的精確對準(zhǔn)的需要. 由于該工藝依賴于機(jī)械互鎖而不是熔合，它可以用于材料和材料的組合。實(shí)例是重鍍鋅，有機(jī)涂層或預(yù)涂鋼，鋼與鋁合金和一些塑料與金屬的組合。對于鋼，接頭可以制成從約 0.5至 3mm厚度的片材，總接合厚度高達(dá)約 6mm。 對于輕質(zhì)合金，可以鉚接高達(dá)約 10mm的總接頭厚度。鉚釘由高強(qiáng)度鋼制成，并具有適當(dāng)?shù)男螤詈椭睆接糜诔善仿?lián)合。模具由模具鋼制成, 尺寸適于生產(chǎn)所需的最終接頭幾何形狀。該方法僅涉及兩個不同的階段，刺穿和燃燒. 它可以通過以下四個步驟描述（Hill，1994; Blacket，1995; Porcaro等人，2006a; Atzeni等人，2005; Voelkner，2000）：（1）夾緊：鉚釘通過平面沖頭垂直于頂部片材表面并且將片材壓靠在模具上。（2）沖孔：沖頭將鉚釘推過頂片并進(jìn)入底片。（3）燃燒：下部片材的材料流入模具中，并且鉚釘柄部張開，從而在基板之間形成機(jī)械互鎖。（4）釋放：沖頭在達(dá)到力或行程的預(yù)定值時(shí)停止和縮回。2.2過程監(jiān)控過程監(jiān)測方法由大學(xué)和工業(yè)公司開發(fā)，其中大量的研究提供了對過程的更好理解和基于計(jì)算機(jī)的過程的發(fā)展監(jiān)測包（Hill，1994; Budde 和 Lappe，1991; Budde等，1992; Bokhari，1995; King 等，1995; King，1997; Taylor，1997; ETI，2002; Henrob Group，2007） 。SPR 過程監(jiān)控系統(tǒng)通常包括具有定制軟件和智能信號調(diào)節(jié)和通信硬件的 PC以及換能器。系統(tǒng)記錄各種過程參數(shù)（輸入速度，力等）和設(shè)備條件（期望的輸入速度或力等） 。對于“在過程中”監(jiān)測，有必要建立可測量的參數(shù)，其將給出總體圖像可再現(xiàn)的質(zhì)量過程，并且作為量化過程質(zhì)量的可靠手段已經(jīng)建立了力位移。通過直接在鉚機(jī)構(gòu)測量的力和位移，可以產(chǎn)生通過其所有階段有關(guān)的接頭形成的特性曲線。 圖 2示出了 SPR過程的典型的四步設(shè)定力/位移曲線（Hou 等人，2004）.由于力/位移曲線的形狀將隨著工藝參數(shù)的變化而改變，所以該曲線實(shí)際上成為在下面產(chǎn)生的所有緊固件的指紋相同的工藝條件。來自可接受形成的接頭的指紋曲線可以與在相同工藝條件下形成的每個接頭進(jìn)行比較（King，1997） ，并且提供 100％的檢查以及緊固質(zhì)量的部分控制。圖 2 - SPR 過程的典型的四步設(shè)定力 - 位移曲線（Hou et al。 ，2004） 。2.3. 接頭故障力學(xué)SPR接頭對所有其他機(jī)械緊固接頭顯示類似的故障模式. King（1997）建立了五種獨(dú)立的靜態(tài)失效模式，他們表明 SPR接頭的強(qiáng)度和柔性取決于接頭的失效模式。Westgate 和 Razmjoo（1999）發(fā)現(xiàn)鋼和鋁接頭表現(xiàn)出不同的失效模式。關(guān)于同一主題，F(xiàn)u 和 Mallick（2001 年，2003 年）強(qiáng)調(diào)穿孔板的斷裂是疲勞試驗(yàn)期間發(fā)生的唯一失效系統(tǒng)。最近的研究（Chen 等人，2003; Han等人，2006a）表明，在疲勞試驗(yàn)過程中可能發(fā)生鉚釘斷裂和板材破壞，并且這受到微動行為的影響。使用 Han（2003）的應(yīng)變計(jì)測量了二次彎曲（搭接接頭幾何形狀的固有特征）對單圈 SPR接頭的影響，并且得出結(jié)論，二次彎曲對失效機(jī)理有貢獻(xiàn)并導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的顯著降低。Razmjoo 和 Westgate（1999）使用所謂的“H”截面樣本進(jìn)行了研究，以消除二次彎曲的影響。結(jié)果表明， “H”型截面試樣的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于單圈 SPR接頭。任何接合技術(shù)都有潛在的固有腐蝕問題。表面不規(guī)則或裂縫將加劇該問題?？p隙腐蝕是高度局部腐蝕攻擊的嚴(yán)重形式，并且由縫隙中存在電解質(zhì)引起。