輕量化的咬合連接與焊接技術(shù)
- 2017-08-07 14:53:00
- sawchina 原創(chuàng )
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所謂的“一升車(chē)”大眾XL1車(chē)型只進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，離巨大的市場(chǎng)成功還十分遙遠。但是這種超前的兩座車(chē)不僅在油耗這一點(diǎn)上成為了全世界的表率，其車(chē)身也樹(shù)立了新的標準：車(chē)身重量只有230公斤，主要由碳纖維增強塑料（CFK）構成。業(yè)界對此表示深受震動(dòng)，不過(guò)如何把混合材料制成的車(chē)身零部件組裝起來(lái)，這對技術(shù)人員和連接專(zhuān)家提出的巨大挑戰。車(chē)輛的整體結構應該既輕盈，又穩定安全?！安牧辖M合以及混合建造方式推動(dòng)了連接技術(shù)的進(jìn)步”，德國奇昊汽車(chē)公司（Kirchhoff）研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部經(jīng)理Christoph Wagener強調說(shuō)。
這家位于德國伊塞?。↖serlohn）的汽車(chē)制造商長(cháng)期以來(lái)一直活躍于混合結構領(lǐng)域。在白車(chē)身的結構部件中，鋼和鋁或者金屬和塑料等材料組合已經(jīng)不再罕見(jiàn)。但這絕不表示原有的成熟技術(shù)就要被淘汰：“我們一如既往地還在運用咬合、鉚合、旋合等機械式連接技術(shù)”，Wagener說(shuō)。點(diǎn)焊和激光焊接等熱連接技術(shù)也屬于完全服務(wù)供應商的核心能力。但是點(diǎn)焊明顯具有不足之處：“鋼和鋁的接合不能用焊接的方式，”Wagener強調說(shuō)。
標準連接方式的撤退？
作為一種成熟的連接工藝，電阻點(diǎn)焊仍然在混合結構的全鋼領(lǐng)域中處于主導地位，但卻不能用于混合搭配的材料接合。位于比勒費爾德的接合技術(shù)專(zhuān)業(yè)企業(yè)博爾豪夫公司（B?llhoff）供應許多種接合及緊固系統，不僅能夠將鋼，還可以將鋁、鎂、塑料及各種混合材料進(jìn)行長(cháng)效接合。從其產(chǎn)品范圍可以發(fā)現，標準連接件基本不再是核心產(chǎn)品。重要產(chǎn)品則是盲帽鉚接螺母、塑料制的螺栓及螺栓系統、振動(dòng)及聲音耦合連接系統或者用于塑料及復合材料的螺紋接頭。所有產(chǎn)品均支持機械式連接工藝，如高速沖鉚、沖壓鉚合及螺紋連接等。
在有許多人正對于汽車(chē)制造中的這些趨勢感到十分高興，這其中毫無(wú)疑問(wèn)地就有Elmar Locher。這位連接技術(shù)專(zhuān)家是一個(gè)家族企業(yè)的代理人，這家企業(yè)在近30年前首次推出其擁有專(zhuān)利的“Tox沖壓圓點(diǎn)連接工藝”后，不斷對這項通用而靈活的咬合連接技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)：這就是位于魏因加滕的托克斯沖壓技術(shù)有限公司（Tox Pressotechnik）?！八^的TOX咬合連接是一種純機械的工藝，可以將相同或不同厚度、相同或不同材質(zhì)的板材，以絕對恰當的形狀和力量互相連接”，Locher指出，還可以連接具有涂層或漆層的板材，板材之間可以?shī)A入薄膜或減震材料。在資源保護和輕量化方面，Tox咬合連接也具有一個(gè)優(yōu)勢：即使是高強度的特種鋼板和混合材料（鋼板、粘合劑、鋁板）也能進(jìn)行連接，而且沒(méi)有任何生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，并能實(shí)現可復制的高連接質(zhì)量。Locher說(shuō)：“TOX沖壓圓點(diǎn)連接的連接質(zhì)量非常高，在汽車(chē)制造中，甚至可以用此工藝將沖撞相關(guān)的零部件及組件安全地互相連接。今天，在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中就有200多處應用，包括車(chē)身、裝備、內飾方面所有可以想到的的零部件和組件?！迸c螺接、鉚接等其他機械連接方式相比，Tox咬合連接無(wú)需機械預備工作，如鉆孔、沖孔、沉孔等；也不需要任何輔助連接件。另外，這種工藝也無(wú)需使用焊接和硬焊或釬焊等熱熔連接所需的焊劑。還有，Tox咬合連接免去了焊接中不可避免的能源消耗。
