奧迪寶馬都在用的單邊連接技術(shù)-阿諾德“流鉆螺釘”系列產(chǎn)品全解析

流鉆螺釘工藝是通過螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)軟化被連接零件，并自攻絲最終旋緊的連接技術(shù)，也被稱為熱融緊固系統(tǒng)。該工藝可以在較小變形的情況下實(shí)現(xiàn)單邊連接，且為一種可拆卸的緊固方式。然而，此工藝有哪些車型在用、具體使用在什么部位，以及該工藝的最新發(fā)展?fàn)顩r如何呢？

FlowForm® Screws工藝

1 流鉆螺釘
在介紹FlowForm®螺釘之前，首先想跟大家介紹一個(gè)概念，即何為“流鉆螺釘”工藝（別稱：熱融自攻絲/熱融緊固系統(tǒng)）。英文中有的翻譯為Flow drill Screws（FDS），也有翻譯為FlowForm Screws（FFS）,紐北更愿意把這兩種翻譯認(rèn)為是連接技術(shù)使用的螺釘（Screw為螺絲釘）。而“流鉆螺釘”則指代的是一種高速旋轉(zhuǎn)、自攻絲最后擰緊的連接工藝。

FlowForm®為阿諾德開發(fā)的一種“流鉆螺釘”工藝專用螺釘，該螺釘簡稱為FFS。本文將詳細(xì)介紹阿諾德開發(fā)的FlowForm®螺釘及它的系列產(chǎn)品。



圖1 FFS示意圖

ECB歐洲車身會議Benchmark連接技術(shù)統(tǒng)計(jì)清單中，就包含F(xiàn)low drill Screws這一項(xiàng)目，其實(shí)這指的是一種工藝，目前行業(yè)內(nèi)普遍將“流鉆螺釘”簡稱為FDS。我們亦可以從國外一些主機(jī)廠對流鉆螺釘?shù)拇柹峡闯霾町悾热鐘W迪稱為FDS；奔馳、寶馬稱為FLS。
為了統(tǒng)一中文名稱，我們后續(xù)將統(tǒng)一采用“流鉆螺釘”這一術(shù)語來指代這一工藝。

2 工藝過程



圖2 FlowForm®工藝過程
采用FlowForm®螺釘?shù)牧縻@螺釘技術(shù)與我們通常說的熱融緊固系統(tǒng)的原理是一樣的，即利用螺釘?shù)母咚傩D(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量熔化母材，并加壓在母材上攻螺紋，最終將被連接件（通過ISO標(biāo)準(zhǔn)螺紋）連接在一起。具體工藝過程如圖2，一般流鉆工藝可分為6個(gè)階段，此處省略了初始旋轉(zhuǎn)與穿透。

3 FlowForm ®結(jié)構(gòu)特點(diǎn)



圖3 FlowForm®螺釘特征

圖3為FlowForm®螺釘斷面示意，其主要分為5個(gè)部分特征。螺釘?shù)男吞?、重量、硬度等信息?br />


圖4 FlowForm®螺釘尾部

尾部采用獨(dú)特的兩段不同弧度圓弧過渡的結(jié)構(gòu)，尾部尖端區(qū)域設(shè)計(jì)得較為尖銳。FlowForm®較同類產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢：

1) 尾部圓弧設(shè)計(jì)非常堅(jiān)固，攻入時(shí)不易破裂；
2) 尾部橫截面設(shè)計(jì)均勻過渡，使攻入時(shí)板材能夠充分熱融；
3) 安裝時(shí)可降低30%的鉆孔下壓力，使板材受力變形小，減小機(jī)器人反作用力，客戶可選擇小規(guī)格的機(jī)器人，降低投入；
4) 總安裝時(shí)間短；
5) 極少的廢屑產(chǎn)生（由于尾部均勻過渡的設(shè)計(jì)）；
6) 優(yōu)化的螺釘成形加工工序（螺紋和尾部尖端一次成型）。



