轻量化连接装备之自冲铆接设备

2024年1月21日发(作者：本田锋范2020新款)

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Technology轻量化连接装备之自冲铆接设备国汽（北京）汽车轻量化技术研究院有限公司 付 岩一、 前言汽车轻量化技术作为汽车产品实现节能减排、增加新能源汽车续航里程的有效途径[1]，越来越被汽车企业重视，在量产车型的使用中也越来越广泛。实现汽车轻量化技术的重要途径之一是在生产制造过程中采用先进的制造技术[2]。谈到先进的轻量化制造技术不得不重点介绍SPR(Self-piercing Rivet)，在捷豹XFL、奥迪A8、特斯拉Model S、福特F-150、蔚来ES8、奇瑞EQ1（小蚂蚁）等车型的全铝车身上均使用了该技术。SPR源自英国Henrob（亨罗布）的译文名是“自冲铆接”，这个名称在国内被广泛使用，有的国内供应商也称它为“锁铆铆接”、“自穿刺铆接”。二、 自冲铆接技术自冲铆接是指SPR铆钉在外力作用下，通过穿透第一层材料和中间层材料，并在底层材料中进行流动和延展，形成一个相互镶嵌的塑性变形的铆钉连接过程，该铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪强度，称作自冲铆接点[3]。该技术可以连接铸铝、冷拉型材、板材等铝材；可以连接拉伸强度小于500N/mm2的深冲钢；可以连接拉伸强度小于1000 N/mm2的高强钢；也可以连接镁、铜、非金属材料和夹层材料，具有铆接质量高、综合成本低、材料组合广、柔性组线好等特点。自冲铆接工艺解决了铝点焊技术不能满足连接性能要求的问题，克服了疲劳强度不够、铆钉图层和铝材不相容以及钢铆钉和铝材不相容等问题，因此被大量应用在全铝车身的连接。同时自冲铆接技术也存在一定的缺点，在连接钢板时，自冲铆接比点焊的抗拉强度小；铆接时，尾部出现突出的“铆扣”，不够平齐；由于铆接过程需要较大压力，铆接设备比较笨重；在进行自冲铆接时，铆接处材料的两面都必须接触(一面是冲头，一面是模具)，而不进行单面铆接。相对于普通钢制车身常用的电阻点焊，它们连接的材料不同，故其工艺过程和使用设备自然不同。三、 自冲铆接设备国际发展水平1985 年基恩·琼斯在英国创建Henrob（亨罗布） 公司，研发和生产出世界上第一套自冲铆接设备。来自亨罗布的一组数据表示，2016年全球销售的9300万辆汽车中大约有6%应用SPR技术，2021年预计这两组数据分别达到1.02亿和11%，其中亨罗布占全球市场份额的60%和70%[4]。继亨罗布之后，德国的BOLLHOFF（博尔豪夫）公司也相继开发出了自冲铆接设备。自冲铆接在美国和德国汽车车身制造业中已经有了较为广泛的应用，奥迪公司在A8车型上使用了约1400个自冲铆钉，而在新A2上使用约1800个自冲铆钉；美洲虎汽车公司也在X350系列、XJ型豪华轿车的铝制车身上应用至少3000个自冲铆钉。值得关注的事，2004 Jaguar XJ有250个复合连接点采用了自冲铆接技术，厚度从1.8mm到9.0mm，其中一些还配有粘连技术，由145个机械手电动伺服铆接系统和54个手动液压铆接系统完成了3100个自冲铆钉的嵌入工作[5]。四、 自冲铆接设备国内发展现状中国汽车行业批量使用SPR自冲铆接设备的标志是2016年4月7日第一家专制全铝车身车间在奇瑞捷豹路虎常熟工厂竣工投产[4]。而奇瑞捷豹路虎常熟工厂专制全铝车身车间使用的SPR自冲铆接设备也全部来自亨罗布，这也是亨罗布第一次在中国大规模使用SPR设备。同年8月推出的全新捷豹XFL也成为第一款在中国本土生产制造使用自冲铆接SPR技术的全铝车身车型，其车身上有2754个自冲WMEM·2021年 第1期79

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Technology产品与技术铆接点，采用了18种铆模、30种铆钉[4]。在全新捷豹XFL全铝车身技术沉淀的基础上，奇瑞EQ1（小蚂蚁）[6]车身采用了全铝合金，奇瑞EQ1的车身骨架铝合金应用比例全球领先，高达93%。在后地板总成和发动机舱总成位置共用了44个铆钉，使用的是一浦莱斯智能数控SPR自冲吹钉系统完成[7]。蔚来ES8车型采用全铝车身结构，96.4%的铝材使用率使该车成为全球量产车中全铝车身铝材含量最高的车型，自冲铆接SPR配套德国进口TUCKER焊枪[8]多达134把。目前，国内供应商中湖北博士隆科技股份有限公司从事铆接件的研发、生产、经营业务，在提炼、消化、吸收等方面积累了丰富的行业经验。在自冲铆接工艺设备方面做的比较好的有一浦莱斯精密技术（深圳）有限公司（后面简称：一浦莱斯）、苏州斯旺西智能装备科技有限公司（后面简称：斯旺西）[9]。根据公开资料梳理总结出国内自主品牌SPR自冲铆接设备主要信息如表1所示。表1 国内自主品牌自冲铆接SPR设备的主要形式五、 国内自冲铆接设备简介分析两供应商的设备形式，都有手钳型、液压型、伺服电机型；只是手钳型的动力形式不同，分为气动式和电池式。不同型式的铆接设备可满足不同的铆接工艺要求，有着不同的额定功率、输出力、铆接组合厚度、铆接工作循环时间等参数。在选用时可根据铆接的工艺要求、铆接零件周边的空间尺寸、输出力大小等内容综合选择。1.手钳型手钳型特点：①易于携带、操作简单、可根据使用条件选择动力形式；②80WMEM·2021年 第1期连接力可调范围在（35~50）kN；③压接周期3~6s/次，最大材料厚度3.0mm；④可匹配不同喉深的C型钳体。

