CN101155660A - 用两个可相对移动的电磁线圈借助于电磁力通过冲击组装金属部件的工具和方法 - Google Patents
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Abstract
一种工具(1)，用于将由铁磁性材料制成的部件(2)与由顺磁性材料制成的部件(3)组装在一起，该工具包括配有第一拱座(5)和第一电磁线圈(6)的第一工具部分(4)。本发明的工具还包括配有第二拱座(8)的第二部分(7)，其中该第二部分(7)被机械地组装至该第一部分(4)上，其方式为可以选择性地将该第一和第二拱座(5，8)相互靠得更近或移动至进一步远离，该第一电磁线圈(6)用于产生一个电磁通量，当所述部件(这些部件)(2，3)被放置在该第一和第二拱座(5，8)之间时，该电磁通量能够使该顺磁性材料制成的部件(3)推向该第二拱座(8)和/或该铁磁性材料制成的部件(2)被吸向该第一拱座(5)。
Description
技术领域
本发明以通用的方式涉及利用电磁力的帮助通过冲击来组装金属部件的领域。
更具体地说，本发明涉及用于将由铁磁性材料制成的部件与由顺磁性金属材料制成的部件组装到一起的一种工具，包括具有一个第一拱座和一个第一电磁线圈的一个第一工具部分。
背景技术
为了将多个金属部件组装到一起，已知的方法包括将这些部件放置到强电磁场中，以使这些部件中的至少一个部件承受由该场所产生的强加速度，并向另一个金属部件快速运动。由运动的部件所获得的动能在待组装的两个金属部件之间的冲击过程中被吸收。如果在冲击过程中放出的能量是充分的，则这些金属部件的晶体结构混合在一起，从而在这些部件之间至少部分地产生一个类似于焊接的组装。
这就是为什么许多生产用于组装多个金属部件的工具的制造商们已经针对增加这种组装的强度和减少制造这些组件的成本而开发了各种解决方案的原因。
例如，在专利文献WO 97/00151中描述了一种组装工具。将多个部件放置在电磁线圈中，并且当为该线圈通电时，这些部件易于产生机械变形，从而通过这些部件晶体结构的表面部分的混合而产生附着力。为了进行组装，就必须将这些部件置于线圈中，然后在线圈中保持在位。因此，由于线圈妨碍接近将被组装的这些部件，从而很难保持该位置。因此长期运行过程中难以将用于制造的该组装方法自动化。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提出一种用于将一个由铁磁性材料制成的部件与一个由顺磁性材料制成的金属部件进行组装的工具，以及允许组装自动化以及在组装前使这些部件的定位操作更简单的另一种组装这些部件的方法。
为此目的，除了符合由之前限定的导言给出的通用定义外，本发明的工具本质上的特征在于它包括具有一个第二拱座的一个第二部分，该第二部分机械组装至该第一部分，其方式为可选择地将该第一和第二拱座相互靠近或进一步相互移开，该第一电磁线圈适于产生一个电磁通量以致当该部件(多个部件)被放置在该第一和第二拱座之间时，将顺磁性材料制成的部件推向第二拱座和/或将铁磁性材料制成的部件吸向第一拱座。
为了同样的目的，本发明涉及一种组装方法，其特征在于：
-将一个由铁磁性材料制成的部件和一个由顺磁性材料制成的部件放置在第一拱座和第二拱座之间；
-然后使该第一拱座和该第二拱座更靠近在一起，以使该顺磁性材料制成的部件与该第一拱座以及与该铁磁性材料制成的部件相接触，而不接触该第二拱座，从而该铁磁性材料制成的部件与该第二拱座以及与该顺磁性材料制成的部件相接触，而不与该第一拱座接触；
-然后，将该第一拱座和第二拱座移动得进一步地相互远离并在这些部件之间产生一个确定的空间，该铁磁性材料制成的部件与该第二拱座接触，并且该顺磁性材料制成的部件与该第一拱座接触；
-然后为一个第一线圈通电，以此推动这些部件并使它们相互冲击，由这些部件中的至少一个所获得的动能必须足以使这些部件在冲击后保持组装在一起。
归功于根据本发明的工具和方法，因为这些拱座可以进一步移动得相互远离，这些待组装的部件可放置在这些拱座之间而不受这些拱座的妨碍。然后，通过使这些拱座相互靠得更近，可以更容易地对待组装部件进行相对定位，这些拱座允许对这些部件进行预先定位。
此外，当为第一线圈通电从而将这些部件中至少之一向另一个部件的方向猛烈地推动时，至少一个拱座限制这些部件之一的运动于是该部件被卡在该拱座和被推动的部件之间，从而形成一种卡钳，用于将一个部件压紧至另一个部件上。
