机械制造中常用的配合工具有(多功能工艺链中的机械连接，特别是在轻量化结构中使用)

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文|洁说圈

编辑|洁说圈

机械连接技术的使用提供了连接混合材料结构的可能性，特别是在轻量化结构中使用。由于可组合刀具变体的数量以及基于力和路径的可变工艺参数是无限的，因此在通用工艺链中集成确保可接合性目前几乎是不可能的。

通用工艺链，即产品制造所需的所有工艺和工艺步骤的序列，可以对半成品，接头，组件或连接过程进行有针对性的更改，这些更改超出了原计划的扩展，同时仍然确保可接合性。具体来说，它导致了一个独特的连接与自己的力学性能轮廓，这在由此产生的无限数量的组合的背景下，使得它不可能在没有广泛的安全系数的传统实验为基础的方法上确保可接合性。

跨区域合作研究中心285(TCRC285)也发起了这一特刊，其目的是使机械连接技术在高应用灵活性的意义上具有通用性。这是通过一个完整的工艺链的数字表示来实现的，从来料半成品到连接部件的生产和连接过程，再到连接在操作阶段的性能概况。

通过掌握因果关系，可以实现关节可连接性的可预测性，并实现对关节单个生命周期的改进。在这方面的知识的基础上，新的可能性干预加入过程是为了适应加入过程。

在为此目的开发的方法的帮助下，最终用户以后将可以使用工具来替代大量的机械连接过程或将特定任务的配置与较少数量的适应性过程连接起来。这扩大了材料选择的灵活性，使环境问题和可持续性的挑战得以克服。

连接工艺的开发背景

受20世纪70年代末石油危机的影响，汽车工业越来越多地开发了铝材料的使用概念。传统的热连接工艺，如电阻点焊(RSW)很快达到其技术极限，特别是当需要多材料连接时，例如钢到铝或金属到塑料。机械连接技术在巨大的创新压力下以应用为导向发展，并建立了批量生产。

为了避免部件尺寸过大，所使用的连接部件材料(如高强度钢、轻金属、纤维增强聚合物-frp)必须尽可能在其运行载荷下的应力极限下使用，并考虑到与应用相关的安全因素。

通过接头将不同的力(如静力、循环力、冲击力)从一个连接部分传递到另一个连接部分，接头具有整个组件结构的属性定义功能。然而，连接点通常与连接部件的原始力学性能的变化有关，并形成组件结构的弱点。

损伤情况往往是由于不正确的设计或过度应力的关节。高度发达的轻质材料，如高强度钢，正日益将当前的机械连接方法推向其工艺极限。针对特定材料的连接工艺的新变体不断被开发出来。

在材料几何组合(MGC，例如连接部件材料和厚度)发生变化或连接条件波动的情况下，它们不再能够灵活地保证连接的可连接性。通常情况下，投资于新的加入系统，而不是使现有系统适应新的边界条件。

连接技术是结构的成本驱动因素，特别是由于缺乏适应性而导致数量较大的结构。连接是保证产品经济生产和性能的关键技术。

在这种情况下，单阶段和预无孔工艺由于其高效率而获得了特别大的份额，尽管它们的多功能性，即有针对性地修改工艺或工艺步骤，同时确保可接合性，没有给出。因此，这些连接工艺在多功能工艺链中有效制造轻质结构的潜力没有得到开发。

根据din8593，通过成形工艺进行连接的细分，细分了有和没有辅助连接部件的过程。按照一个简单的过程的想法，夹紧包括连接两个或多个重叠的金属板，管或型材零件没有辅助连接零件的冷成形使用冲床和模具。对连接部件进行部分穿透，进行加厚，通过宽度或挤压，可以在由不同甚至更高强度的材料制成的部件之间形成一般的力和形状配合连接。

在批量生产中，“通过铆接连接”的子组具有特别重要的意义。在铆接中，通过添加螺栓形状的辅助连接部件和铆钉和/或连接部件的塑性成型以及由此产生的力和形式配合连接来创建连接。优选的一种形式是半空心铆钉自穿孔铆接，辅助连接部分通过冲压侧连接部分进行不间断连接，借助铆钉和模具几何形状形成模具侧连接部分。

