贾林
（北京奔驰汽车有限公司，北京100176）
摘要：通过对铆钉断裂、弯曲原因的分析，尝试从设备本身、轨迹姿态、程序速度、工装卡具等方向到优化解决问题的方法，在国内该技术的应用领域起到一定的参考作用。使用的优化策略已在北京奔驰的车身工厂生产线同步使用，并且对于新项目的调试、验收工作也具有颇为实用的指导意义。
关键词：白车身；射钉铆接；断裂；变形；分析优化
中图分类号：TG38文献标识码：B DOI：10.16621/jki.issn1001-0599.2021.02.57
0引言
随着材料研发和应用技术的不断进步，汽车作为人类社会发展进步的体现站在了材料革新领域的前延，大量的合金、纤维材料的引入不但使车身具备了更好的抗扭、抗冲击性能，重量也逐步减轻。材料更新换代的同时，制造工艺和加工技术也发生了变化，广泛使用的电阻焊、丝焊等传统技术，在全新材料和复合材料面前受到了空前的挑战。奔驰全新的SL跑车，其车身就使用了大量的纤维、合金等
复合材料，结构坚固重量极轻，其中用到的射钉铆接更是近年才开始推广的新技术。目前全球仅有奔驰、奥迪、特斯拉、大众等公司在车身制造方面使用了该项技术，它为车辆的设计制造工艺带来全新的体验，同时也带来新技术的应用挑战，需要用户深入了解努力优化后才能发挥它的最大性能。
1设备介绍
1.1工作原理
高速射钉铆接技术是一种使用铆钉，即一种钉式辅助连接零件的新型机械连接工艺。铆钉通过高压气缸杠杆的迅速推动，以极高的速度刺穿连件板材，同时铆钉外侧的齿状结构能够与板材内壁摩擦产生热量和缝隙填充，从而实现有效连接，钉帽则能够保持板材的固定，并提供良好的强度特性，射钉铆接技术的原理如图1所示。
1.2技术性能
高速射钉铆接技术的亮点在于非常快的铆接速度，其自动运行时300ms即可完成一次射钉动作，实际作业极限速度能达到2.2s/发，鼻出口速度为20~40m/s，工艺速度远超热熔自攻钉、半空心自冲铆、压铆等其他同类技术，同时还采用了少有的单侧铆接技术，无需双面加持和提前开孔，预压板材即可完成穿刺、扩孔、填充、锁紧一系列动作。根据板材的需求还可选用不同外形和涂层的铆钉，在0.8MPa的气压作用下可产生超过
1600MPa的铆接力，而较快的速度也不会造成板材的受热变形。该技术的缺点不多，一是铆接时的瞬间噪声超过105dB且具有射击危险性，故需隔离使用；二是单侧铆接的设计缘故对铆接姿态、工件支撑等有较高要求；最后就是设备的零部件配合精巧、易损件较多，所以日常的运营成本偏高。
1.3应用情况
目前北京奔驰亦庄厂区内共有超过15台高速射钉设备同时工作，产品车型超过4种。该技术主要用于车身前、后端主要结构的连接，铆点数量在50~80个，且铆点全部为多层复合板材，因其较好的连接性能和完整的质量监控功能，在未来新车型项目上有望继续列装使用。
2铆接过程中的质量问题
2.1质量问题概述
铆接工艺当中铆钉是其中的关键，当铆钉完整打入板材且钉帽间隙小于0.3mm，这个铆点才算合格，反之如果出现：空铆、钉帽缝隙、铆钉过深、钉帽断裂（图2）、铆钉弯曲变形（图3）等都是铆接质量不合格的表现，需要生产操作人员进行二
次操作修复这个铆点，确保车身整体强度不
被影响。
2.2断钉与歪钉
上述铆接问题当中有两种在实际生产当
中比较常见，也是处置起来比较困难的情况，
一个是铆钉断裂，另一个则是铆钉弯曲变形。
之所以说处置困难是因为这两种质量问题主
要与设备的服役时间、运行状态、工装夹具状
态、触板姿态、触板速度等多种元素相关，单
