奥迪宝马都在用的单边连接技术-阿诺德“流钻螺钉”系列产品全解析

在介绍FlowForm®螺钉之前，首先想跟大家介绍一个概念，即何为“流钻螺钉”工艺（别称：热融自攻丝/热融紧固系统）。英文中有的翻译为Flow drill Screws（FDS），也有翻译为FlowForm Screws（FFS）,纽北更愿意把这两种翻译认为是连接技术使用的螺钉（Screw为螺丝钉）。而“流钻螺钉”则指代的是一种高速旋转、自攻丝最后拧紧的连接工艺。

FlowForm®为阿诺德开发的一种“流钻螺钉”工艺专用螺钉，该螺钉简称为FFS。本文将详细介绍阿诺德开发的FlowForm®螺钉及它的系列产品。

图1  FFS示意图

ECB欧洲车身会议Benchmark连接技术统计清单中，就包含Flow drill Screws这一项目，其实这指的是一种工艺，目前行业内普遍将“流钻螺钉”简称为FDS。我们亦可以从国外一些主机厂对流钻螺钉的代号上看出差异，比如奥迪称为FDS；奔驰、宝马称为FLS。

为了统一中文名称，我们后续将统一采用“流钻螺钉”这一术语来指代这一工艺。

图2  FlowForm®工艺过程

采用FlowForm®螺钉的流钻螺钉技术与我们通常说的热融紧固系统的原理是一样的，即利用螺钉的高速旋转产生的热量熔化母材，并加压在母材上攻螺纹，最终将被连接件（通过ISO标准螺纹）连接在一起。具体工艺过程如图2，一般流钻工艺可分为6个阶段，此处省略了初始旋转与穿透。

图3  FlowForm®螺钉特征

图3为FlowForm®螺钉断面示意，其主要分为5个部分特征。螺钉的型号、重量、硬度等信息，相信大家已经很了解。

图4  FlowForm®螺钉尾部

尾部采用独特的两段不同弧度圆弧过渡的结构，尾部尖端区域设计得较为尖锐。FlowForm®较同类产品具有以下优势：

1)  尾部圆弧设计非常坚固，攻入时不易破裂；

2)  尾部横截面设计均匀过渡，使攻入时板材能够充分热融；

3)  安装时可降低30%的钻孔下压力，使板材受力变形小，减小机器人反作用力，客户可选择小规格的机器人，降低投入；

4)  总安装时间短；

5)  极少的废屑产生（由于尾部均匀过渡的设计）；

6)  优化的螺钉成形加工工序（螺纹和尾部尖端一次成型）。

图5  FlowForm®螺钉

流钻螺钉工艺是否需要在板材上预制孔，受穿透板材的厚度和强度所制约，供应商可通过专业的软件计算来判断是否需要预制孔。

图6为有无预制孔的螺钉断面对比示意图，有预制孔时板材连接完成后，板材间无间隙。而无预制孔时，由于材料在攻入时不可避免流动，使得板材间被撑出一定的间隙。

图6  FlowForm®板件有无预制孔对比

目前FlowForm ®已开始应用于各大主机厂，如，宝马：5系/5系Li、7系等；奔驰：C/S/E级等；奥迪：R8、Lamborghini Huracan、A8、Q7、TT等；通用：凯迪拉克CT6、Corvette；以及福特，特斯拉，捷豹路虎，蔚来汽车ES8等车企或车型；国内的自主新能源项目也在不断的加入应用FlowForm®行列。其在部分车型上的应用案例如下。

图7  凯迪拉克CT6车身材质分布

CT6的车身框架采用近64%采用铝合金材质，整车的质量比传统钢质车身减重效果明显，约100kg。

凯迪拉克CT6车身采用了目前全铝车身主流的SPR、FFS（别称FDS）和RSWA等先进连接技术，其具体的连接种类和数量见图8。

图8  CT6车身主要连接及数量

整车应用FlowForm®螺钉745pcs，供应商通过与GM工程师项目前期EVI活动，将全车745个FlowForm®螺钉均设计为统一规格M5x22mm，这也是目前流钻螺钉技术全球项目中，整车全部应用同一规格流钻螺钉数量最多的项目。通用集团采用的螺钉头部为阿诺德开发的标准头型。螺钉断面及钉头外貌见图9。

图9  CT6车身用FFS断面及钉头

FlowForm®螺钉主要应用于下车体，钢板（或铝板）与铝型材（或铝铸件）搭接的部位，比如前机舱、侧围、地板与门槛纵梁等只能单边可达的部位。

图10  钢板与铝型材的连接

众所周知，电阻点焊和SPR自冲铆工艺，用于连接乘员舱内部（尤其是地板中部位置）的零件时是比较困难的。而FlowForm®螺钉只需在板件的一侧把螺钉拧紧即可。这就为地板中部位置零件提供了较大的灵活性，可以将工具伸入乘员舱内部来完成螺接。

图11  地板上某位置横梁

图12  前纵梁与周边连接板

图13  侧围门槛与B柱加强板

图14  行李箱后背板上部位置