圖5 FlowForm®螺釘

4是否需要預(yù)制孔

流鉆螺釘工藝是否需要在板材上預(yù)制孔，受穿透板材的厚度和強(qiáng)度所制約，供應(yīng)商可通過專業(yè)的軟件計(jì)算來判斷是否需要預(yù)制孔。
圖6為有無預(yù)制孔的螺釘斷面對比示意圖，有預(yù)制孔時(shí)板材連接完成后，板材間無間隙。而無預(yù)制孔時(shí)，由于材料在攻入時(shí)不可避免流動，使得板材間被撐出一定的間隙。



圖6 FlowForm®板件有無預(yù)制孔對比

FlowForm® Screws應(yīng)用情況

目前FlowForm ®已開始應(yīng)用于各大主機(jī)廠，如，寶馬：5系/5系Li、7系等；奔馳：C/S/E級等；奧迪：R8、Lamborghini Huracan、A8、Q7、TT等；通用：凱迪拉克CT6、Corvette；以及福特，特斯拉，捷豹路虎，蔚來汽車ES8等車企或車型；國內(nèi)的自主新能源項(xiàng)目也在不斷的加入應(yīng)用FlowForm®行列。其在部分車型上的應(yīng)用案例如下。

1 凱迪拉克CT6



圖7 凱迪拉克CT6車身材質(zhì)分布

CT6的車身框架采用近64%采用鋁合金材質(zhì)，整車的質(zhì)量比傳統(tǒng)鋼質(zhì)車身減重效果明顯，約100kg。
凱迪拉克CT6車身采用了目前全鋁車身主流的SPR、FFS（別稱FDS）和RSWA等先進(jìn)連接技術(shù)，其具體的連接種類和數(shù)量見圖8。



圖8 CT6車身主要連接及數(shù)量

整車應(yīng)用FlowForm®螺釘745pcs，供應(yīng)商通過與GM工程師項(xiàng)目前期EVI活動，將全車745個(gè)FlowForm®螺釘均設(shè)計(jì)為統(tǒng)一規(guī)格M5x22mm，這也是目前流鉆螺釘技術(shù)全球項(xiàng)目中，整車全部應(yīng)用同一規(guī)格流鉆螺釘數(shù)量最多的項(xiàng)目。通用集團(tuán)采用的螺釘頭部為阿諾德開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)頭型。螺釘斷面及釘頭外貌見圖9。



圖9 CT6車身用FFS斷面及釘頭

FlowForm®螺釘主要應(yīng)用于下車體，鋼板（或鋁板）與鋁型材（或鋁鑄件）搭接的部位，比如前機(jī)艙、側(cè)圍、地板與門檻縱梁等只能單邊可達(dá)的部位。



圖10 鋼板與鋁型材的連接

眾所周知，電阻點(diǎn)焊和SPR自沖鉚工藝，用于連接乘員艙內(nèi)部（尤其是地板中部位置）的零件時(shí)是比較困難的。而FlowForm®螺釘只需在板件的一側(cè)把螺釘擰緊即可。這就為地板中部位置零件提供了較大的靈活性，可以將工具伸入乘員艙內(nèi)部來完成螺接。



圖11 地板上某位置橫梁



圖12 前縱梁與周邊連接板



圖13 側(cè)圍門檻與B柱加強(qiáng)板



圖14 行李箱后背板上部位置

2 寶馬7系/5系/5系Li

2017款寶馬7系、寶馬5系、華晨寶馬5系Li均采用流鉆技術(shù)FlowForm®螺釘，整車用量大約180pcs。后續(xù)的一系列寶馬新車型也將應(yīng)用FlowForm®螺釘，目前寶馬的所有應(yīng)用的熱融流鉆螺釘均為阿諾德FlowForm®。



圖15 寶馬公司用FlowForm螺釘頭型

阿諾德為寶馬開發(fā)了新的螺釘頭型，這也是此種頭型的首次應(yīng)用，其主要優(yōu)勢在于可以節(jié)省0.3s左右的設(shè)備在打釘開始階段的尋帽時(shí)間，這將一定程度的提高整車廠的生產(chǎn)節(jié)拍。FlowForm®在寶馬5系車身上的應(yīng)用見圖16、圖17和圖18。
寶馬5系白車身



