汽車產(chǎn)量以及保養(yǎng)量的增加帶來(lái)了安全、污染、能耗等問題，為提高能源利用率，達(dá)到節(jié)能減排的效果，提出了汽車輕量化設(shè)計(jì)理念。美國(guó)鋁業(yè)公司數(shù)據(jù)顯示，汽車中典型鋁質(zhì)零件的一次減重效果可達(dá)30% ～40%，二次減重可進(jìn)一步提高到50% 。采用鋁制車身可以減少汽車增長(zhǎng)帶來(lái)的環(huán)境與能源壓力，達(dá)到汽車輕量化的設(shè)計(jì)要求。

在鋁車身連接工藝中，熱熔自攻絲、鋁點(diǎn)焊、自沖鉚被廣泛使用。但由于鋁合金化學(xué)活性強(qiáng)、極易形成氧化膜、線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱強(qiáng)，給焊接帶來(lái)困難;自沖鉚工藝需要根據(jù)不同材料性質(zhì)、板件厚度來(lái)選擇不同的釘/鉚搭接方式，增加人工及試驗(yàn)成本。熱熔自攻絲(Flow Drill Screwdriving 簡(jiǎn)稱FDS)是一種新型的連接工藝。它綜合了摩擦鉆孔以及螺紋成型技術(shù)，在工作過程中緊固螺釘既作為鉆孔工具，又作為緊固件，避免以上工藝的連接限制。在連接過程中螺釘只需與板件單面接觸，大大提高了空間利用率，保證設(shè)計(jì)的靈活性。

在國(guó)外，一些公司對(duì)FDS 工藝已經(jīng)進(jìn)行深入的研究。SkovronJ 等詳細(xì)地介紹了FDS 工藝流程，并著重研究擰緊力與鉆孔速度對(duì)FDS 影響;Miller 等對(duì)摩擦鉆孔的過程進(jìn)行了一系列詳細(xì)的研究與分析;Jo-han Kolst Snstab等通過一系列FDS 連接件的剝落剪切試驗(yàn)，研究連接件的強(qiáng)度以及失效形式，JEGOULD 等將FDS 工藝與其他鋁合金連接工藝進(jìn)行比較。目前，我國(guó)對(duì)FDS工藝研究比較少，因此對(duì)FDS工藝參數(shù)研究具有重要意義。本文提出通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)熱熔自攻絲工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究FDS的軸向下壓力、螺釘轉(zhuǎn)速、擰緊扭矩對(duì)接頭連接質(zhì)量影響規(guī)律，為熱熔自攻絲工藝參數(shù)優(yōu)化提出有益的參考，具有重要實(shí)踐與指導(dǎo)意義。

1.1FDS 用緊固螺釘介紹

試驗(yàn)使用阿諾德公司制造的螺釘，如圖1所示，它是由五部分組成:螺釘頭部、底面溝槽、緊固螺紋、攻絲螺紋和尖部。螺釘頭部采用的是一種特殊的法蘭頭，它與FDS機(jī)器中相應(yīng)的刀頭緊密地嚙合在一起。其下方有一圈溝槽，用來(lái)容納連接過程中由于板件變形向上流出的板材。螺釘?shù)闹黧w部分由緊固螺紋和攻絲螺紋構(gòu)成，確保上下層板件緊密連接在一起。螺釘?shù)募舛私?jīng)過特殊的熱處理，硬度大且耐高溫，能夠保證其在板件上形成孔洞。

1.2FDS 工藝過程簡(jiǎn)介

熱熔自攻絲是一個(gè)連續(xù)的自動(dòng)化工程，它可以連接多種不同的材料。在整個(gè)過程中它使用專用的螺釘作為工具和緊固件，來(lái)完成刺穿、擠壓、形成螺紋、產(chǎn)生扭矩的連續(xù)過程，來(lái)達(dá)到連接板件，產(chǎn)生夾緊力。

FDS整個(gè)工藝過程(見圖2) 由五步組成:

( 1)準(zhǔn)備:緊固螺釘與FDS機(jī)器嚙合;