个问题能够导致铆钉变形，多个问题也能造
成相同的后果，这种情况下就需要更多方面图1射钉铆接技术的原理
的检查和分析才能到问题的最终原因。这里说的断钉通常说
是铆钉本体全部或部分进入板材，钉帽却在铆接结束后整体脱落，铆钉变形则是铆钉在受力后没能刺穿板材发生的轴向变形。
2.3
问题产生的影响
不论是铆钉断裂还是变形，都会对产品质量和设备造成伤
害。质量问题出现后需要使用工具将铆钉从板材中取出，并在原
孔位置用钻头打孔，带胶拉铆才能修复。设备方面首先会有质量监控报警，同时铆钉可能会对鼻末端和内管表面造成不可修复的破坏，撞针与钉帽接触的端面也会因此由面接触变为线接触，一致破损甚至碎裂（图4）。
3断钉与歪钉的问题分析3.1设备自身存在问题
3.1.1鼻的铆钉稳定功能失效
鼻是铆唯一接触工件的部件，也是铆钉实现铆接的唯
一出口，在整个铆接过程当中起到方向引导、稳定铆钉、压紧板材的重要作用。鼻的结构主要由鼻本体、阻尼条、固定销、张紧环、密封圈和鼻外壳等部件组成，零件数量为21个。鼻本体的进口侧，开有5个向上的气孔，通过与密封圈和外壳的配合，可以形成一个均匀向上的气流（图5）。在铆接开始前，电磁阀会向鼻供气，用以将准备击发的铆钉紧贴在撞针端面上。当铆接动作开始后，铆钉会被撞针用力向出口方向高速推动，为了保持铆钉的前进方向，铆钉会被推入由5根阻尼条包裹的稳定弹道，确保钉帽与撞针端面紧紧贴合，直至铆钉被打入板材之中。
经过长时间的应用发现，在鼻的诸多功能当中能否提供有效的稳定气源和均匀的阻尼力度是铆钉是否会变形的关键因素。铆接开始前，铆钉会从弹夹中被推出送入弹道，弹道的起始位置并没有设置铆钉姿态或位置保持的装置，在没有保持气向上吹动的情况下，铆钉一旦进入弹道就会受到铆当时姿态的影响自由落体或是歪倒倾斜，如果此时铆击发，撞针端面快速到达铆钉的面前，由于管较短的缘故，铆钉还没完成姿态修正就已经被按在了板材表面，如果铆钉在不垂直的情况下接触了板材，通常情况下会出现类似击中坦克斜面装甲出现跳弹的现象，仅能穿透表面板材或直接受力弯曲变形。3.1.2
撞针的导向块磨损
中央定位块是为铆接撞针提供动作导向的部件，方式为
双材质摩擦接触，在长时间的使用当中，中央定位块会受到铆实际工况的影响（例如铆接方向、结构变形、保养状况等）出现接触内径磨损变形的情况，如果在维保检修过程中不能及时更换，执行铆接动作时撞针可能在接触铆钉之前已经发生轴向偏移，撞针端面与铆钉非中心接触将导致铆钉推出受力
不均，造成鼻内的单侧阻尼条加剧磨损，甚至出现铆钉倾斜
和受力变形。
图2折断的铆钉
图3
弯曲变形的铆钉
图4弯曲的铆钉卡在鼻内
图5鼻本体上的密封圈和向上的气孔
图6S2
的距离示意
图7搓动作示意
3.1.3撞针伸出位置到鼻端面的距离超差
撞针伸出位置到鼻端面的距离是有具体要求的，要求
1.5依0.05mm ，
该距离与钉帽厚度相差不多，仅是少了0.2mm ，S2的距离如图6所示。它的设定目的是确保铆钉打入板材后，在铆点周围0.2~0.3mm 的轻微下沉变形时，这个微小的凹坑正好可以嵌入同样高度的钉帽并使其内部形成挤压锁紧功能，而
在板材上面的钉帽则正好被鼻与撞针之间的空隙包裹，这样
既可以保证铆钉的完整性，也可以防止撞针伸出过长或过短造成的钉帽断裂或打不进去的质量问题。影响S2的因素主要来自缸桶内的缓冲块和鼻位置用于调整的垫片。缓冲块是通过受力变形为撞针提供末端减速挡停的易损类部件，防止高压气缸内的撞针伸出时因动作过快撞毁行程传感器、缸盖等部件。鼻后方的调整垫片则是用来根据缓冲块变形情况人工调整撞针与鼻端面距离的零件。一般情
