摘要:以铝合金板件6111 及6082 －T6 为研究对象，采用正交实验的方法，通过对连接接头的剖面进行观察和极差法分析，研究轴向下压力(down holder力)、螺钉转速和拧紧扭矩三组过程参数对热熔自攻丝工艺连接接头参数的影响权重，并给出了1.2mm 6111+3mm 6082-T6搭接的最优过程参数组合。实际应用表明，分析得出的参数权重能够指导选择合适的热熔自攻丝过程参数，减少试验次数，提高生产效率。 关键词:热熔自攻丝;轴向下压力;转速; 拧紧扭矩 汽车产量以及保养量的增加带来了安全、污染、能耗等问题，为提高能源利用率，达到节能减排的效果，提出了汽车轻量化设计理念。美国铝业公司数据显示，汽车中典型铝质零件的一次减重效果可达30% ～40%，二次减重可进一步提高到50% 。采用铝制车身可以减少汽车增长带来的环境与能源压力，达到汽车轻量化的设计要求。 在铝车身连接工艺中，热熔自攻丝、铝点焊、自冲铆被广泛使用。但由于铝合金化学活性强、极易形成氧化膜、线膨胀系数大、导热强，给焊接带来困难;自冲铆工艺需要根据不同材料性质、板件厚度来选择不同的钉/铆搭接方式，增加人工及试验成本。热熔自攻丝(Flow Drill Screwdriving 简称FDS)是一种新型的连接工艺。它综合了摩擦钻孔以及螺纹成型技术，在工作过程中紧固螺钉既作为钻孔工具，又作为紧固件，避免以上工艺的连接限制。在连接过程中螺钉只需与板件单面接触，大大提高了空间利用率，保证设计的灵活性。 在国外，一些公司对FDS 工艺已经进行深入的研究。SkovronJ 等详细地介绍了FDS 工艺流程，并着重研究拧紧力与钻孔速度对FDS 影响;Miller 等对摩擦钻孔的过程进行了一系列详细的研究与分析;Jo-han Kolst Snstab等通过一系列FDS 连接件的剥落剪切试验，研究连接件的强度以及失效形式，JEGOULD 等将FDS 工艺与其他铝合金连接工艺进行比较。目前，我国对FDS工艺研究比较少，因此对FDS工艺参数研究具有重要意义。本文提出通过正交试验设计方法对热熔自攻丝工艺进行优化，研究FDS的轴向下压力、螺钉转速、拧紧扭矩对接头连接质量影响规律，为热熔自攻丝工艺参数优化提出有益的参考，具有重要实践与指导意义。 1.1FDS 用紧固螺钉介绍 试验使用阿诺德公司制造的螺钉，如图1所示，它是由五部分组成:螺钉头部、底面沟槽、紧固螺纹、攻丝螺纹和尖部。螺钉头部采用的是一种特殊的法兰头，它与FDS机器中相应的刀头紧密地啮合在一起。其下方有一圈沟槽，用来容纳连接过程中由于板件变形向上流出的板材。螺钉的主体部分由紧固螺纹和攻丝螺纹构成，确保上下层板件紧密连接在一起。螺钉的尖端经过特殊的热处理，硬度大且耐高温，能够保证其在板件上形成孔洞。
1.2FDS 工艺过程简介
热熔自攻丝是一个连续的自动化工程，它可以连接多种不同的材料。在整个过程中它使用专用的螺钉作为工具和紧固件，来完成刺穿、挤压、形成螺纹、产生扭矩的连续过程，来达到连接板件，产生夹紧力。
FDS整个工艺过程(见图2) 由五步组成:
( 1)准备:紧固螺钉与FDS机器啮合;
( 2)形成孔洞:在机器的带动下，紧固螺钉在连接的上层板材表面高速旋转，使连接区域上层板加热塑化。紧固螺钉在压力作用下进入板件，同时在工件表面形成披锋(凸台);
( 3)形成螺纹:在孔洞形成之后，紧固螺钉转速降低。其螺纹成型区域在板件中形成母螺纹;
( 4)螺纹旋入:当深度传感器检测到攻螺纹阶段结束后，为了保证新形成的母螺纹不被损坏，紧固螺钉的转速进一步降低;
( 5)拧紧:拧紧螺钉，使其达到设定的扭矩。
1.3 FDS 连接质量的评价标准
在实际生产中，对FDS连接板件质量评估主要分为外观检测和剖面形状检测。由于外观检测存在着主观性，为了定量的了解各连接参数对连接结果的影响，本文采用剖面形状检测方法来判断连接质量。
在进行剖面检测前，需要将连接件沿着螺钉中心剖开。通过显微镜检测剖面的状态以及螺纹形状(见图3)，检测标准主要分为以下几个方面:
( 1)测量螺钉头部底座与上层板之间的间隙，记做d/mm。间隙不能过大，一般不超过0.3mm;
( 2)测量板与板之间的间隙，记做b/m;
( 3)观察下层板的螺牙个数，并测量有效螺牙的高度记做a/mm。
2.1试验目的
通过试验确定FDS工艺连接中轴向下压力、螺钉转速、拧紧扭矩这三个过程参数对连接结果的影响程度，为以后的生产中提供参考。
