【连接技术】FDS流钻螺钉

汽车轻量化技术2019-02-21 12:12:05

 随着铝合金材料在车身中的广泛应用,铝合金型材以及铸件所占的比例不断增加。对于板件与型材等管状封闭结构的连接,SPR、点焊等双边连接工艺已无法满足。目前广泛采用的单边连接方法是FDS流钻螺钉,那么什么是FDS呢,它使用的螺钉又是怎样的呢,我们一起来学习下吧!

实物展示

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 FDS正面

图1  FDS正面

图2  FDS试板正面

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 FDS反面

图3  FDS反面

图4  FDS试板反面

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 FDS断面

图5  FDS断面

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 FDS操作现场

图6  FDS操作设备

图7  FDS操作现场图


工艺简介

FDS流钻螺钉拧紧工艺是一种通过设备中心拧紧轴将电机的高速旋转传导至待连接板料摩擦生热产生塑性形变后,自攻丝并螺接的冷成型工艺。此工艺为单面连接技术,英文简称FDS(Flow drill screw),也有称FlowForm screw。有些公司也将此工艺称为热融自攻丝,FDS在德语里简写为FLS,主要强调的是Flow即流、Drill钻的意思。

FDS发明于1990年,1996年首次应用于莲花轿车车身框架的连接。由于当时采用的主要是手持夹具进行装夹,整个装配过程的时间和精度不好控制,使得该工艺使用受到限制。20世纪90年代末,巍博(Weber)为EJOT公司开发了RSF20S螺钉驱动系统,此系统的问世实现了FDS工艺的自动化生产,并可以增大连接的板材总厚度,于2000年首次应用在奥迪A4后轮罩的连接上。

FDS工艺通过螺钉的高速旋转软化待连接板材,并在巨大的轴向压力作用下挤压并旋入待连接板材,最终在板材与螺钉之间形成螺纹连接,而中心孔处的母材则被挤出并在下层板的底部形成一个环状的套管。FDS连接工艺过程包括六个阶段:旋转(加热)→穿透→通孔→攻螺纹→拧螺纹→紧固。

图8  FDS工艺过程

1. 加热:流钻螺钉低速低压与板件表面接触。

2. 穿透:板件在流钻螺钉的高转速高压力作用下产生塑性变形。

(Weber称为“流Flow”前期)

3. 通孔:流钻螺钉在板件上钻出柱型通孔。

Weber称为“流Flow”中期)

4. 攻螺纹:板件被流钻螺钉钻破,转速及压力降低,使流钻螺钉可以在孔内自攻螺纹。

Weber称为“流Flow”后期)

5. 拧螺纹:正常螺钉拧紧过程。

6. 紧固:板件冷却并与流钻螺钉紧密贴合,形成一个气密性和水密性极高的连接。

FDS连接过程示意如下视频所示:



螺钉介绍

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 型号

目前车身用较多的FDS钉子M5 x 20 或 22这两种,且钉子头部花型为EP12(梅花头)。

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 重量说明

此M5的钉子单个重量约为4~5g,而SPR钉子的重量约为0.3~0.8g。注意,钉子的重量会因为不同的材质、头型等因素而有差异。(FDS螺钉的直径最大处约有13~15mm,长度至少也有20mm以上,且不像SPR钉子的半空心,内部为实心构造。)

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 规格硬度

以下是EJOT某螺钉的一个介绍:

图9  FDS螺钉

FDS螺钉通过特殊的感应加热高频淬火工艺制造,螺钉的表面硬度将达到HV450-HV600。

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 钉头特点

FDS螺钉与其他螺纹紧固件,特别是各类自攻丝螺钉的区别主要在以下三点:

  • 特点厚实的帽沿

    主要为了满足三个技术要求,①承受较大的压力和扭矩;②定位时便于更好地夹持,避免滑动;③阻挡和包容拧紧过程中融化的,特别是在未融穿工件底层时向上流动的铝液或钢液;

图10  FDS螺钉头

  • 钉帽与钉杆连接处的凹槽

    在无预冲孔的情况下,如果此处无特殊的凹槽,对帽钉沿流出的铝液将无处藏身,必然会挤压流出帽沿,造成FDS螺钉与工件间的间隙过大,同时影响美观。

  • 特别的材质

    加入特殊的材质可以增加FDS螺钉的硬度,螺钉在转速逐渐增大的过程中工件表面将产生高温(约200~300℃,有文献称达到600~900℃,具体还要测试),直到工件材质软化屈服。这就要求FDS螺钉的热传导性能必须要低、熔点必须要足够高,同时,螺钉的硬度一定要足够高才能保证整个过程中不会产生任何变形。


优缺点

FDS是单面自攻螺纹连接,有如下优点:

  • 单面操作:螺钉高速旋转可以软化金属,因此可在较小变形的情况下实现单边连接,使得连接更加方便;

  • 可连接的种类多:螺钉在连接过程中不需要变形,因此可以用来连接包括超高强钢、铝合金、复合材料在内的任何材料及异种材料;

  • 螺钉可拆卸:回收方便,可以使用公制螺丝返修。

  • 可以有预开孔或者没有预开孔;

  • 扭转适宜:因为连接过程中的旋转摩擦生热使得攻丝旋转扭矩低,大的螺纹接触面而产生大的旋紧扭矩,同时有很高的松开扭矩。

  • 气密性水密性好;

  • 工作环境清洁:FDS工艺过程无碎屑产生,同时不会产生如ImpAcT高速射钉的高噪声。

图11  某车型门槛内FDS螺钉

当然,FDS也具有它的局限性:

  • 车身夹具需要较高的刚性支撑;

  • Cycle Time时间较长,约为2~6秒(通过设备的升级,目前可以做到1.5~3.5秒,取决于材料及厚度)

  • FDS螺钉成本较高;

  • 设备系统成本远高于电阻点焊,越80W人民币/system(FDSGUN + AUTO Feeder + Controller)(设备与钉子的成本受使用量级的影响很大)

  • 工艺完成后螺钉正反面均有较大凸起保留;

  • 螺钉选用、工艺参数跟螺接材料、螺接姿态等相关因素都需要考虑。


质量检验

FDS流钻螺钉主要靠以下几方面来保证质量:

  • 在线依靠自动监控系统100%反馈质量;

  • 外观检查;

  • 扭矩检查;

  • 破坏性检验:金相切面检测,力学强度测试,如剪切、剥离、拉伸等。与焊点和SPR等连接的破坏性力学强度试验类似。



总结   

由于FDS在国内,尤其是自主品牌车企使用甚少等原因,目前流钻螺钉的采购主要还是以国外进口为主,这类钉子使用特殊配方的硬质合金材料制成,对板件硬度高的应用案例所采用的热融自攻丝钉钉头和钉体还要涂覆专用的涂层,某些特殊案例中,切削膏的涂抹是必须的。

FDS流钻螺钉技术在国外已广泛应用近20年(奥迪Q5、Q7、R8、A8、TT、A4、A6,保时捷卡宴,奔驰E级、C级,大众,福特F150以及通用CT6等车型),且相关设备已更新换代多次。同时,考虑到FDS的效率问题和ImpAcT的噪声问题,综合此两种工艺的新型连接技术FlowPush也已准备推向市场。国内的钢铝混合车身的路还很长,在学习国外先进技术的同时,我们也应多加投入,综合各方力量,推进我大车身技术的进步,我们共勉!

 

关于FDS的设计布置通用准则、板材料厚匹配、使用车型及其数量及部位、设备及工艺参数、供应商等内容将在近期的公众号推送中介绍。

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