一种新型旋铆薄板连接技术和设备开发

张毅

国内在汽车、航空、军工、一般工业领域做板材连接技术非常丰富。最常见如薄钢板与钢板间，薄板铝板与铝板采用电阻钢点焊，电阻铝点焊技术，这种焊接部位对周边变形影响小，连接部位强度高。除点焊外，还有强度更高，连接面更大但局部变形大的惰性气体保护下弧焊，比较常见CMT焊（全新MAG、MIG焊接工艺）、激光焊，目前机器人代替人工，将视觉引导和反馈应用在此领域，焊缝质量得到有效管理。另外比如，铝合金材料在汽车领域的应用，连接技术也引入了SPR、FDS、CLINCH、RIVET、RIVTAC等工艺，配合着连接缝密封和加强，在连接衔接部位涂密封胶和结构胶。随着板材连接技术研究深入，以及设备设计和制造技术水平提升，还有设备性能的提升，板材连接有了更多的选择。

本篇重点地介绍一种新型的板材间连接技术，目前它分支了三大类工艺，第一种是接头跟SPR比较类似，铆钉脚被撑开产生反向阻止脱落结构形式，但SPR是铝板与铝板的连接，这种工艺确实是下层钢板与上层铝板形成新型连接，第二种是钢铝铆焊连接，铆钉穿透上层鋁板后，高速旋转摩擦焊接了下层的钢板，第三种是铝板铝板，铆钉腿内腔带螺纹的方式，高速旋转生热产生塑性材料挤入铆钉内腔，内腔塑性材料冷却后铝柱被内腔的螺纹环抱住，与此同时，铆钉帽高速旋转在铆钉帽沿圈两层铝板组织由于生热熔合在一起，产生一定的强度形成复合连接体。第一种不同于常见的SPR，SPR是铝板铝板间的连接，而第一种是在铝板和钢板间连接，除钢钉产生与SPR一样的效果外，钢钉在高速生热后，产生钢钉腿尖部还会与钢板熔合连接现象。第二种就是铝钢薄板连接典型代表，钢钉穿过上层铝板后，高速旋转的钢钉与钢板摩擦生热顶脚端部与它周围的钢板熔合在一起，形成强度很大的连接头，通常这种铆钉钉腿比较短2～3mm左右。第三种铝板与铝板的连接，除前述到的，钢钉内腔螺纹抱住了腔体内流入的铝柱外，钉帽在一定压力下，帽檐下方铝板铝板之间通过钉帽高速旋转摩擦生热，在贴合部位也形成了铝板铝板间沿圈熔合连接体。这种连接体除了可以配底模支撑外，即使不配底模，连接体的强度也可以媲美一定直径大小的HUK铆钉的连接效果。

以第二种工艺为例，涉及元素分别是摩擦铆钉（钉腿中空内腔型）、上层铝板、下层钢板、形变材料流动区、摩擦焊接区。工艺流程简易模型大概概括为，首先摩擦铆钉根据材料种类和板材的厚度轴向选择合适的转速、轴向力和进给速度，穿透上层铝板层，由于高速旋转推进，铝板在被穿透的过程中，也就是变形材料流动区，材料软化产生流动，逐渐地填充钉腿内腔，钉腿内腔流入的塑形料量可以包含掉钉腿壁厚所占有量，尽可能地避免了铝板材料下陷或凸起，接着钉腿穿透上层铝板后第一时间接触下层钢板的表面涂层，并穿透，然后铆钉在持续的高速旋转和推力下，钢钉端部和下层钢板摩擦生热，也就是摩擦焊接区，形成了摩擦焊需要要素，二者相互挤压并高速摩擦生热熔焊在一起，最后驱动铆钉旋转的动作停止但持续保持一定推力，对接头持续压紧一定设定时间，完成一个完整的摩擦焊接过程，最终在铆钉作用部位形成我们所需的满足一定强度要求的接头。

