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觀點 | 實現(xiàn)快捷出行是推動公共交通高質(zhì)量發(fā)展不可或缺的重要因素之一

發(fā)布時間:2021-04-13 15:22:24

摘要:輕量化設(shè)計中異種材料復(fù)雜連接構(gòu)件的需求日益增多,對傳統(tǒng)的連接技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。塑性連接技術(shù)是一種通過材料自身塑性變形實現(xiàn)材料間連接的成形技術(shù),由于其具有生產(chǎn)高效、環(huán)境友好、連接穩(wěn)固等特點,成為近年來國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點之一。綜述了近年來板材–板材、板材–管材和管材–管材塑性連接新方法,分析了不同塑性連接方法的原理、特點及潛在應(yīng)用,并對板材、管材塑性連接技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了探討和展望。

關(guān)鍵詞:塑性連接;板材–板材連接;板材–管材連接;管材–管材連接;輕量化

隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴峻,制造業(yè)在生產(chǎn)中更加注重“綠色、節(jié)能、環(huán)保”,輕量化設(shè)計已成為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮的因素之一。在航空、航天、汽車等先進制造領(lǐng)域,以高強鋼、鋁合金、鎂合金及復(fù)合材料等為代表的輕質(zhì)、高強度、難變形材料的應(yīng)用日益增加。為了能夠最大限度發(fā)揮材料的各自優(yōu)點,異種材料構(gòu)件在汽車、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用日益增多,在輕量化設(shè)計中有很大比重。然而,異種材料間化學(xué)成分、組織等的不同,對傳統(tǒng)的連接工藝帶來了挑戰(zhàn)。如對于焊接性能較差或厚度差別較大的鋁、銅等材料,焊接存在困難,且易發(fā)生應(yīng)力集中。螺栓連接通用性強,但在承受交變載荷或振動工作環(huán)境中需考慮防脫落的問題,且螺栓及螺釘頭部進一步增加了連接件的重量。傳統(tǒng)鉚接工藝需要預(yù)制孔,降低了原材料強度。采用膠接方法,其連接強度受溫度影響,耐老化性能差。因此,發(fā)展面向輕質(zhì)、高強度、難變形、異種材料間的新塑性成形方法具有廣闊的發(fā)展空間。