工藝研究表明，咬合連接不僅在工藝上，而且在成本方面都明顯優(yōu)于電焊。例如一家德國原始設備制造商（OEM）通過(guò)使用咬合連接代替焊接，在零部件方面節省了66%；而在生產(chǎn)一款日本汽車(chē)的行李箱蓋時(shí)，使用Tox咬合連接比沖壓鉚接整整節省了89%。保時(shí)捷新款車(chē)型Macan 的零部件也成功地使用了“Tox技術(shù)”。據了解，這樣的部件有行李箱蓋和車(chē)頂部位的壓鉚螺母。托克斯公司對保證沖壓時(shí)間非常自信，將特種機床、帶有獨立控制器的機器人系統和機械鉗系統都運用到國際汽車(chē)制造業(yè)的流水線(xiàn)上，確保對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全程監控。目前，Tox公司正致力于研究一種新型模塊化的夾鉗：卡箍將由42公斤“塑身”為29公斤。
五年前，博爾豪夫公司就和輕量化方面的專(zhuān)業(yè)公司德國孚利模集團（Frimo）合作，將所謂的“一次成型工藝”及配套的機械制造技術(shù)發(fā)展至實(shí)際應用。該工藝旨在用于玻璃纖維增強塑料材質(zhì)的薄壁型結構零部件。沖壓套管上有特殊的螺紋，無(wú)需預打孔便可以連接結構元件。目前又增加了螺釘的應用。所謂的“Rivtac螺釘”也可以實(shí)現金屬和塑料的混合部件連接，而無(wú)需預打孔。這種機械連接工藝是將一種類(lèi)似于指甲的輔助連接件加速到高速后，打入沒(méi)有預打孔的部件。這種螺栓尖端呈尖拱形，可以刺穿材料而不產(chǎn)生毛邊。而應用這種工藝的前提條件是結合件要有足夠的剛性。比如奔馳公司在新的C級車(chē)車(chē)身制造中使用了這種工藝—在其內部被稱(chēng)為“沖擊工藝”。C級車(chē)的鋁材混合車(chē)身根據結構輕量化原則設計而成，比傳統的鋼材車(chē)身減輕了70公斤。
缺點(diǎn)：復雜化
如今，這種直接的沖鉚工藝已在高強度零部件和型材的批量生產(chǎn)中占據一席之地。與目前的二步安裝沖壓套管的方法相比，這種新工藝的加工過(guò)程既快速，成本又低。博爾豪夫公司稱(chēng)，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用機器人操控自動(dòng)沖鉚設備，甚至高強度鋼的多層連接也不再有任何問(wèn)題。但是，混合式輕量化方式也有其代價(jià)：比如白車(chē)身連接技術(shù)的復雜化。Thomas Liedtke博士是不來(lái)梅奔馳工廠(chǎng)車(chē)身生產(chǎn)部（白車(chē)身和表面加工）主管，他說(shuō)：“沖擊鉆或流鉆螺絲等新工藝加大了連接技術(shù)的復雜性?！睋@位車(chē)身制造專(zhuān)業(yè)人士說(shuō)，這些工藝的主要亮點(diǎn)是會(huì )給材料增加少許熱量。還有一點(diǎn)：“通過(guò)這些新的連接工藝，即使復雜的零部件也可以實(shí)現單面操作?！?br />
機械連接的一大缺點(diǎn)是連接處會(huì )有發(fā)生腐蝕的危險。根據材料搭配的不同，零部件和連接件必須另外附加涂層。經(jīng)濟實(shí)用的鋼板和鋁材連接以及可以再次剝離的螺栓連接，在OEM廠(chǎng)的車(chē)身制造中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。例如，大眾汽車(chē)公司在對螺栓和其他連接件的所謂“表面涂層”的特性規定了嚴格的標準。大眾標準TL180中明確規定了應有的摩擦系數和耐腐蝕性。為此，德?tīng)柨衔⑼繉臃栏g系統公司（D?rken MKS-Systeme）等表面技術(shù)專(zhuān)業(yè)公司研發(fā)了高效鋅片涂覆系統，只要幾微米的涂層厚度便能夠起到良好的防腐蝕效果。防腐蝕技術(shù)的另外一種趨勢，尤其在沖壓鉚合技術(shù)中，就是另外使用粘合劑。不過(guò)這有一個(gè)基本缺陷，即粘合劑需要很長(cháng)的硬化時(shí)間。
汽車(chē)的輕量化也激勵了德國伍爾特（Würth）集團的子公司阿諾德成型技術(shù)有限公司（Arnold Umformtechnik）。在螺絲方面，該公司正在尋找傳統板材連接工藝的功能性替代品。所謂的“流孔成型螺絲”可以無(wú)需預先鉆孔而穿透材料。在扭矩控制的裝配過(guò)程之中和之后，形成的孔洞均與螺絲的紋路嚴絲合縫。阿諾德公司的研發(fā)工程師Heiko Miller這樣描述結果：“形成的連接既不透水也不透氣，具有很大的拉拔力?！睂τ谶@種工藝的成本和流程效率，他強調說(shuō)：“這種工藝省去了對部件進(jìn)行預制的工序，例如鉆孔、沖壓和螺紋切削，同時(shí)也無(wú)需加入螺母和夾具等附加輔助連接元件?！?
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