实现这种新型的连接技术需要设计制造比较有针对性的专用装备，以第三种工艺为例，以某种特定材料和板材厚度组合做连接头为例，这种装备有如下几大功能部件：

1、推进电机，要求提供大约450KG左右的推力，进给速度大于250mm/s;旋转电机，要求提供大于4500转/分的旋转速度，以及8N.m以上的扭矩;推进电机力输出联轴器和丝杠，配合电机输出扭矩和所需移动速度，选择合适直径和导程的丝杠;滑轨，保证驱动轴运行直线度的重要精度保证部件;驱动轴和驱动套，二者承担着直接旋转铆钉和挤压的铆钉的重要任务，旋铆过程的转速大概要大于4500转/分，转速不能太低;压边圈压边套，起到驱动轴同轴度保障和给板材施加压紧力的重要作用;承托架，所大类。

这种新型的连接工艺，可以应用广泛场景中，在常见的用在六轴工业机器人上，落地固定专机，四轴工业机器人，四轴桁架机构等场景中都是非常可行的，不过由于负载非常大，转速非常高，对设备本身的能力要求也非常高。

在对此特殊专机的控制方面要求满足如下技术指标：

满足机器人自动化作业要求;多段铆接功能;满足不同板材组合匹配对应铆接程序;实现参数规范设置、存储与导入;驱动轴压力实时监测与反馈;诊断板厚与预设不匹配，程序终止;铆焊接过程参数化控制;显示铆接过程参数曲线，历史数据存储对比;具备设备故障诊断报警功能，故障部位反馈;吸钉成功与否诊断;控制操作界面展示和人机界面交互;随着这类工艺掌握程度不断的加深，控制技术要求的指标越来越精细，手段也会越来越完善。

完整的系统框架包括：

整体系统由空压机、气源过滤器FAL、送钉机、送钉管、铆钉系列、铆钉加工设备、单边冲铆枪、双边冲铆焊枪、铆钉缓存弹夹、铆钉弹夹充装停放站、电气控制总成柜、HMI多点触摸柜、机器人、机器人管线包、一系列检测传感器、气路和气控模块（真空阀、数显气压传感器、电磁阀、气体过滤器和阀排）、压力传感器采样放大器、数字量采样模块、模拟量采样模块、脉冲量采样模块、数字量输出模块、电缆管线、接头系列等组成。

整体设备开发涉及到大致的工作范围：开发资金的申请、项目管理、市场调研、采购活动、工艺设计研究、机械设计、机械动作模拟分析、气路设计、电控硬件设计、电控程序设计、技术支持和指导、机械零件受力载荷仿真分析、产品装配和调试、上电程序运行联调联试、产品说明书编撰、设备操作手册编撰等等。

各方职责：

项目经理负责整体项目实施沟通协调，范围管控，进度管控，成本控制，人员工作协调，风险管理、质量控制，一系列全过程管理。

工艺设计研究团队负责铆钉系列设计，对应板材材料和厚度组合设计，实验分析铆焊接点接头各项力学性能，提供输出旋铆转数指标和扭矩指标，进给速度指标，驱动头挤压力需求指标和压边圈对板材压力需求指标等工艺技术实现的要求指标;

机械设计负责功能目标与机器运动匹配设计，机械结构整体布局，机械零件设计，外购件选型，装配拆卸可行性分析，机加可行性分析，运动认证分析干涉检查与排除，设计零件强度分析，精简减重分析优化，气密性分析与处理，管线阀块走向和布局，零件材料筛选与确定，零件尺寸公差和配合精度公差设定，图纸命名规则确定，动作时序分析，二维图绘制和BOM表制作，专用工具设计，外购件和机加工采购单制定，各项相关技术支持，采购价格洽谈、交期和合同技术关键条款制定;

电控设计负责功能目标与机器运行控制匹配设计，电气元件选型和采购单定制，电缆网线通讯电缆及接头选型与采购单定制，电气元件组合电路图设计和接线图设计，收集设备系统各项信号参数拟合成严密逻辑规则，编写PLC程序实现完整工艺机器运行控制，PLC程序能够设定各项边界条件和反映每一步运行状态，实现脱机网络和联线程序导入后自动运行编写的程序，人机操作界面反馈内容设计与规划，人机界面可实现手动操作各项子程序，程序实现过程故障诊断、故障点提示和故障解除措施反馈，人机界面能够直观显示故障诊断结果和故障区块，人机界面在设定的许可权限下可以根据生产实际调整参数值，手动模式测试，自动模式测试，机器人调用模式测试，自动化调试和程序优化改善，人机界面显示铆焊全工艺过程中进给位移、进给速度、旋转速度、旋转扭矩、驱动轴压力、过程时间、铆接过程能量实时监控表征值，表达成直观曲线图示意，到货元器件开箱性能测试，伺服电机配套驱动器参数设置，各项相关技术支持，采购价格、交期洽谈和合同技术关键条款制定;