工程中連接結(jié)構(gòu)的比例極大,同種材料、異種材料間的連接應(yīng)用廣泛,其中以金屬連接件的應(yīng)用最多。塑性連接技術(shù)是指依靠材料自身的塑性變形流動,實現(xiàn)材料間連接的新型工藝。綜合來說,塑性連接大體可以分為兩類:(1)靠界面壓力實現(xiàn)連接,如利用材料熱脹冷縮進行裝配連接,使用冷棒料作為凸模,沖裁加熱后的板料,實現(xiàn)二者的連接[1],或者利用液壓力實現(xiàn)管材之間的連接[2];(2)機械連接,通過形成機械鎖扣及類似的形式實現(xiàn)連接,如卷邊、自沖鉚接、平板鉚接等。近年來,隨著連接結(jié)構(gòu)的多樣化、連接功能的復(fù)合化,出現(xiàn)了許多新的連接方法。與常規(guī)鉚釘或其他需要輔助材料的連接方法相比,塑性連接方法通過材料自身變形實現(xiàn)連接,可以有效減重。因此,本文主要對近年來發(fā)展的板材、管材間的無輔材塑性連接技術(shù)進行介紹。
本文首先對近年來提出的板材–板材、板材–管材和管材–管材間塑性連接新方法進行綜述,并分析了各種工藝方法的優(yōu)缺點及潛在應(yīng)用前景,在此基礎(chǔ)上,對板材、管材塑性連接技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。
板材–板材塑性連接新方法
鉚接是常見的板材間機械連接工藝之一,無鉚連接和平底鉚接是近年來發(fā)展起來的無輔材塑性連接新工藝。然而,無鉚連接在連接點處一側(cè)形成凸起,另一側(cè)形成凹坑,影響其美觀程度。Chen 等[3]提出了一種用整形鉚釘對鉚接接頭進行整形的新方法,以降低凸出高度,提高連接強度。在整形過程中,將整形鉚釘嵌入到鉚接處,然后用平模在一次行程中壓縮突出部分。通過有限元模擬和試驗研究,優(yōu)化了整形鉚釘?shù)膸缀螀?shù),并驗證了該方法的有效性。由于該方法加入了整形鉚釘,增加了連接件的重量。為了克服這個缺點,進一步提出一種適用于汽車鋁合金板材的平壓整形無鉚連接技術(shù),其原理如圖1所示,通過分瓣式模具和平滑模具獲得平壓整形無鉚連接點,研究表明,平壓整形無鉚連接技術(shù)在降低凸起高度的過程中可增加頸厚值,從而有效提高連接點的強度和能量吸收能力,整形力為30kN時,平壓整形無鉚連接點的強度比未整形無鉚連接點的強度增加了16.3%[4–5]。此外,斷裂是平壓整形無鉚連接點的主要失效模式。平底無鉚塑性連接工藝是通過專用的平底無鉚塑性連接模具,利用板材的塑性變形能力,在外力的作用下迫使被連接的板材在連接點處產(chǎn)生材料流動,使板材之間形成一個相互鑲嵌的倒置Ω 形狀的機械鎖,從而實現(xiàn)不同板材之間的連接,且與板材接觸的平底模具的平面是光滑平整的。韓曉蘭等[6]針對平底無鉚塑性連接鉚接頭的抗拉強度檢測成本高、周期較長的問題,建立了平底無鉚塑性連接抗拉強度預(yù)測模型,并通過試驗驗證了抗拉強度預(yù)測模型的準確性。Gerstmann 等[7]通過數(shù)值模擬研究了平底鉚接–粘合混合工藝成形過程,結(jié)果表明粘合固化后進一步提高了連接強度,并結(jié)合試驗對如何減小粘結(jié)劑死區(qū)尺寸進行了粘結(jié)層厚度、壓邊力等參數(shù)優(yōu)化。
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圖1 平壓整形原理與連接點剖面對比
Fig.1 Flat-reshaping technology and cross section comparison of joining points