2.2试验仪器准备
( 1)试验用板件
用于汽车车身板的常见铝合金有2000系、5000系以及6000系铝合金。本次实验采用型号为6111与6082-T6的板材，其规格为40mm×40mm，板材厚度以及材料的力学性能如表1 所示。根据阿诺德公司给出的技术要求，将6111 板材放置在上层，6082-T6板材放置于下层。这样能够提高下层板件中有效螺纹长度，提升连接强度。
( 2)试验用仪器
在试验中使用的是Deprag 公司提供的FDS 连接设备、阿诺德公司的5×24mm紧固螺钉、专业的金相切割设备以及显微镜，如图4 所示。
2.3正交实验设计
( 1)确定影响试验结果的因子及水平影响FDS 连接强度的三个因素分别为:螺钉转速( A)、轴向下压力(B) 、拧紧扭矩(C) 。假设三个因素之间互不影响，根据实际经验，确定各因素采用的水平如表2 所示。
( 2)制定合适的正交表格
试验中各因素有三个水平，故选用L 9 ( 3 3 ) 的正交实验，设计出表3 所示的试验方案。
根据表3 中提供的数据，在不同的螺钉转速、轴向下压力以及拧紧扭矩下进行试验，得到如图5 所示的剖面图。
3.1观察分析各工艺参数对测试结果影响分析图5，可以得到以下结论:
( 1)拧紧扭矩对螺钉头部间隙有显著的影响。1号、6号、8号试验中螺钉头部间隙普遍偏大，这显然是因为拧紧扭矩过小;在2号、4号、9号试验中，拧紧扭矩增加，螺钉头部间隙显著减小。试验2中由于螺钉转速偏低，虽然扭矩增加，螺钉头部仍然有较大的间隙。
( 2)轴向下压力是影响板件间隙的重要因素。对比1号、4号、7号与2号、5号、8号两组实验，可以看出，随着轴向下压力增加，板件间隙变小。在轴向下压力相同时(1号、4号、7号试验)，拧紧扭矩及螺钉转速的增加能够降低板件间隙。
( 3)对剖面图分析可知，1号、2号、6号、8号试验中螺钉头部间隙偏大(大于0.3mm)，1号、2号、4号、7号试验中板件间隙偏大，均不满足生产要求。故在实际生产中，拧紧扭矩和轴向下压力不能设置过小。
3.2极差法分析工艺参数对测试结果影响
为进一步研究工艺参数对连接结果的影响，按照图3给出的方法在光学显微镜下对接头的几个参数进行测量，得到的测量数据如表4所示。
分别用A、B、C表示螺钉转速、轴向下压力和拧紧扭矩，b、a、d表示板间间隙、螺牙深度、螺钉头部间隙。根据表4中测量的数据，计算I、II、III测量参数结果的差异，反映各排因素(工艺参数)取不同水平时对测量的结果影响。表5中Ｒ代表极差。
分析表5 中数据，可以得到以下结论:
( 1)各工艺参数对接头的测量结果影响。由表5知，对于板件间隙b，轴向下压力影响最大，螺钉转速次之，拧紧扭矩影响最小，即B＞A＞C;对于螺牙深度a，轴向下压力影响最大，拧紧扭矩次之，螺钉转速影响最小，即B＞C＞A;对于螺钉头部间隙，拧紧扭矩影响最大，螺钉转速次之，轴向下压力影响最小，即C＞A＞B。
( 2)相对于螺钉头部间隙、板件间隙，三种工艺参数对螺牙高度影响较小。在试验中可以优先考虑三种工艺参数对螺钉头部、板件间隙的影响;
( 3)确定较好的工艺参数组合。板件间隙b越小，连接效果越好，根据表5计算，A2 B 3 C 3 为最佳组合;螺牙深度越大，连接效果越好，故A 2 B 2 C 3为最佳组合;螺钉头部间隙越小，越满足连接效果，故A 2 B 3 C 3为最佳组合。综合以上数据，选取A 2 B 3 C 3达到最佳效果。
为了验证该加工方法的可靠性，在相同条件，拟采用等间距直线逼近法、等步长直线逼近法、圆弧逼近轮廓法进行试验验证。通过实际加工检测，上述3种逼近方法加工结果对比如表1 所示。
从表1中可以看出，圆弧逼近的精度和表面质量远高于直线逼近的精度和表面质量。
将设计出的两个程序在FANUC 0i-TC 机床上运行后，轨迹显示见图3，加工出的实物见图4，经检验零件尺寸精度、形位精度符合设计要求。
基于圆弧插补原理，编制宏程序，在FANUC0i-TC数控机床上，进行加工验证。结果表明，采用等间距直线逼近法对零件内抛物面进行粗加工，圆弧逼近法对零件内抛物面进行精加工，使零件尺寸精度提高了两个公差等级，表面粗糙度达到0.4μm，有效的保证了高精度零件的加工质量，这对同类复杂形面零件的加工具有较高的参考价值。
来源：期刊-组合机床与自动化加工技术
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