( 2)形成孔洞:在機(jī)器的帶動(dòng)下，緊固螺釘在連接的上層板材表面高速旋轉(zhuǎn)，使連接區(qū)域上層板加熱塑化。緊固螺釘在壓力作用下進(jìn)入板件，同時(shí)在工件表面形成披鋒(凸臺(tái));

( 3)形成螺紋:在孔洞形成之后，緊固螺釘轉(zhuǎn)速降低。其螺紋成型區(qū)域在板件中形成母螺紋;

( 4)螺紋旋入:當(dāng)深度傳感器檢測(cè)到攻螺紋階段結(jié)束后，為了保證新形成的母螺紋不被損壞，緊固螺釘?shù)霓D(zhuǎn)速進(jìn)一步降低;

( 5)擰緊:擰緊螺釘，使其達(dá)到設(shè)定的扭矩。

1.3 FDS 連接質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)FDS連接板件質(zhì)量評(píng)估主要分為外觀檢測(cè)和剖面形狀檢測(cè)。由于外觀檢測(cè)存在著主觀性，為了定量的了解各連接參數(shù)對(duì)連接結(jié)果的影響，本文采用剖面形狀檢測(cè)方法來(lái)判斷連接質(zhì)量。

在進(jìn)行剖面檢測(cè)前，需要將連接件沿著螺釘中心剖開。通過顯微鏡檢測(cè)剖面的狀態(tài)以及螺紋形狀(見圖3)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下幾個(gè)方面:

( 1)測(cè)量螺釘頭部底座與上層板之間的間隙，記做d/mm。間隙不能過大，一般不超過0.3mm;

( 2)測(cè)量板與板之間的間隙，記做b/m;

( 3)觀察下層板的螺牙個(gè)數(shù)，并測(cè)量有效螺牙的高度記做a/mm。

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/span>

通過試驗(yàn)確定FDS工藝連接中軸向下壓力、螺釘轉(zhuǎn)速、擰緊扭矩這三個(gè)過程參數(shù)對(duì)連接結(jié)果的影響程度，為以后的生產(chǎn)中提供參考。

2.2試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備

( 1)試驗(yàn)用板件

用于汽車車身板的常見鋁合金有2000系、5000系以及6000系鋁合金。本次實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為6111與6082-T6的板材，其規(guī)格為40mm×40mm，板材厚度以及材料的力學(xué)性能如表1 所示。根據(jù)阿諾德公司給出的技術(shù)要求，將6111 板材放置在上層，6082-T6板材放置于下層。這樣能夠提高下層板件中有效螺紋長(zhǎng)度，提升連接強(qiáng)度。

( 2)試驗(yàn)用儀器

在試驗(yàn)中使用的是Deprag 公司提供的FDS 連接設(shè)備、阿諾德公司的5×24mm緊固螺釘、專業(yè)的金相切割設(shè)備以及顯微鏡，如圖4 所示。

2.3正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

( 1)確定影響試驗(yàn)結(jié)果的因子及水平影響FDS 連接強(qiáng)度的三個(gè)因素分別為:螺釘轉(zhuǎn)速( A)、軸向下壓力(B) 、擰緊扭矩(C) 。假設(shè)三個(gè)因素之間互不影響，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定各因素采用的水平如表2 所示。

( 2)制定合適的正交表格

試驗(yàn)中各因素有三個(gè)水平，故選用L 9 ( 3 3 ) 的正交實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出表3 所示的試驗(yàn)方案。

根據(jù)表3 中提供的數(shù)據(jù)，在不同的螺釘轉(zhuǎn)速、軸向下壓力以及擰緊扭矩下進(jìn)行試驗(yàn)，得到如圖5 所示的剖面圖。

3.1觀察分析各工藝參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響分析圖5，可以得到以下結(jié)論:

( 1)擰緊扭矩對(duì)螺釘頭部間隙有顯著的影響。1號(hào)、6號(hào)、8號(hào)試驗(yàn)中螺釘頭部間隙普遍偏大，這顯然是因?yàn)閿Q緊扭矩過小;在2號(hào)、4號(hào)、9號(hào)試驗(yàn)中，擰緊扭矩增加，螺釘頭部間隙顯著減小。試驗(yàn)2中由于螺釘轉(zhuǎn)速偏低，雖然扭矩增加，螺釘頭部仍然有較大的間隙。