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圖2 波浪式帶狀鉚釘制造及應(yīng)用
Fig.2 Method of making wavy ribbon rivet and its application
為了達到較高的表面質(zhì)量和較好的連接強度,Kato 等[8]提出了一種端部預(yù)制錐度的管狀鉚釘,放置于板材間并壓縮板材,管狀鉚釘刺穿板材從而實現(xiàn)二者的連接。由于受到擠壓作用,管狀鉚釘?shù)慕孛孀兂稍卵佬危軌虺惺茌^高強度的抗剪及抗拉強度,另外板材表面無凸起,表面質(zhì)量佳。另外,還提出了一種波浪式帶狀鉚釘制作方法及連接方法(圖2),該鉚釘適用于寬度較大板材間的搭接接頭。采用管狀鉚釘或波浪式帶狀鉚釘?shù)募羟袕姸冗_到粘結(jié)連接強度的12~14倍。Alves 等[9]進一步研究了不同鉚釘高度、角度對鉚接后互鎖值、鉚釘高度及剪切、拉脫強度的影響規(guī)律。但是,管狀鉚釘在連接過程中也會出現(xiàn)鉚釘位置發(fā)生轉(zhuǎn)動的情況,為了解決這個問題,Huang等[10–11]在管狀鉚釘?shù)膬?nèi)側(cè)或外側(cè)添加了較薄的法蘭,研究了分別具有內(nèi)、外法蘭的管狀鉚釘連接過程,可有效改善鉚釘鉚接時的轉(zhuǎn)動問題。
碳纖維增強復(fù)合材料由于具有較高的比強度、比剛度,輕量化效果明顯,因此也受到越來越多的關(guān)注。金屬–復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)由于能夠大幅度減輕產(chǎn)品重量、節(jié)省燃料,在運輸業(yè)、民用基礎(chǔ)設(shè)施和建筑業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,實現(xiàn)碳纖維增強復(fù)合材料與鋁合金等輕量化金屬材料間的連接具有重要的應(yīng)用價值。然而,兩種材料間性能的巨大差異,對金屬–復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)的連接提出了挑戰(zhàn)。Lambiase 等[12]探討了AA6082–T6/碳纖維增強聚合物(CFRP)薄板的鉚接工藝的可行性,結(jié)果表明,采用帶滑動功能的分瓣模來鉚接鋁和碳纖維復(fù)合材料薄板是可行的,接頭在破壞試驗中均以脫出的形式失效,因此,頸厚值是鉚接過程中需要重點關(guān)注的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,提出了兩步鉚接法實現(xiàn)碳纖維增強復(fù)合材料與鋁合金之間的有效連接,其成形原理如圖3所示,第1步通過分瓣滑動凹模實現(xiàn)二者的無鉚連接;第2步更換整形模具,通過在凸模下方放置不同高度的圓環(huán),實現(xiàn)不同的整形深度Rd(0.5~2.0mm),整形模具對鉚接點施力并壓縮其高度,研究了整形模具形狀和整形力對鉚接點剪切強度和吸能性的影響規(guī)律,采用優(yōu)化的整形模具獲得的鉚接強度較未整形條件下提高了32%[13]。
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圖3 金屬 – 碳纖維復(fù)合板“兩步法”鉚接原理
Fig.3 Schematic of two-steps clinching of aluminum and carbon fiber reinforced polymer sheets