与此同时，铆钉脚在后期的加工过程中展开，并将自己锚定在模侧连接部分。夹紧和半管铆接的主要优点是消除了孔前作业，大大减少了公差和定位工作，提高了生产效率。这些成形连接工艺的缺点是它们缺乏通用性和可预测性。

机械连接的研究过程

TCRC285“通用工艺链中机械接合性的方法开发”以机械接合为例，研究了在接合性的三个领域，范围内实现多功能性的科学方法:材料(接合适用性)、设计(接合安全性)和制造(接合可能性)。

TCRC285研究了制造步骤和关节承载能力之间的相互作用，以便为实现机械连接工艺的多功能性建立基础，包括新的工艺方法，以及机械连接关节的可转移设计方法。因此，这个TCRC的发现有助于全面描述通用过程链中的可接合性。

该研究计划分为三个阶段:“基础”、“工艺和材料”、“工艺链和多功能性”。在帕德伯恩、德累斯顿和埃尔兰根三个地点，科学家们将以整体和方法为导向的方式，在三个领域(连接适用性(材料)、连接安全性(施工和设计)和连接可能性(制造))中调查可预测接合性的基础，共16个子项目。

在研究网络中，研究在“建模”、“材料和表征”、“技术”、“演示”和“数据管理”等横断面工作组中跨地点进行。TCRC285的愿景是确保通用工艺链的机械接合性。为了回答核心问题，现有的机械连接工艺干预方案正在升级，并创建新的干预方案，新的工艺方法正在研究中。

这些方法的目的是提供机械连接过程所需的适应性有效地使用在通用工艺链。为此，正在进一步开发无预孔的现有工艺(紧固、自穿孔铆接)，使其具有适应性，并且正在以适合所涉及材料的方式研究金属对金属和金属对frp混合连接的新工艺方法(例如，使用自适应摩擦元件连接或使用销结构连接部件连接而不使用辅助部件)。

加入适用性

在TCRC中，主要用于汽车或机械工程轻量化结构应用的铝、钢和FRP材料是研究的重点。在连接适用性方面，机械连接工艺是在非常狭窄的范围内对各自的MGC进行定制的，并且在修改连接任务的情况下，通常需要调整辅助连接部件、工具和工艺参数。

根据目前的技术水平，为了验证新型MGCs的接头，必须进行复杂的实验采样。联合设计的整个程序是在“试错”的经验基础上进行的。在这里，TCRC旨在创建端到端建模和仿真方法的基础，以取代目前常用的启发式方法，并使开发过程更加经济和节约资源。

加入的可能性

焊接过程的适应性和可预测性是生产工程的一个重要目标。特别是，机械连接过程是固定在一个配置(如辅助零件，工具)到某个MGC，通常不能重复使用，如果生产边界条件发生变化(如连接部件的材料，厚度)。这意味着需要进行非常耗时的与安全相关的更改，通过使用更新的测试bb0来调整或重新选择连接流程。

在TCRC的范围内，将开发面向需求的多用途工艺链连接工艺，同时考虑到处理前后的步骤。在连接过程中和连接后采用合适的、无损的测量方法，保证了连接形成的质量，从而保证了连接的可能性。通过对机械连接过程的数值模拟，避免了机械连接过程链中的不完美连接。

加入安全

结构连接的安全性不仅取决于材料，还取决于连接的设计和布置以及由此产生的应力状态。机械连接过程中经常发生不受控制的变形。这些导致要连接的部件或元件损坏，导致生产过程中的接头不符合质量准则或限制接头的使用寿命，例如在循环载荷下。对于机械连接技术的过程模拟，需要在三维空间中完整地描述应力状态，并对连接过程和接头进行跨尺度建模和模拟，以考虑其复杂的损伤行为。

在接头制造过程中已经形成的微裂纹或空洞可以在使用载荷下扩展，这就是为什么在TCRC中提供了一个物理耦合模型，该模型考虑了经典力学损伤公式中由于腐蚀引起的材料退化和相应接头的断裂力学评估。研究结果用于开发一种可转移的设计方法，用于机械连接关节，该方法适用于具有改进的关节特定材料利用率的应力。