圖16 減震塔與縱梁連接



圖17 螺釘釘頭細(xì)節(jié)



圖18 螺釘尾部外貌特征

3 奧迪A8
新一代奧迪A8（D5）一共使用了3種規(guī)格的流鉆螺釘，型號為M5x17,M5x20,M5x25，其中阿諾德ARNOLD為其提供兩種規(guī)格FlowForm®螺釘（M5x17與M5x25），另一規(guī)格由毅結(jié)特EJOT提供。



圖19 奧迪針對于流鉆技術(shù)的頭型設(shè)計(jì)



圖20 前縱梁位置



圖21 后地板上橫梁位置

Flowhole Forming家族產(chǎn)品
近年來，車身材料應(yīng)用發(fā)展突飛
猛進(jìn)，連接技術(shù)不段創(chuàng)新，在汽車工藝輕量化的大背景下，原本單邊連接產(chǎn)品—FlowForm®螺釘在某些層面上已經(jīng)不能滿足車廠的需求。國外的一些主機(jī)廠想把單邊連接工藝細(xì)化，從而使不同的單邊連接工藝各盡其用，各司其職。目前，阿諾德已開發(fā)出相應(yīng)的單邊連接產(chǎn)品的Flowhole Forming系列家族產(chǎn)品。



圖22 Flowhole Forming家族成員實(shí)物圖

1 FlowForm® PLUS

開發(fā)背景
隨著輕量化車身應(yīng)用材料的不斷進(jìn)步和發(fā)展，整車廠對材料的使用的不斷豐富，尤其是超高強(qiáng)度鋼的引入在一定程度上制約了傳統(tǒng)熱融流鉆技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)熱融流鉆技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)上層板開孔比例很高、最大可連接的材料的抗拉強(qiáng)度低（600Mpa_1.0mm）、質(zhì)量大等一些弱勢就逐漸顯現(xiàn)出來。結(jié)合這些整車廠的訴求，供應(yīng)商開發(fā)出了升級版熱融流鉆技術(shù)-FlowForm® PLUS。



圖23 FlowForm® 與FlowForm® PLUS對比

創(chuàng)新點(diǎn)

FlowForm ® PLUS相較于標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘，其改進(jìn)如下：

1.螺釘單重比標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘降低40%左右，螺釘規(guī)格由M5降低到M4。
2.FlowForm® PLUS_M4規(guī)格可以達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘相近的連接強(qiáng)度。
3.最大可連接的材料的抗拉強(qiáng)度提升到1000Mpa。
4.降低板材的開孔率。

試驗(yàn)測試分析

針對于標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘?shù)臉O限，我們用FlowForm® PLUS做了一些試驗(yàn)來做對比，結(jié)果如下。
①HX420LAD 2,0mm_AC300 2,5 mm，左邊圖FlowForm® PLUS在板材上安裝沒有任何問題。右邊是標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘，可以看到是無法打到底，原因是由于安裝時(shí)螺釘允許的極限下壓力和扭矩到達(dá)上限。



圖24 對比測試1

②DP800 1,0mm_AC300 2,5，左邊圖是FlowForm® PLUS安裝沒有任何問題。右邊圖由于DP800已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘?shù)目蛇B接強(qiáng)度，所以無法穿透。



圖25 對比測試2
③AC300 2,5mm_AC300 2,5 mm_AC300 2,5 mm，總厚度7.5mm。左邊在板材沒有做任何開孔的情況下安裝沒有問題，螺釘也已經(jīng)充分落座。右邊標(biāo)準(zhǔn)版熱融流鉆螺釘，由于板材總厚度太厚造成板間隙被撐開很大，且螺釘頭下與上板減存在間隙，無法完全落座。