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圖4 孔鉚連接工藝原理及連接件截面
Fig.4 Schematic of hole-clinching process and cross-section of hole-clinched joint
唐華清等[14]提出了一種金屬與復(fù)合材料間的膠–多金屬細針的新型連接方法,并對傳統(tǒng)膠接接頭和膠–多細針接頭進行對比試驗研究,發(fā)現(xiàn)新型膠–多細針接頭在極限破壞載荷、破壞應(yīng)變和能量吸收量等方面均有提高,細針與連接件的橋聯(lián)作用力起到抑制膠層開裂的作用,從而提高承載能力和可靠性。Lee 等[15–16]針對高強度、低塑性材料機械連接方面存在的問題,提出了一種“孔鉚連接”新工藝,其連接原理及獲得的連接件截面如圖4所示,首先將韌性材料放置帶有預(yù)制孔的脆性材料上方,凸模下壓,韌性材料底部壓薄,并填充凹模型腔,實現(xiàn)鋁合金等材料與先進高強鋼、熱壓鋼、碳纖維增強復(fù)合材料等高強度/低塑性材料間的有效連接,通過有限元分析和試驗進一步驗證了該方法的可行性,獲得了達到要求的接頭質(zhì)量。
此外,一些學(xué)者也開始借助一些特殊能場來實現(xiàn)板材連接。Babalo等[17]提出一種電液鉚接新方法,將電液成形應(yīng)用于薄板鉚接中。儲存在脈沖發(fā)生器中的電能在浸沒于液體中的電極之間突然放電,并在液體中引發(fā)沖擊波,沖擊波使板材變形并形成接頭。采用該方法獲得了0.5mm厚度的AA3105/Ck67 薄板的孔鉚連接件,確定了工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量的影響,單搭剪切和剝離試驗結(jié)果表明,該連接工藝的應(yīng)用提高了接頭的強度,其連接效率約為其他孔鉚連接方法的兩倍。激光沖擊鉚接成形新技術(shù)(Laser shock clinching,LSC)是一種利用脈沖激光誘發(fā)的高壓沖擊波,對板材進行無鉚釘鉚接的新方法,在電子、微制造等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。Wang 等[18–19]采用該工藝實現(xiàn)了預(yù)制孔不銹鋼板與單層和雙層銅箔之間的連接,圖5為該工藝原理及獲得的不銹鋼板–雙層銅箔的鉚接件,研究表明在合適的激光能量和成形高度下才能獲得良好的連接件,接頭的抗剪強度遠遠大于剝離強度。Wang 等[20–21]利用激光沖擊對1060 鋁箔、銅箔和304 不銹鋼箔進行了微鉚接,通過特定的模具實現(xiàn)對底層箔材的剪切并形成鎖扣結(jié)構(gòu),并研究了激光能量對頸厚值和最小壁厚的影響規(guī)律。
Wang 等[22]在無鉚連接中引入一種含碳纖維增強塑料預(yù)浸料和鋁粉的夾層結(jié)構(gòu),應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料板與鋁合金板的連接。研究表明預(yù)浸料能有效地填補板材變形產(chǎn)生的空隙,機械聯(lián)鎖與樹脂粘接相結(jié)合,提高了接頭的可靠性。初明明[23]和趙得鎖[24]等研究了泡沫金屬對壓印-粘接復(fù)合接頭力學(xué)性能的影響,將泡沫銅、泡沫鎳和泡沫鐵鎳作為復(fù)合接頭三明治結(jié)構(gòu)的夾層,分析不同泡沫金屬夾層對Al5052–Al5052 壓印接頭成形質(zhì)量(峰值載荷、失效位移和能量吸收能力)的影響。針對金屬板材連接成形時在厚度方向上承載能力較差且易產(chǎn)生脫落等問題,李峰等[25]提出一種對板材端部預(yù)加工出一定形狀的凸齒、孔洞或凹槽,將處理后兩板材的連接端部進行匹配搭接,沖頭對連接部位加載使其發(fā)生塑性變形,實現(xiàn)板材間的連接。針對不等厚度的不銹鋼板與鋁板進行了板材搭接工藝研究,預(yù)先設(shè)計好端部形狀,交叉連接后通過模具進行壓縮連接。利用有限元模擬軟件DEFORMTM–3D 模擬了連接過程,試驗與仿真結(jié)果較為吻合 [26]。Pragana 等[27]提出了一種通過局部切口、彎曲和板料壓縮獲得搭接接頭的新方法(圖6),對該接頭工藝參數(shù)進行了試驗與模擬研究,獲得的搭接接頭表面無凸起,但連接過程較為復(fù)雜。
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圖5 激光沖擊鉚接工藝原理及連接件
Fig.5 Schematic diagram of making interlock by laser shock forming and obtained clinched joint
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圖6 新型板材搭接接頭連接工藝
Fig.6 A new joining by forming process to produce lap joints
“榫卯結(jié)構(gòu)”是古代建筑中木構(gòu)件的一種常用連接方式,近年來,“榫卯結(jié)構(gòu)”也被逐漸應(yīng)用于金屬板材間的連接中。Silva 等[28]提出了一種將切縫剪切與板料體積壓縮相結(jié)合的成形連接工藝,用于制造作為能量吸收器的薄壁防撞箱,比較了新型防撞箱與傳統(tǒng)點焊防撞箱的整體耐撞性能,結(jié)果表明,這種焊接工藝可以很好地替代電阻點焊。Bragan?a 等[29]提出了一種室溫下垂直板材間的“榫卯”連接方法,基本原理為在平板上預(yù)制矩形孔(卯),在垂直板端部預(yù)制突出的榫頭,將榫頭穿過矩形孔后采用模具對其端部壓縮,從而實現(xiàn)二者間的連接。但該方法在連接部位仍存在突出部分,在對連接件外觀要求嚴格的表面仍難以滿足要求。針對該問題,Silva 等[30]提出了一種兩步法獲得垂直板材間連接接頭的方法,其原理和獲得的連接件如圖7所示,首先通過在厚度方向部分壓縮其中一塊板來獲得階梯型的榫槽,然后通過在垂直于榫槽厚度的方向上鐓粗榫頭,以完全填充榫槽,采用該方法可獲得表面平整的接頭。對于平行板材間的連接,榫頭無法像垂直板材間通過去除材料的方式制造,Silva 等[31]提出一種電弧熔絲增材制造與塑性成形相結(jié)合的方法來獲得板材間的搭接接頭,上部板材預(yù)制榫槽,下方板材通過電弧熔絲增材制造的方法制造榫頭,然后壓縮榫頭實現(xiàn)平行板材間的連接。該方法可以獲得任意形狀和厚度的榫頭,拓寬了工藝適應(yīng)性。Baptista等[32]提出了一種金屬–聚合物三明治復(fù)合板搭接接頭制造新方法,其成形過程及獲得的搭接接頭及剖面如圖8所示,通過在金屬–聚合物三明治復(fù)合板鉆盲孔,去除表層的金屬板和中間層的聚合物板,然后在二者之間盲孔部位放置金屬鑲塊并壓縮使其變形,從而獲得三明治板材的搭接接頭,表面無凸起。