应用领域：自冲手钳主要用于①大型固定工件；②试制车间原型样件生产；③生产线连接设备的补充；④现场安装和维修。图1所示为一浦莱斯气动手钳型自冲铆接工具，图2所示为斯旺西锂电池手钳型铆接机。2.液压型设备特点：①柔性化强，与带状铆钉匹配使用；②铆钉自动送料并定位；③连接力可以根据应用任意调整设定；④铆接时间短1~3s/次，最大材料厚度6.0mm；⑤铆接质量可以无损伤检测；⑥结构紧凑，易于维修。图1 一浦莱斯气动手钳型锁铆工具[10]图2 斯旺西锂电池手钳型铆接机[11]相对手钳型优点：①铆接过程自动监控，保证铆接质量；②生产参数、过程参数，结果数据可以存储，便于分析不良原因和工艺改进；③压力可选，行程可选。应用领域：①主要用于汽车工业；②自动化生产线；③机器人铆接单元；④要求铆接过程需要监控的路标牌等其他行业。图3所示为一浦莱斯厂家设备，图4所示为斯旺西厂家设备。

图3 一浦莱斯锁铆连接设备（价值型）[10]图4 斯旺西液压式标配铆接机[11]3.数控伺服型设备特点：①客户定制设备，满足客户的不同生产需求；②模块化设计，系统机构紧凑可以柔性组合，节约空间；③铆接为1s/次，最大材料厚度10.0mm；④铆接过程自动监控，保证铆接质量；⑤系统自诊断功能，易于维护；⑥生产参数、过程参数和结果数据可以储存，便于分析不良原因和工艺改进；⑦可与机器人自由对接，实现工业自动化。

相对液压型设备优点：①可以设置多种模式，有设定模式、铆接模式、维修模式，可满足不同操作需求；②触摸模式控制屏，人机交互更流畅；③可与机器人自由对接，实现工业自动化。应用领域：①实验试制、②自动化生产线、③机器人铆接单元。图5所示为一浦莱斯厂家设备，图6所示为斯旺西厂家设备。图5 一浦莱斯锁铆连接设备（高配型）[10]图6 斯旺西伺服式铆接机[11]4.铆接质量管理系统铆接质量管理系统是由质量监控和质量数据追溯管理两部分软件硬件组成的。前者“质量监控”：监控每次铆接结果是OK或NG；后者“质量数据追溯”：回答铆接质量为什么是OK或NG。质量管理系统原理：使用精密的压力传感器和位移传感器，采集铆接过程中的力和行程数据，通过设置质量判断窗口条件，对实际发生的力和行程X-Y数值进行实时比对分析和结果判断，从而实现对铆接过程质量的监控和产品与技术Products

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Technology质量数据的追溯、存储和管理。如果实际的过程曲线在设置的窗口公差内运行，则说明铆接质量可控，判断为ok；反之，如果实际曲线偏离设置的窗口，则说明铆接质量出现偏差，显示红色并报警NG[12]。 铆接质量管理系统4.0系统功能特性如表2所示。表2 管理系统4.0系统功能特性六 、结束语随着汽车行业轻量化技术的不断推广，国内自主研发的新车型中使用自冲铆接技术的越来越多。自冲铆接工艺装备是实现自冲铆接技术的重要载体，在汽车行业进化的浪潮中自冲铆接装备要与自冲铆接技术一同发展。自主研发的工艺装备要进一步提升核心竞争力，满足汽车产业化需求，抓住汽车产业转型升级的机遇，替代进口产品，助力汽车产业转型升级。□参考文献：[1] 利刚、李军、李彤光. 我国乘用车轻量化进展与发展思考[2] 谭妍玮. 纯电动汽车轻量化途径研究[3] 陈文娟、尚永孝、马瑾. 浅谈铝合金车身连接技术[4] 涂彦平. 为什么是奇瑞捷豹路虎[5] /s?id=82505154[6] /content/17/0629/20/37927501_66755 [7] 一浦莱斯宣传资料[8] /content/19/1230/13/46573964_88310 [9] 李宽、覃晓攀. 自穿刺铆接技术在新能源汽车上的应用研究[10] /[11] /[12] 一铺莱斯产品手册WMEM·2021年 第1期81