當(dāng)不同的導(dǎo)電材料連接并且水進(jìn)入形成電解池時(shí)，發(fā)生電化腐蝕。在這種類型的腐蝕中，當(dāng)陽極和陰極區(qū)域隨時(shí)間移動和反轉(zhuǎn)時(shí)，材料被均勻地腐蝕。Howard和 Sunday（1983）提出了廣泛的數(shù)據(jù)，比較 SPR接頭中的腐蝕量與常用的電阻點(diǎn)焊接頭，并建議通過使用聚酯涂層或鎘鍍層可顯著減少腐蝕量。同一作者還發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行 90天的交替浸漬試驗(yàn)后，SPR 接頭和點(diǎn)焊接頭的極限剪切強(qiáng)度沒有顯示出顯著的降解。如果鉚釘由與被接合的片材相同的材料制造，則可以避免電腐蝕。已經(jīng)對鋁自鉆鉚釘進(jìn)行了初步工作，用于鋁車輛的建造（Bazdresch，2001） 。通過燒結(jié)制造鉚釘，因?yàn)樵摲椒ㄈ菀?允許使用不同的合金或合金的混合物。此外，鉚釘?shù)纳a(chǎn)可以在整個制造過程的控制內(nèi)部進(jìn)行。它還允許小批量生產(chǎn)數(shù)量，在研究的初始階段需要。3. 機(jī)械性能3.1. SPR接頭的靜態(tài)和疲勞行為由于 SPR被認(rèn)為是點(diǎn)焊的替代方案，大多數(shù)研究集中在比較通過這些技術(shù)制造的接頭的機(jī)械性能。這一領(lǐng)域的研究表明，自穿孔鉚接給予具有相當(dāng)?shù)撵o強(qiáng)度和優(yōu)異的疲勞性能的焊點(diǎn)，同時(shí)在剝離和剪切試驗(yàn)中產(chǎn)生有希望的結(jié)果（Krause 和 Cherenkoff，1995; Riches等人，1995; Miller et al。 ，1998; Stegemann et al。 ，1998; Sun et al。 ，2004; Sun and Khaleel，2005） 。Lennon et al（1999）對四種類型的機(jī)械連接進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，這些是自穿孔鉚接，壓接，壓鉚和自攻螺釘，其厚度為 1.0,1.2,1.6,2.0mm。圖 3示出了自穿孔鉚接與其它工藝相比產(chǎn)生高峰值負(fù)載，高初始剛度和高延展性。圖 3 2.0mm 厚鋼管連接的平均載荷位移路徑許多作者已經(jīng)表明，SPR 接頭的靜態(tài)強(qiáng)度比電阻點(diǎn)焊（RSW）接頭的靜態(tài)強(qiáng)度低一些（Bonde 和 Grange-Jansson，1996; Olivier，2000; Booth等，2000） 。Booth 等人 （2000）報(bào)告，對于鋼 - 鋼接頭，RSW 接頭顯示出比對應(yīng)的 SPR接頭高出超過 25％的失效載荷。然而，當(dāng)在搭接剪切和 T剝離構(gòu)造中測試鋁 - 鋁接頭時(shí)，沒有觀察到清晰的圖案（Booth 等人，2000） 。對于用相同厚度的基底制成的接頭，3mm，RSW 接頭的強(qiáng)度比 SPR接頭的強(qiáng)度高 10-20％。對于由 1.2mm厚的相等厚度基底和具有 1.2mm和 3.0mm的不等厚度基底的接頭制成的接頭，SPR 接頭比 RSW接頭強(qiáng)約 10-20%。雖然 SPR接頭的靜態(tài)強(qiáng)度可能低于點(diǎn)焊接頭的靜態(tài)強(qiáng)度，但通常認(rèn)為通過鉚釘和模具的合適設(shè)計(jì)可以為 SPR接頭實(shí)現(xiàn)令人滿意的靜態(tài)強(qiáng)度（Westgate 和Razmjoo，1999; Riches 等,1995） 。SPR接頭的疲勞強(qiáng)度已經(jīng)被許多作者研究, 成為了一些汽車工業(yè)青睞的材料。所有人都同意 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度優(yōu)于點(diǎn)焊接頭. （Henrob Group，2007; Fu and Mallick，2001，2003; Razmjoo and Westgate，1999; Krause and Cherenkoff，1995; Bonde and Grange-Jansson，1996; Booth et al。 ，2000; Cai et al。 ，2005; Hahnet al 。1999; Sunday，1983; Bonde，1995; Litherland，1998;Tileliet al。 ，1999; Li 和 Fatemi，2006; Agrawal 等人，2003） 。圖 4比較了不同連接技術(shù)的疲勞性能。圖 4 - 點(diǎn)焊，鉗口和 SPR 關(guān)節(jié)的疲勞行為比較（Cai et al，2005）Mizukoshi和 Okada（1997）對一些鋁汽車車身板材（如 GC45-O，GC55-O和 SG112-T4）進(jìn)行 SPR接頭，鉚接接頭和點(diǎn)焊接頭的疲勞試驗(yàn)。SPR 接頭通過使用 5mm長的鋼鉚釘制成，其是鍍鋅或鍍錫的。他們通過所謂的“疲勞比” （定義為疲勞強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度）來比較接頭。結(jié)果表明，SPR 接頭獲得更高的疲勞強(qiáng)度和產(chǎn)生的疲勞比約 0.4，是 RSW接頭的兩倍。結(jié)果還表明，盡管 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度在暴露于鹽霧 2000小時(shí)后降低了約 30％，但是仍然等于點(diǎn)焊接頭的疲勞強(qiáng)度，并且這與基材無關(guān)。研究人員將這些結(jié)果歸結(jié)為以下事實(shí)：在點(diǎn)焊接頭中，接頭周圍的金屬已經(jīng)被焊接熱（HAZ）軟化，但是在 SPR接頭中，與鉚釘相鄰的基板已經(jīng)被加工硬化。還致力于通過工藝優(yōu)化來增強(qiáng) SPR接頭的疲勞壽命。Jin 和Mallick（2002）發(fā)現(xiàn)環(huán)形壓印可以改善鋁合金中 SPR接頭的疲勞壽命，并且改進(jìn)的程度可能取決于壓印條件和板厚度的組合。Neugebauer 等人提出了一種結(jié)合液壓成形和 SPR的新方法（2005） 。與標(biāo)準(zhǔn)方法相反，在沒有固體模具的情況下實(shí)現(xiàn)鉚接工藝，而是高壓流體在接合期間用作模具。Hydro-Self Pierce鉚接工藝的優(yōu)點(diǎn)是減少了加工步驟的數(shù)量，并且新的設(shè)計(jì)可能性是可行的，因?yàn)檫B接復(fù)雜的液壓成形單元變得可能，也允許 SPR用于不可接近的地方（Neugebauer 等人，2005 ） 。Han et al（2006b）報(bào)道了板材預(yù)應(yīng)變對自穿孔鉚接鋁合金板的靜態(tài)和疲勞行為的影響。Iyer et al（2005）發(fā)現(xiàn)雙鉚釘 SPR接頭的疲勞強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度強(qiáng)烈依賴于鉚釘?shù)摹岸ㄏ蚪M合” 。Hahn et al（1999）在 6016鋁合金與各種表面預(yù)處理和涂層中進(jìn)行了 SPR和粘合劑結(jié)合的疲勞性能。他們的研究表明，在靜態(tài)和疲勞試驗(yàn)中，該組合產(chǎn)生了比鉚釘本身更強(qiáng)的連接。一些其他研究人員（Olivier，1999; Madasamy 等人，2001,2002; Weber，2004; Hahn和 Wibbeke，2005; Anon。 ，2005; Whitworth，2006）也顯示出來自混合 SPR接頭的額外的好處。例如：（1）連續(xù)，防漏接頭， （2）較高強(qiáng)度接頭， （3）增加關(guān)節(jié)剛度， （4）改進(jìn)的剝離和抗沖擊性，因?yàn)檫h(yuǎn)離接頭的裂紋生長通過粘合劑粘結(jié)而被阻止。此外，應(yīng)該提到的是忽略“隱藏”因素，例如輔助彎曲等，由 Razmjoo和Westgate（1999）所指示的，可能會導(dǎo)致在接頭之中強(qiáng)度不足。3.2. SPR接頭的振動行為在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，包括接合的部件，為了最小的振動響應(yīng)，部件材料和接頭的阻尼能力的具體知識是重要的. 據(jù)認(rèn)為，SPR 接頭作用，以增加系統(tǒng)的阻尼容量。本文作者最近的工作詳細(xì)研究了單個搭接包層 SPR梁的扭轉(zhuǎn)和橫向自由振動特性（He et al。 ，2006，2007a） 。分析的焦點(diǎn)是揭示了對不同基底特性的單個搭接包層 SPR梁的固有頻率和模態(tài)形狀的影響。數(shù)值實(shí)施例表明，當(dāng)基底的楊氏模量增加時(shí)，固有頻率顯著增加，但是基底的泊松比的變化幾乎不引起固有頻率的變化。