板材–管材塑性連接新方法

板材與管材間的塑性連接方法可以歸納為兩種主要方式:(1)在管材端部制造環(huán)形法蘭,將板材放置于法蘭上,再對管材端部進行壓縮,實現(xiàn)二者的固定和連接;(2)通過壓縮管材,使其發(fā)生失穩(wěn)起皺,實現(xiàn)對板材的固定和連接。
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圖7 “兩步法”垂直板材間連接方法
Fig.7 Two-stage joining of sheets perpendicular to one another
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圖8 金屬–聚合物三明治復(fù)合板搭接接頭成形過程
Fig.8 Joining by forming process to produce lap joints in metal-polymer sandwich composite sheets
Alves 等[33]在板材–管材塑性連接工藝上進行了大量的探索,提出了一種在室溫下通過塑性變形將管與平板固定的連接工藝,其原理如圖9所示,主要是通過對管材端部進行局部擠壓形成凸臺,將板材置于凸臺上后,再通過擴口模對管材端部施壓,從而實現(xiàn)管材端部與板材之間的連接,通過該方法獲得了鋁合金管與鈦合金、鋼和聚碳酸酯塑料的連接件。
該工藝的難點在于制造環(huán)形法蘭過程容易出現(xiàn)折疊或破裂等缺陷,而且該方法中法蘭是尖角的,對于連接強度存在一定影響。鑒于此,Alves 等[34]提出了一種新的薄壁管環(huán)形法蘭制造工藝,采用新型凹模和上、下模具同時運動的方式獲得優(yōu)化的凸臺。采用該方法成功制備了金屬聚合物夾芯復(fù)合板與金屬管的連接件[35]。在此基礎(chǔ)上,在板材待連接處預(yù)制沉孔,進而獲得端部更為平整的連接表面,并研究了不同沉孔尺寸對連接效果的影響規(guī)律[36]。他們還提出了一種利用薄壁管受壓后產(chǎn)生塑性失穩(wěn)波紋,實現(xiàn)板材與管材間連接的新室溫連接工藝,可以作為現(xiàn)有緊固件機械固定、焊接和結(jié)構(gòu)膠接之外的一種低成本、高效替代連接技術(shù)[37]。為了進一步提高連接效率,提出了采用單行程沖壓成形管材,將板料固定于管材上。該方法是一種靈活、經(jīng)濟的機械連接工藝,采用該工藝獲得了不同材料間的連接、凸輪軸、座椅靠背框架結(jié)構(gòu)等(圖10)[38]。
為了達到在板材與管材任意位置的快捷連接,且保證表面美觀程度, Alves 等[39]提出了一種基于板材周向擠壓的連接工藝,通過擠壓緊鄰管材部位的薄板,材料沿內(nèi)徑方向塑性流動使得管材縮頸變形,實現(xiàn)二者的快速連接。將試驗和有限元建模相結(jié)合,確定了主要工藝參數(shù)對塑性流動中的影響,并分析了完好和失效接頭的不同變形模式。傳統(tǒng)的擠壓工藝也被應(yīng)用于軸套連接中,通過擠壓芯軸使其發(fā)生塑性變形而實現(xiàn)連接,如圖11所示,然而接觸面上產(chǎn)生的非均勻接觸應(yīng)力分布影響到連接強度。為此,Meissner 等[40]采用數(shù)值模擬方法獲得擠壓連接工藝中需求的制造精度和工藝窗口。Kitamura 等[41]提出一種室溫下軸與法蘭的擠壓連接方法,先在室溫下通過鋸齒模具擠壓,在軸的端部制造鋸齒,對鋸齒部分進行滲碳和淬火處理提高硬度,然后軸的鋸齒端部作為模具擠壓進入預(yù)制孔的法蘭中,對法蘭孔內(nèi)徑材料進行去除,并實現(xiàn)二者的連接。采用該方法獲得的連接件的屈服扭矩為采用機械組裝方法的1.5倍。
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圖9 依靠薄壁管體積成形實現(xiàn)板–管連接
Fig.9 Sheet-bulk forming of thin-walled tubes for joining applications
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圖10 連接件示例
Fig.10 Examples of joining applications
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圖11 軸套徑向擠壓連接
Fig.11 Shaft-hub connection joined by lateral extrusion
Agrawal 等[42]提出了一種通過管材末端卷曲實現(xiàn)板材–管材連接的方法,其原理如圖12所示,通過試驗與有限元分析,發(fā)現(xiàn)成形參數(shù)中模具圓角半徑、摩擦條件和管支架長度對接頭質(zhì)量有重要影響。但是,該方法會在連接處產(chǎn)生卷圓,不適用于對連接端面表面質(zhì)量要求高的情形。Park 等[43]探索了采用電磁成形方法對板材和管材進行連接,其原理及獲得的鋁合金板–管連接件如圖13所示,瞬間的高壓脈沖磁場迫使管材局部發(fā)生變形,依靠管材上側(cè)的翻邊和下側(cè)的脹形實現(xiàn)二者的連接,研究了不同電壓對連接強度的影響,當(dāng)脈沖電壓大于9.2kV時,獲得了連接完好的Al6063 管與7075 板的連接件。