机械装配人员：外购件的到货检查，运动部件配合调整，机械到位安装，气管线连接铺设，传感器安装，节拍测试记录并优化调试，内部验收，拆装及包装，现场办公及物料仓库布置，现场问题单跟踪;

电工安装人员：电柜电气元件安装和排线，I/O模块布置，电缆连接与桥架铺设，各种电源连接，各设备间网络连接，安全回路连接，传感器连接，传感器调整，安全回路检查，上电，I/O检查，电气调试，电气元件拆装及包装，各类元器件标牌和号码管编号;

气路施工人员：气源连接，三联件安装，真空发生器安装，阀块布置，压力反馈传感器安装，管接头、堵头、消音器、节流阀、分气快等安装，各类尺寸气管的串接，各类控制端标牌和执行端标牌，配合电控工程师完成调试过程中遇见气路方面的问题;

以上是典型工作集中比较高的工作团队模式的工作职责内容，不同的公司不同的组织结构，工作内容可以分工更精细方向发展和安排，当然也需要采购、财务和库管等相关人员的密切协调配合。

设备开发过程也要有完整的过程技术资料的输出，一般包括如下过程文件：

项目立项书;项目组织结构;项目實施计划;设计基准书;项目需求分析报告;开发工作日志;相关计算报告;设备测试报告;铆接点实验报告;过程改进记录;风险评估报告;项目过程会议纪要;采购技术协议;采购合同; OPENISSUE记录;供应商清单;采购RQF单; RQF跟踪单;采购商品价格数据库;采购及机加物料跟踪单;市场调研或技术探讨分析报告;三维设计数模;二维设计图纸; 机械和电气外购、机加、标准零件等详细清单;备品备件清单;采购件清单;设备指定尺寸铆钉系列图纸;设备适用薄板组合系列图表;电控PLC程序，HMI程序，网络配置文件，驱动器设置参数文件;设备运行时序图;电气图纸的元件图库;电气安装图纸;气缸、接近开关、气动阀岛编号标识牌布局图;柜子、设备和电缆的标识牌和标签布置图;气路图;开发过程问题跟踪单;设备失效模式和分析报告;工艺失效模式和分析报告;设备连续往复运行监测报告;设备检测报告;设备维修养护指导书;外购产品说明书;外购产品操作指导书;设备操作指导书;客户培训指导手册;

该类型的新型连接技术设备在工业连接工艺应用的实现，突破了传统铝钢薄板间连接方式以外的选择，除了配备介质的辅助连接外还兼顾材料熔合焊接复合工艺连接。在铝板和钢板间连接，或铝板与铝板连接，无需焊接设备，无需预先开孔，二者贴合连接可以用这种专机直接一步到位连接在一起，不产生飞溅和废屑，连接强度高，板材局部变形量小等优点。运用场景柔性度高，可以用作固定式专机，也可以将专机设备安放在三轴桁架机构上，也可以安放在四轴机器人和六轴机器人上。范围应用广，汽车制造行业，车身件连接;飞机制造行业，机身材料连接;高铁制造行业，车厢型材连接;军工装甲制造行业，装甲表面附着板材固定连接等等;设备支撑针对性定制开发，根据连接强度需求要求，可以选择接头的直径大小和长度值，从而配置相应技术指标附件。这种专用设备开发技术含量很高，单机开发相当于一台高精度机床设备设计制造。工艺方面涵盖了一系列复杂实验数据的记录，筛查比较，总结归纳出不同板材组合工艺应对策略;在设备方面，配备高性能伺服电动机，高精度导轨和驱动丝杠，高精度的位置检测线性编码传感器，高速放大响应压力检测传感器，复杂加工铆钉驱动杆，多种高性能材料应用，气路管控系统，复杂闭环程序控制系统。预测未来，随之我们的对这项技术和设备开发的推进，不久的将来，这种工艺会在工业生产中应用越来越广泛。