模式形狀表明，與沒有接頭的參考包層梁相比，在SPR梁的接合部分中存在不同的變形。這些不同的變形可能導(dǎo)致不同的固有頻率值和不同的應(yīng)力分布。3.3. SPR接頭的摩擦磨損磨損的存在可以顯著地降低機(jī)械緊固件的疲勞壽命。從三個不同關(guān)節(jié)的測試，Iyer et al （2002 ）得出結(jié)論，SPR 關(guān)節(jié)中的疲勞裂紋開始伴隨著微動磨損：（1）鉚釘?shù)桨宀暮停?）板材到板材接口。 發(fā)現(xiàn)微動磨損的嚴(yán)重性隨著板厚度而增加。Chen 等人使用光學(xué)和掃描電子顯微鏡（SEM） （2003）研究 SPR鋁合金接頭的微動行為。在兩個片材之間的界面處的微動圖案如圖 5所示。注意到磨損磨損最初是不規(guī)則的，并且隨著磨損的繼續(xù)產(chǎn)生多層壓實(shí)的碎片。在最近的一項(xiàng)研究中，Han et al（2006a）報(bào)告，接頭的疲勞壽命被觀察到取決于不同界面條件下的微動行為。圖 5 在兩個片材之間的界面處的微動區(qū)域：（a）在 4.5kN 下 2.1×104 個循環(huán); （b）4.5kN 下 8.9×104個循環(huán); （c）在 2.7kN 下 8.5×105 個循環(huán)（Chen 等人，2003）4.SPR關(guān)節(jié)的有限元分析SPR接頭的機(jī)械性能不僅受接頭的幾何特性影響，而且受工藝參數(shù)的影響。很難預(yù)測 SPR關(guān)節(jié)的靜態(tài)和動態(tài)性質(zhì)，盡管數(shù)值模擬可以提供克服這些問題的重要性（Heet al 2007b）。使用 DEFORMTM-2D（King，1997）創(chuàng)建并分析 SPR過程的縮進(jìn)的基本有限元模型。這使得能夠?qū)⒃O(shè)定力，位移和部件變形的初始計(jì)算與實(shí)際緊固的情況進(jìn)行比較。Hahn 和 Dolle（2001）廣泛地討論了 SPR過程的數(shù)值模擬，其中使用 FE程序 MSC.AutoForge進(jìn)行 SPR過程的數(shù)值模型。在實(shí)驗(yàn)力/變形曲線和相應(yīng)的模擬之間發(fā)現(xiàn)良好的一致性. Westgate等人 （2001）開發(fā)了使用 C形框架的 FE網(wǎng)的輕量級自穿孔鉚接設(shè)備。這些使用現(xiàn)場分析模型（FAM）產(chǎn)生并使用通用目的 FE代碼 ABAQUS分析。他們認(rèn)為 2D模型足以用于早期的設(shè)計(jì)評估，并且需要 3D模型來精確地預(yù)測應(yīng)力并精確設(shè)計(jì)。Khezri（2000）使用 FE法模擬了深沖壓和再磷酸化鋼板的 SPR的碰撞試驗(yàn)。Westerberg（2002）進(jìn)行了 SPR的 FE模擬剝離試樣。在類似的上下文中，Stromstedt（2002）進(jìn)行了 SPR搭接剪切接頭樣本的 FE分析。Iyer et al（2005,2002）進(jìn)行 3D有限元分析，以評估相對滑動，接觸壓力和體積應(yīng)力在關(guān)節(jié)的負(fù)載誘導(dǎo)局部分布。這種方法沒有考慮由于刺穿產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。Tang等人已經(jīng)開發(fā)了 FE方法（2002）用于模擬受沖擊的鋁部件和結(jié)構(gòu)中 SPR的特性。它依賴于基線曲線和通過考慮不同參數(shù)的影響來預(yù)測 SPR性能的通用公式的組合。該方法應(yīng)用于完整的車輛側(cè)面碰撞分析，并實(shí)現(xiàn)了與變形模式和SPR分離的良好相關(guān)性。Sui et al（2004）建立了一個非線性有限元模型來研究 SPR過程，發(fā)現(xiàn)環(huán)向殘余應(yīng)力對接頭的機(jī)械性能有最大的影響. Kim et al（2005）試圖評估 SPR接頭樣品的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞壽命，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值（通過有限元建模根據(jù) FEMFAT指南），并發(fā)現(xiàn)即使 SPR接頭樣品的結(jié)構(gòu)剛度大致相同其他類型 的接頭（例如 RSW），疲勞壽命增加并且依賴于基底材料和厚度。