管材–管材塑性連接新方法


Zhang 等[44]采用旋鍛工藝實現(xiàn)了不同直徑的銅管間的塑性連接,其原理如圖14(a)所示,利用有限元模擬軟件Forge 2D 建立了旋鍛成形模型和拉伸試驗?zāi)P停芯苛顺尚螀?shù)對連接管拉伸強度和連接機理的影響規(guī)律。通過光學(xué)顯微鏡觀察到的接頭微觀結(jié)構(gòu)如圖14(b)所示,金屬流線在接頭處是連續(xù)的,沿管軸向方向排列整齊。連接管的間隙很小,在宏觀上幾乎是無縫的。
液力脹接技術(shù)是通過對管材內(nèi)部的液體介質(zhì)施加精確內(nèi)壓,使管材與套環(huán)產(chǎn)生局部變形,進而實現(xiàn)二者一次性整體裝配的工藝方法,具有工藝簡單、結(jié)合面加工精度要求低、材料適應(yīng)范圍廣、一致性好等優(yōu)點。圖15為液力脹接的工作原理,主要通過軸管和套環(huán)的彈塑性變形和彈復(fù)后的殘余應(yīng)變形成過盈配合,實現(xiàn)二者的脹接,該工藝被應(yīng)用于發(fā)動機空心凸輪軸裝配件(圖16)和油氣輸送用不銹鋼–碳鋼復(fù)合管的制造[45–46]。Liu 等[46]研究發(fā)現(xiàn)凸輪采用非圓形孔可以提高連接強度,采用合適的內(nèi)壓和凸輪孔尺寸,與采用圓形內(nèi)孔的凸輪相比,抗扭強度可近似增加2倍,達到工作扭矩要求的3~5倍。Müller[47]和Weber[48]等采用液壓脹接工藝對橢圓形管和矩形管進行連接,并應(yīng)用于輕質(zhì)框架結(jié)構(gòu)的制造中。通常液力脹接是從管材內(nèi)部施加液壓力,但是對于復(fù)雜輪廓管件的連接,模具的放置及液壓的施加等較為困難。Weber 等[49]提出從管材外部施壓,實現(xiàn)管材間的液力連接,并引入最大彈性應(yīng)變值作為連接的關(guān)鍵參數(shù),大大拓展了該工藝的適用性和應(yīng)用范圍。
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圖12 通過卷邊實現(xiàn)板–管連接工藝
Fig.12 Joining a tube to a sheet using end curling
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圖13 板–管電磁連接工藝原理
Fig.13 Principle of sheet-tube electromagnetic joining
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圖14 采用旋鍛連接實現(xiàn)不等徑間管連接工藝
Fig.14 Joining tubes with different diameters by rotary swaging
磁脈沖連接技術(shù)屬于電磁成形的一個分支,常見的管件磁脈沖連接系統(tǒng)示意圖如圖17所示,是利用漸進脈沖電磁力對金屬管進行連接的一種高能率、高速率加工方法,可以實現(xiàn)同種金屬或異種金屬、金屬與非金屬間的連接,連接界面不會發(fā)生融化,從而能夠保持材料的原有特性。與傳統(tǒng)焊接工藝相比,磁脈沖連接具有效率高、環(huán)境友好、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點,但同時也存在設(shè)備投入大、工藝參數(shù)嚴苛、安全防護等級要求高、對連接零件尺寸有限制等問題[50–53]。
管路系統(tǒng)被喻為飛機的血管,航空導(dǎo)管的連接性能對于管路系統(tǒng)的安全性和可靠性有著重要影響。張榮霞等[54–55]針對基于扭矩控制的導(dǎo)管內(nèi)徑滾壓連接工藝進行了研究,該方法的工作原理如圖18所示,芯軸主動轉(zhuǎn)動,滾柱帶動保持架軸向轉(zhuǎn)動,依靠芯軸與滾柱間的徑向擠壓力和切向摩擦力,迫使導(dǎo)管材料進入管套凹槽,完成連接過程,研究了成形機理及特點,分析了成形扭矩與連接件管端伸出量和連接件內(nèi)徑的關(guān)系,并成功制備了TA18 鈦合金導(dǎo)管連接件,裝配面的密接度滿足設(shè)計要求。張凌云等[56]采用聚氨酯橡膠擠壓實現(xiàn)航空液壓導(dǎo)管接頭的連接,采用有限元分析方法研究了脹形壓力、聚氨酯橡膠套厚度與長度、導(dǎo)管與管套的間隙等工藝參數(shù)對于連接質(zhì)量的影響,并采用優(yōu)化參數(shù)獲得了連接質(zhì)量良好的導(dǎo)管接頭,對實際生產(chǎn)起到了重要的指導(dǎo)作用。