圖26 對比測試3

2 FlowPush®



圖27 FLOWPUSH®螺釘

開發(fā)背景
車身上的一些非承載受力區(qū)域（不在碰撞測試的傳遞路線上的點(diǎn)）其實(shí)受力不是很大，用FlowForm®的話連接強(qiáng)度有些過盛，而且FlowForm®連接時(shí)間在3s左右也有些長。所以，在這些非承載受力區(qū)域，需要開發(fā)出一種新的產(chǎn)品，可以犧牲一部分連接力換來安裝時(shí)間的節(jié)省，達(dá)到快速安裝。于是，F(xiàn)LOWPUSH®應(yīng)運(yùn)而生。

FLOWPUSH®連接的剪切強(qiáng)度約為熱融流鉆螺釘?shù)?5%，連接十字抗拉強(qiáng)度約為熱融流鉆螺釘?shù)囊话搿?br />


圖28 FLOWPUSH®斷面

創(chuàng)新點(diǎn)
更快：指的是安裝時(shí)間更快，只有熱融流鉆螺釘安裝時(shí)間的一半；
更輕：指的是螺釘?shù)膯误w質(zhì)量更小，相比于熱融流鉆螺釘質(zhì)量下降40%左右；
更廣泛的連接范圍：指FLOWPUSH®可以連接的材料最大抗拉強(qiáng)度可以到達(dá)1000Mpa。

安裝過程



圖29 FLOWPUSH®操作過程

FLOWPUSH ®與ImpAcT®對比
FLOWPUSH®的對標(biāo)和類似的產(chǎn)品是ImpAcT®（高速射釘），這兩種產(chǎn)品都是實(shí)現(xiàn)單邊快速連接，F(xiàn)LOWPUSH®的優(yōu)勢在于不會產(chǎn)生高分貝的噪音，無需建立隔音房。所以，F(xiàn)LOWPUSH®可以在總裝產(chǎn)線上自動化連續(xù)生產(chǎn)，不需要轉(zhuǎn)產(chǎn)。

3 FlowPlast®



圖30 FLOWPLAST®螺釘

FLOWPLAST®是阿諾德與整車廠正在開發(fā)出的一種單邊連接復(fù)合材料及碳纖維板材與金屬板材的產(chǎn)品。由于此產(chǎn)品還在項(xiàng)目開發(fā)的初期，還需要伴隨著整車廠做一些列相關(guān)測試驗(yàn)證，所以一些細(xì)節(jié)目前不便透露。若您對FLOWPLAST®感興趣，可以聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行深入交流。

4 家族產(chǎn)品的設(shè)備兼容性
Flowhole Forming系列產(chǎn)品的一個(gè)大優(yōu)勢就是可以用同樣的設(shè)備進(jìn)行安裝，即標(biāo)準(zhǔn)的熱融流鉆技術(shù)設(shè)備，這就為整車企業(yè)大大節(jié)約了投資成本。



圖31 Flowhole Forming系列產(chǎn)品設(shè)備兼容性

總結(jié)

本文從“流鉆螺釘”工藝的基礎(chǔ)定義出發(fā)，介紹了阿諾德FlowForm ®螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)、應(yīng)用案例及由此引申開發(fā)出的FlowholeForming系列家族產(chǎn)品。
FlowForm ®是為了解決封閉的型材、鋁鑄件與其他零件的單面連接工藝；FlowForm ® PLUS作為其升級版，滿足了更高強(qiáng)度板材的單邊連接，并實(shí)現(xiàn)了連接螺釘本身的輕量化；FlowPush ®是一種強(qiáng)度略低但連接速度較快的工藝；最后，F(xiàn)lowPlast ®是為塑料與復(fù)合材料的連接而開發(fā)的連接。

毋庸置疑，鋼鋁混合車身是將來的必然趨勢。凱迪拉克CT6、寶馬新7系和奧迪A8等車型都是鋼鋁混合車身的經(jīng)典代表，從他們的車身用材、連接工藝我們能學(xué)到很多，正如我們今天談到的流鉆螺釘技術(shù)！