5.1 工作原理、特點及主要應用領域

隨著汽車工業的發展，大量輕質材料如鋁合金、鎂合金和高強度鋼板等得到了廣泛的應用，傳統的板材連接方法已經不能完全滿足工業工程領域內的使用要求，存在生產效率低、成本高、對板材表面質量要求高等缺點，而沖鉚工藝能夠滿足鋼材或鋁等輕型材料的連接要求，鉚接過程中無化學反應，其抗靜拉力和抗疲勞性都要優于點焊工藝，且板材在鉚接時不需要鉆孔，工藝步驟簡化，節約成本，并適用于汽車車身高效率的生產，有效地攻克了鋁點焊產生的各種難題，近年來沖鉚連接方式被越來越多的應用在車身生產制造中。目前，沖鉚工藝包括鎖鉚連接和無鉚連接兩種方式。

5.1.1 鎖鉚連接的工作原理、特點及主要應用領域

鎖鉚連接是汽車工業、鈑金、家用電器、工業電器和建筑五金等領域中廣泛使用的板材連接工藝，具有連接質量好、成本低和連接效率高、質量好等優點。

1．鎖鉚連接的工作原理

鎖鉚連接是指鎖鉚鉚釘是在外力的作用下，通過穿透第一層材料和中間層材料，并在底層材料中進行流動和延展，形成一個相互鑲嵌的永久塑性變形的鉚釘連接過程。鎖鉚連接的過程如圖5-1所示。

一般情況下，鎖鉚連接工藝可以分為三個階段：

1）板料準備壓入階段。首先將被連接的工件放在凹模上，固緊件向下運動至被連接工件上，被連接的工件被固定在固緊件和凹模之間。

2）成形初始階段。隨著凸模向下運動，鉚釘沖切凸模側的被連接件。

3）成形階段。繼續加壓，鉚釘切斷穿過凸模側的被連接材料，且鉚釘本身張開，凹模側的板材塑性變形產生了封閉端，封閉端的形狀由凹模的形狀所決定。

2．鎖鉚連接的特點

與傳統連接技術相比，鎖鉚連接具有如下優勢：

1）連接質量好。鎖鉚連接的動態疲勞強度高、沖擊能量吸收性能好、重復連接可靠性高、可無損傷檢測連接質量。

2）綜合成本低。鎖鉚連接無需連接前后的處理工序、單一工序、工作效率高、操作成本低、能耗低、無需額外的環保和勞保投資。

3）連接組合廣。鎖鉚連接可連接不同材質、不同厚度組合，可連接不同硬度、不同強度組合，可連接中間層有結構膠組合，可連接多層材料組合。

4）設備效率高。鎖鉚連接設備可實現鉚接自動化，易于與生產過程自動化集成，鉚接質量由設備決定。

3．鎖鉚連接主要應用領域

1）汽車工業中的應用，如圖5-2所示。

2）在運輸工具中金屬和復合材料的組合件零件。

3）白色電器物品。

4）建筑技術。

5.1.2 無鉚連接的工作原理、特點及主要應用領域

1．無鉚連接的工作原理

無鉚連接（Clinching）是指專用的無鉚連接模具在外力的作用下，迫使被連接的材料組合在連接點處產生材料流動，形成一個相互鑲嵌的塑性變形的連接過程。圖5-3所示為無鉚連接的過程。

一般情況下，可以根據沖頭的位置確定無鉚釘連接過程的四個階段。

1）板料初壓階段：從沖頭接觸上側板件開始，至下側板件接觸下模具底部平面為止。在這個過程中，上側板件在沖頭作用下彎曲并受擠壓，局部發生塑性變形，下側板件發生彎曲。

2）成形初始階段：這一階段從下側板件接觸下模具底部平面開始，至下側板件和下模具底平面完全接觸時為止。這一階段開始時，沖頭下行，下側板件底部受到下模具底部平面的約束，此時，下側板件變形后形成的側表面尚未受到下模具內側表面的約束，在此階段，由于沖頭的擠壓作用，上側板件在沖頭的圓角處受擠壓變薄，其頸部金相組織被強化。

3）成形階段：沖頭繼續下行，由于下模具的環形凹槽對下側板件的圓角處無約束，材料在力的作用下向凹槽處流動，填充下模具的環形凹槽。而上側板件圓角處的材料也同時向凹槽處流動。頸部的組織被強化，上側板件材料沿著最小阻力的方向流動，材料被擠向兩邊，擠入凹模側的板件中，使上側板件嵌入下部材料中，此時沖壓連接圓點基本形成。

4）保壓階段：在這一階段沖頭繼續下壓。材料完全充滿整個凹槽，沖壓圓點完全形成，保壓能夠防止回彈。

無鉚連接變形過程相對比較簡單，但是在生產實際中，無鉚連接點的質量會受到諸多因素的影響，主要包括連接設備、連接過程、材質組合和連接模具。連接設備主要包括連接設備的結構、連接設備的動力、靜態變形特性和連接過程的控制對成形工藝的影響；連接過程包括空間定位、工作循環和周圍環境的影響；材質組合包括被連接板材、板材厚度、板材強度、表面狀況、幾何形狀和連接位置的可進入性的影響；連接模具包括上模的結構、下模的結構、脫模器、連接力和脫模力的影響。

2．無鉚連接的特點

無鉚連接和其他傳統連接技術相比，具有如下特點：

1）低成本優勢：與焊接或鉚釘連接相比，成本節約30%～60%。

2）連接質量優勢：動態疲勞強度遠遠高于點焊。

3）質量檢測優勢：連接點可無損檢測，連接過程可自動監控，作業數據自動生成和存儲。

4）生成簡化優勢：優化的連接工藝、無需鉚接前后的處理工序，可實現多點同時連接，工作效率更高。

鎖鉚連接及無鉚連接與傳統連接方法的對比見表5-1，從表中可以明顯看出鎖鉚連接和無鉚連接的優點。

3．無鉚連接的主要應用領域

無鉚連接幾乎被應用于所有的技術領域，其應用實例如圖5-4和圖5-5所示。

1）汽車制造業：如轎車的車門部件、發動機蓋板、加強件、轉向裝置及橫梁部件等的固定。

2）通風和溫度調節技術：通風裝置系統、冷卻設備殼體、風輪、過濾網等的固定。

3）白色電器物品：如殼體的固定。

4）建筑領域：管夾的連接和在屋檐的固定。

5）電子工業：電子組件的固定。

6）照明技術：頂板燈和霓虹燈的制造。

7）醫學技術：牙科儀器的殼體制造。

8）家用電器：抽油煙機蓋的生產。

9）計算機技術：框架部分的連接等

10）家具工業：扶手在基板上的固定。