Alves 等[57]提出了一種實現(xiàn)管材端部簡單快速的連接方法(圖19),先利用外層管材的脹形實現(xiàn)管材端部的搭接,然后沿管材軸向進行壓縮,搭接部位兩層管均發(fā)生塑性失穩(wěn),壓合后實現(xiàn)互鎖。采用該工藝實現(xiàn)了S460MC 碳鋼管的連接,并結(jié)合有限元方法確定了影響連接質(zhì)量的兩項工藝參數(shù):開口間隙與管材半徑的比值和管材初始無支撐高度比值。另外,該方法也同樣適合于異種材料間的連接[58]。
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圖15 液力脹接原理
Fig.15 Principle of hydrojoining
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圖16 采用液力脹接制造汽車發(fā)動機空心凸輪軸裝配件
Fig.16 Assembled hollow camshaft for truck engine by hydrojoining
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圖17 管件磁脈沖連接系統(tǒng)
Fig.17 Magnetic pulse welding set up for two tubes
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圖18 內(nèi)徑滾壓連接技術(shù)
Fig.18 Principle of inner diameter rolling connection
Silva 等[59]對管端部連接工藝進行了改善,主要是對上、下模增加了環(huán)形凹槽,可以實現(xiàn)連接管之間更好的定位,同時搭接部分長度更長,且?guī)в衅街倍危谳斔鸵后w或氣體時也可以使用。拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲和密封性破壞試驗結(jié)果表明,新的“搭接”接頭的性能均勝過“對接”接頭。然而上述方法會在連接部位外端產(chǎn)生環(huán)形的凸起,影響到產(chǎn)品外觀和美觀性。Alves 等[60]提出一種通過內(nèi)部機械互鎖實現(xiàn)管材間塑性連接的方法,此方法會在管內(nèi)部形成凸起,外部無凸起,美觀性有了一定提升。通過管材塑性失穩(wěn)的方法,也能夠用來實現(xiàn)不同直徑管材間的垂直連接和傾斜連接,以及三通管的制造(圖20)[61]。Baptista 等[62]將電弧熔絲增材制造技術(shù)與塑性成形相結(jié)合,通過電弧熔絲增材制造技術(shù)在型材交接處制造榫頭,用來制造空心界面鋁型材的十字接頭(圖21),研究表明,十字節(jié)點的單元能夠承受2kN的拉脫力和3.2kN的剪切破壞力,可用于制造低成本鋁材結(jié)構(gòu)件,在公共汽車、火車或輪船等客運車輛上具有潛在的應(yīng)用。
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圖19 管材連接工藝原理及連接件截面
Fig.19 End-to-end joining of tubes by plastic instability
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圖20 基于薄壁管塑性失穩(wěn)獲得的管–管連接件
Fig.20 Application of the new proposed technology based on plastic instability waves in thin-walled tubes
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圖21 基于電弧熔絲增材制造技術(shù)與塑性成形的方管交叉接頭成形
Fig.21 Cross joint consisting of square hollow section profiles obtained by combination of additive manufacturing and joining by forming