况下，缓冲块在经过一段时间使用后会出现肉眼可见的变形，整体高度明显缩小，此时如果不能及时调整垫片厚度，撞针的伸出距离便会增长，造成铆钉入板过深的情况，这也是钉帽断裂问题的因素之一。3.1.4机器人的程序存在问题
在分析这个原因之前，有必要说一下铆结构方面的特
点。该设备是由架、铆接和控制三部分组成。其中，架结构配双向气压可控的平衡缸，用来实现板材预压和克服重力的功能。铆接单元则是产生铆接动作的执行机构，它安装在架结构的L 形安装板上。由于受体积和重量的双重限制，铆只在单侧安装有直线轨道用以实现铆接单元的预压伸出动作，因此，在铆接时鼻会受到来自机器人动作和板材反馈两种力的作用，使铆结构发生轻微变形，从鼻向L 形安装板方向扩散。
这样的机械机构在日常的铆接时容易受到负载机器人程序中的姿态和速度影响。在铆接位置示教时，通常会以鼻垂直板材表面或基本垂直为调试标准，程序轨迹上知道铆点前用点对点语句（后用PTP 表示），贴近板材用直线语句（后用
LIN 表示）
，离开用PTP ，仅此而已，但对于接触痕迹和运行时的结构变形却很少关注，这也是多年后会出现质量问题的关
键所在。单侧受力结构会使鼻在接触板材时向外滑动，而非垂直向上回缩，这一现象称之为搓，且速度越快搓越明显（图7）。当铆点按照鼻垂直与工件表面的要求调整姿态后，自动运行时鼻将会出现受力变形，鼻整体因此发生倾斜，最终铆钉是以一个较小的角度斜向刺穿板材打入工件内部，而当铆接位置为曲面时，铆钉倾斜变形、钉帽折断的风险便会成倍增加。同时，作为推钉动力的撞针也会在变形的弹道内随之弯曲，加重了鼻阻尼条以及缸盖上中央定位块的磨损，撞针的回程动作也会因为自身的变形变慢，甚至影响弹夹内推钉气缸的返程动作，最终造成系统提示撞针没有回程动作、弹夹气缸位置错误等报警。
3.1.5工装与工件的支撑夹紧存在问题
工装夹具是为工件提供结构支撑的重要工具，它与工件配
合的好坏对铆接质量也有着极为重要的影响。当铆执行铆
接时，工装胎具不能对工件实现有效定位，铆的预压产生的作用力会直接传递给工件，推动工件同向运动，铆接结束后随着设备的后退，工件又恢复了原来的位置。这种情况几乎很难被察觉，但是由于工件被推动，示教的触板姿态也会发生变化，从最初的鼻面接触变为线接触甚至点接触，这样对设备带来的损伤将是非常巨大的。并且因为工件缺少有效的固定，此时打出的铆钉好似打到了坦克的披挂装甲一样，铆接动能被晃动的工件吸收殆尽。工件移动和板材间隙的后果就是铆
北汽奔驰
接动能被缓冲吸收，剩余的动能不足以让铆钉打穿工件完成连接，还有就是铆钉被打歪或者打弯甚至打断。
4优化方法
4.1对鼻排气方向的测试和结构优化
均匀稳定的向上气流是铆钉能否垂直射出的
首要保证。鼻结构中的外壳、密封圈和本体经过装配后，密封圈一定要在外壳和本体之间形成有效隔离，确保稳定的气流能够从外壳进入后全部通过向上的斜孔排出。经过实际测量，该密封圈在外径小于23.55mm 时会发生漏气，小于
23.52mm 时鼻外壳和本体间的环形密封失效，此时鼻的前后两端的排气量基本一致，当密封
圈因为老化原因小于23.5mm 时气流会全部通过鼻出口被排出。如果此时这样的鼻用在现场，铆钉会因为鼻向外吹气的影响，直接掉入阻
图8鼻吹气测试图9缓冲块图10
铆接程序示教示意
