2018年12月04日 | 轻量化汽车制造，自冲铆接（SPR）机器人技术应用创新

近年来，新能源汽车产业逐渐兴起， “轻量化”成为发展趋势，车身变轻对于整车的能耗、车辆控制稳定性与碰撞安全性等方面颇有益处。而轻量化的关键点在于“多材料结构”的设计，在车身不同位置使用不同材料。其中，铝合金凭借其低密度、高强度、耐蚀性等性能，得到广大汽车制造商的青睐，并在车身设计制造中得到充分的应用。

铝合金是否能快速应用于汽车行业很大程度上取决于铝连接工艺的发展，特别是关于铝钢异种材料的连接工艺。其中，SPR自冲铆接工艺克服传统铆接工艺的外观差、效率低以及工艺复杂等缺点，实现冲、铆一次性完成，且连接过程不破坏板材的镀层，为汽车车身的连接开辟了新途径。目前，SPR技术已经成为欧美高端车型制造中的关键连接技术之一，并且成熟应用于宝马、奥迪、美洲虎和沃尔沃等汽车的铝钢混合车身连接中，其中仅美洲虎铝制车身连接中SPR铆钉的使用已达3000多个。

为了使SPR工艺得到更广泛的应用，众多国内外企业和机构对SPR工艺研究进行创新性的研究，包括对其连接方式的重点关注，其中就有51ROBOT，作为工业机器人一站式服务平台， 在SPR的研究和运用上，51ROBOT利用自身优势，整合行业机器人、自冲铆接工艺优良技术等优势资源，联合设立SPR连接技术实验室，为客户提供专业的自冲铆接机器人系统解决方案。

从SPR工艺技术中突破

SPR工艺是通过液压缸或伺服电机提供动力将铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下与铆钉发生塑性变形，成形后充盈于铆模之中，从而形成稳定连接的一种全新的板材连接技术。

根据铆钉的形状，SPR自冲铆接工艺可以分为：无铆钉自冲铆接、实心铆钉自冲铆接、半空心铆钉自冲铆接。在汽车车身连接中，既要考虑连接静强度和疲劳强度又要考虑车身轻量化，因此大多数汽车生产企业选择将半空心铆钉自冲铆接工艺应用于轻量化汽车车身薄板的装配。SPR工艺的力学特点决定了铆接质量，与铆钉、模具、板材、冲压设备等因素有关影响铆接接头性能。

SPR工艺的研究内容主要是工艺参数的确定。研究表明，SPR技术的研究存在多个难点，一是铆接设备的核心部位是冲头和凹模，铆钉形状的设计直接决定了接头的结合形式，如何选取合适的铆接设备和工艺参数使其达到最佳匹配效果是最主要的难点。二是国内大部分的SPR工艺设备及铆钉是从国外直接购买，部分工艺参数无法更改。因此，国内需自主研发SPR工艺设备，配套设计不同材料和形状的铆钉，深入研究该项技术，尽快使该项技术广泛应用于国内汽车的制造中。

为推动先进制造技术的应用落地，加快工业机器人的价值转化，哈工智能旗下51ROBOT工业机器人一站式服务平台应势而生。该平台提供了全面的解决方案，包括提供工业机器人设备、机器人配套产品、技术支持和系统整合等服务，进一步促进工业机器人的在多个场景的落地应用，最终使企业获得更高的生产效益。

如何进一步优化自冲铆接

SPR工艺过程可将铆接过程分为四个阶段：

1、夹紧阶段：压边圈向下压紧待铆接板料。与此同时，铆钉也在冲头的驱动下垂直向下对板料进行预压紧。

2、冲刺阶段：冲头向下运动，推动铆钉迫使其刺穿上层板料，与此同时铆钉也驱使下层板料向凹模内发生塑性变形。

3、扩张阶段：随着铆接过程的进行，铆钉腿部逐渐张开，下层板料发生塑性变形逐渐填充入凹模。在冲头和凹模凸台的共同作用下，铆钉腿部向周围扩张，嵌入下层板从而形成了铆钉与板料间的机械互锁结构。

4、冲铆完成：当冲头将铆钉下压至铆钉头与上层板料的上表面紧密接触且平齐时可以认为铆接完成，此时压边圈释放压边力，冲头将返回初始工位，冲铆结束。

从这些过程我们可以得知，上下板材在铆钉与凹模凸台的作用下沿冲头下压方向发生了塑性变形，并且板材与铆钉接触的周边，塑性变形程度较大。相关文献也指出垂直于冲头下压方向，会导致接头整体的抗剪切强度明显优于抗剥离强度。如果引入机器人接入自动铆接系统，其稳定性更能够提高自冲铆接质量和生产率。

机器人自冲铆接系统是由机器人、SPR自冲铆接枪头、动力和控制单元、送料单元及其它外围设备组成，属于机械连接，没有热输入，可以有效避免热连接所引起的种种问题，机器人的加入可以消除人为因素对产品质量的影响，保证产品的质量。因而工业机器人的选择至关重要，与配套设备的合理链接也是机器人顺利完成各种工艺流程的重要部分，为此，51ROBOT推出的“ROBOT＋”升级服务，整合国际优质机器人品牌资源，根据用户实际需求与行业应用特点，为机器人集成商提供一系列的机器人解决方案。

SPR铆接在国民应用与创新

在SPR铆接工艺中，“自冲”的特点为快速生产和流水线制造创造了条件，该工艺可用于汽车底盘件、汽车覆盖件、车座椅等之间的连接，特别是对火车车厢板间的连接具有重要的意义。随着汽车制造业的不断发展，各种新型材料的广泛应用，自冲铆接工艺在实现汽车轻量化中呈现出了异军突起的势头。

自冲铆接工艺已成熟应用于汽车制造工业中，还涉及到轨道交通、房屋建筑甚至日常生活用品。在房屋建造中，钢结构变得普遍，传统的激光焊或者螺栓连接都需花费较多时间和成本，质量也并不一定可靠。SPR工艺在节省时间和成本的基础上，不产生工业废料，并且保护钢材的镀锌层不被破坏，保证了钢材的耐腐蚀性。

采用传统的沉头铆钉进行连接不仅耗时、费用较高，还会破坏标志的反光面。采用SPR工艺，快速简单，并且保护了标志的反光面，连接强度也符合预期要求。

目前国内外学者已在铆接过程中各种因素对质量影响方面进行了大量的相关研究工作。国内还应建立完整的机器人SPR铆接技术应用系统，便于在国内汽车制造工业中的广泛应用，更是有助于推进工业自动化进步与创新。