板材、管材塑性連接技術(shù)發(fā)展趨勢


未來板材、管材塑性連接技術(shù)的研究應(yīng)主要關(guān)注以下方向:
(1)注重塑性連接方法與其他工藝的結(jié)合。對于某些復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)件,單純依靠材料的塑性流動難以實現(xiàn)構(gòu)件的連接。通過塑性連接方法與沖裁、彎曲、拉深、熱處理等傳統(tǒng)工藝以及增材制造、激光成形、電磁成形等先進工藝的結(jié)合,獲得高連接強度的復(fù)雜結(jié)構(gòu),是塑性連接技術(shù)的一個發(fā)展方向。
(2)尺寸、材料性能差異較大的構(gòu)件間的連接。對于厚度差異較大的構(gòu)件,強度、塑性差異較大的金屬間或者金屬與非金屬(如工程塑料、復(fù)合材料等)間的連接,材料流動不足等問題對傳統(tǒng)的連接方法帶來了挑戰(zhàn),實現(xiàn)其高效、可靠連接亟需創(chuàng)新連接工藝。
(3)專用模具及設(shè)備的研發(fā)。目前,除了少數(shù)鉚接工藝在汽車、航天等領(lǐng)域有著較為成熟的應(yīng)用,大多數(shù)方法還處于基礎(chǔ)研究和驗證階段,距離工程化應(yīng)用還存在一定差距。塑性連接模具及設(shè)備的通用性和操作的便捷性將影響到塑性成形方法的推廣和應(yīng)用,因此,發(fā)展專用模具和設(shè)備,對加快新塑性連接方法的推廣及工程化應(yīng)用具有重要意義。

結(jié)論

作為傳統(tǒng)螺栓緊固、焊接和膠接工藝之外一種綠色、高效的連接技術(shù),塑性連接技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。本文對近年來板材間、板材–管材和管材間塑性連接新方法進行了歸納和論述,近年來國內(nèi)外提出的板材、管材間的塑性連接技術(shù)主要依靠形成互鎖結(jié)構(gòu),或者利用管材塑性失穩(wěn)等方式,實現(xiàn)材料之間的有效連接。另外,借助擠壓、沖裁等傳統(tǒng)工藝或增材制造、激光成形、電磁成形等新型成形方法,實現(xiàn)尺寸、性能差異大的構(gòu)件間的高強度可靠連接也成為一種趨勢。總體來說,大多數(shù)工藝仍處于方法的提出及驗證中,需要進一步加大專用設(shè)備及模具等的研發(fā)來實現(xiàn)進一步的工程化應(yīng)用。


全國人大代表王鳳英:“新能源+智能化”將推動中國汽車產(chǎn)業(yè)“彎道超車”(圖2)

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