尼段并在此与撞针接触。为了避免此类问题的发生，可以使用一个比较简单的方法对问题设备的鼻进行测试。首先把鼻连接气源，用一张纸片放在鼻的两端，如果在鼻的出口纸片被吸住而进口
端不断排气表明该鼻的状态良好，反之如果纸片被吹开进口端有明显的吸气则表示鼻的密封圈已经失效需要更换（图8）。
4.2维护保养及时到位
上面分析铆钉断裂变形的原因时提到部件磨损会造成S2发生变化等问题都会在日常工作中经常遇到。一般按照设备厂商给定的设备维护保养手册中的要求，其中有很多诸如缓冲块（图9）、中央定位块、撞针活塞环等易损件的更换、内外清洁和润滑整备工作都被列入了25万次、50万次、100万次等例行保养计划当中，在这方面虽然会有备件消耗的费用支出，但是比起
设备因缺乏保养或者磨损部件得不到替换，导致产品出现批量事故来的划算。保养工作是不能省的，但是可以在备件的国产化和二次开发方面入手，在原有基础上获得更大的收获，同时因为国产的备件价格也会成倍的下降，从而为企业带来更大的利润收益。截至目前，作为备件国产化的先行者，高速射钉铆项目已经完成了十余种常用易损件的二次开发和国产化工作，每年可产生数十万的经济价值。
4.3调整优化机器人运行轨迹
作为铆的载体，铆的触板姿态、移动、板材预压等动作全都要依靠机器人来带动实现。为了克服特有的搓特质和提高质量，建议铆接程序示教遵循以下建议（图10）：
（1）在鼻距离铆点15mm之前，保持使用PTP语句，确保程序的100%最大速度。
（2）鼻移动到铆点正上方5mm位置，继续使用PTP语句速度100%。
（3）将铆向架方向向上倾斜0.5毅，同时垂直向下压至12.5~13mm，此时平衡缸两侧的传感器应该处于熄灭状态，使用LIN语句且速度不超过0.5m/s。
（4）添加铆接命令语句。
（5）鼻的离开轨迹仍然要使用LIN语句，将铆从板材上垂直拉出5mm的安全距离，以防止机器人下一步移动时被铆钉刮伤鼻，速度要求低于2m/s。
上述第三步中0.5毅的角度调整目的是用来克服铆预压板材时产生的搓动作，反向抬高的0.5毅可以中和鼻受力后的微小变形，使鼻在下压的情况下与板材完全垂直。
4.4确保工装对工件的有效夹紧
最后一点是工装胎的调试，这需要现场人员每天的检查和关注，时刻能够发现现场设备的异常表现，进而在第一时间做出调整，尽力减小设备和产品的损失。工装胎具方面的调整应该遵循两个原则，即工装夹具结构完整定位有效夹紧到位，并且关注来件形变动态，及时对相应位置的工装结构加减垫片，认真做好以上两条就能为铆提供最有力的外部支持。
5结束语
高速射钉铆接技术相对传统的连接工艺来说，还是一个非常年轻且冷门的技术，它的工作原理虽然简单，但其复杂的控制结构和较高的维护成本限制了同类仿制和用户采购的范围，即便如此在车身制造轻量化的大趋势面前，相信未来仍会有越来越多的整车厂商引进此项技术，毕竟在单侧铆接工艺的加持下，车身设计和工艺质量都会较传统技术有很大的提升，只要运用得当，能够发现问题并做出优化改进，同样可以为企业创造出可观的价值。
参考文献
［1］闫旭东，扬博.射钉铆接技术在白车身的应用［J］.汽车工艺师，2018（7）：14-16.
［2］徐文欢，武冰，张秋花.高速射钉铆接技术在白车身的应用［J］.汽车工艺师，2017（11）：39-41.
［3］高勇，谢添，张海滨.机械连接技术在白车身轻量化中的应用［J］.汽车工艺师，2017（4）：29-31.
〔编辑毕来金〕
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