( 2)軸向下壓力是影響板件間隙的重要因素。對(duì)比1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)與2號(hào)、5號(hào)、8號(hào)兩組實(shí)驗(yàn)，可以看出，隨著軸向下壓力增加，板件間隙變小。在軸向下壓力相同時(shí)(1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)試驗(yàn))，擰緊扭矩及螺釘轉(zhuǎn)速的增加能夠降低板件間隙。

( 3)對(duì)剖面圖分析可知，1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)、8號(hào)試驗(yàn)中螺釘頭部間隙偏大(大于0.3mm)，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)試驗(yàn)中板件間隙偏大，均不滿足生產(chǎn)要求。故在實(shí)際生產(chǎn)中，擰緊扭矩和軸向下壓力不能設(shè)置過小。

3.2極差法分析工藝參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

為進(jìn)一步研究工藝參數(shù)對(duì)連接結(jié)果的影響，按照?qǐng)D3給出的方法在光學(xué)顯微鏡下對(duì)接頭的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)如表4所示。

分別用A、B、C表示螺釘轉(zhuǎn)速、軸向下壓力和擰緊扭矩，b、a、d表示板間間隙、螺牙深度、螺釘頭部間隙。根據(jù)表4中測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算I、II、III測(cè)量參數(shù)結(jié)果的差異，反映各排因素(工藝參數(shù))取不同水平時(shí)對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響。表5中Ｒ代表極差。

分析表5 中數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論:

( 1)各工藝參數(shù)對(duì)接頭的測(cè)量結(jié)果影響。由表5知，對(duì)于板件間隙b，軸向下壓力影響最大，螺釘轉(zhuǎn)速次之，擰緊扭矩影響最小，即B＞A＞C;對(duì)于螺牙深度a，軸向下壓力影響最大，擰緊扭矩次之，螺釘轉(zhuǎn)速影響最小，即B＞C＞A;對(duì)于螺釘頭部間隙，擰緊扭矩影響最大，螺釘轉(zhuǎn)速次之，軸向下壓力影響最小，即C＞A＞B。

( 2)相對(duì)于螺釘頭部間隙、板件間隙，三種工藝參數(shù)對(duì)螺牙高度影響較小。在試驗(yàn)中可以優(yōu)先考慮三種工藝參數(shù)對(duì)螺釘頭部、板件間隙的影響;

( 3)確定較好的工藝參數(shù)組合。板件間隙b越小，連接效果越好，根據(jù)表5計(jì)算，A₂ B ₃ C ₃ 為最佳組合;螺牙深度越大，連接效果越好，故A ₂ B ₂ C ₃為最佳組合;螺釘頭部間隙越小，越滿足連接效果，故A ₂ B ₃ C ₃為最佳組合。綜合以上數(shù)據(jù)，選取A ₂ B ₃ C ₃達(dá)到最佳效果。

為了驗(yàn)證該加工方法的可靠性，在相同條件，擬采用等間距直線逼近法、等步長(zhǎng)直線逼近法、圓弧逼近輪廓法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)際加工檢測(cè)，上述3種逼近方法加工結(jié)果對(duì)比如表1 所示。

從表1中可以看出，圓弧逼近的精度和表面質(zhì)量遠(yuǎn)高于直線逼近的精度和表面質(zhì)量。

將設(shè)計(jì)出的兩個(gè)程序在FANUC 0i-TC 機(jī)床上運(yùn)行后，軌跡顯示見圖3，加工出的實(shí)物見圖4，經(jīng)檢驗(yàn)零件尺寸精度、形位精度符合設(shè)計(jì)要求。

基于圓弧插補(bǔ)原理，編制宏程序，在FANUC0i-TC數(shù)控機(jī)床上，進(jìn)行加工驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用等間距直線逼近法對(duì)零件內(nèi)拋物面進(jìn)行粗加工，圓弧逼近法對(duì)零件內(nèi)拋物面進(jìn)行精加工，使零件尺寸精度提高了兩個(gè)公差等級(jí)，表面粗糙度達(dá)到0.4μm，有效的保證了高精度零件的加工質(zhì)量，這對(duì)同類復(fù)雜形面零件的加工具有較高的參考價(jià)值。