归功于本发明的工具和方法，通过调整这些拱座之间的距离(该距离确定这些部件之间的距离)可以简单地设置一个部件对于另一个部件的推动运动的最大幅值。通过确定这些拱座之间的距离，有可能简单地预设在为第一线圈通电时将被传送至这些部件的动能。换言之，通过控制这些拱座之间的距离和由该第一线圈传送至待组装的一个部件或多个部件电磁功率，可以简单且基本上重复地设置组装这些部件所必需的最大能量。
能够设置这些部件之间的间距/部件之间的运动的幅值允许使这些部件的组装自动化。
一个部件相对于另一个部件运动的最大幅值等于已经将这些拱座移动开之后存在于它们之间的间距减去当两个拱座将这些部件相互夹紧时存在于这些拱座之间的间距。
因此，可以精确地限定运动的最大幅值。
根据本发明的工具可用于组装各种尺寸和形状的部件，因为不必将这些待组装的部件置于线圈内部。
除了允许设置这些部件运动的最大幅值以外，至少一个拱座还用于产生抵抗力以防止被运动部件冲击的部件的移动。因此，这些拱座都是由极具刚性和硬质的材料(诸如锻钢)制成，在冲击时，这种材料减少由拱座吸收和分散的能量的量值。因此，大部分的动能被直接传送到这些部件之间的界面上，而没有被该拱座发散掉，使之有可能使一个部件的材料扩散到另一个部件之中。
归功于在磁脉冲焊接过程中所使用的高量级的能量，可以对固态的部件进行组装，即，在非常短的时间内冷(在主体车间的环境温度下)而无需提供第三种材料。1至10kJ/cm2的部件间的冲击能量可以是足以在顺磁性材料(即，铝)和铁磁性材料(即，钢)之间完成组装。
例如，有可能将该第二部分安排为包括一个磁化装置，适于在该铁磁性材料制成的部件被放置在第一和第二拱座之间时，将该部件吸引向第二拱座。
由于该铁磁性材料制成的部件被吸引向第二拱座，后者倾向于同该第二拱座保持接触并跟随其运动。由于这一特征，移动第二拱座的同时还移动该铁磁性材料制成的部件，从而使得该铁磁性部件相对于该工具易于定位。在这些部件之间进行冲击时，由铁磁性材料制成的部件被吸引至第二拱座并保持与之接触的事实是一个优点，这是因为第二拱座在第二部件上施加抵抗力，允许对主要用于实现组装的动能的最佳利用。
例如，有可能将磁化装置安排为一个第二电磁线圈。因此，在已经使这些拱座相互更加接近之后而在为第一线圈通电之前，将该第二线圈通电，该第二线圈构成适于将由铁磁性材料制成的部件(置于该第一和第二拱座之间)吸引向第二拱座的磁化装置。
理想情况下，该第二线圈在通电时会使之能够将该铁磁性材料制成的部件相对于第二拱座固定不动。这对于使本发明的工具和方法自动化是一个优点，因为该铁磁性材料制成的部件的磁化是选择性的，并且只取决于该第二线圈是否通电。
还有可能将该工具安排为包括一个第一电源，该第一电源适合于选择性地为第一线圈供电，和/或使之包括一个第二电源，该第二电源适合于选择性地为第二线圈供电。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从下面参照附图的描述中变得显而易见，这些附图是指示性的而不是限制性的，附图中：
图1示出了根据本发明的工具，其中待组装的部件为金属板的形式；
图2a、图2b、图2c、和图2d示出了应用根据本发明的方法的四个步骤，这些步骤是利用本发明的工具来执行的；以及
图3示出了电流随时间变化的曲线14和15，这些曲线14、15分别对应于第一和第二线圈的端子处的电流。
具体实施方式
如前所述，本发明涉及一种组装工具1，它允许由铁磁性材料制成的部件2和由顺磁性材料制成的金属部件3被组装在一起。在所示的这些实例中，该铁磁性材料制成的部件2是一块钢板并且该顺磁性材料制成的金属部件3是一块铝板。
根据本发明的工具1是一种夹钳，包括组装在一起的第一和第二部分4，7，从而允许该第一和第二部分在图1和图2a～图2d中的平面中相对运动。这些第一和第二部分3，7被组装在一起以形成夹钳，允许待组装的部件2，3被夹在第一和第二拱座5，8之间。
在图1的平面中，该第一部分4可以相对于第二部分7运动。为此，该第一和第二部分可以关于垂直于图的平面的一个轴16运动，以允许这些拱座5，8被选择性地运动得进一步分开或更接近。
一个第一拱座5形成在该第一部分4的一端，与形成在该第二工具部分7的一端的一个第二拱座相对。
一个第一电磁线圈6是通过围绕第一拱座盘绕第一导线而形成；该第一拱座5具有对称轴17，而且还用作第一线圈6的绕线轴。
一个第二电磁线圈9是通过围绕第二拱座8缠绕第二导线形成；该第二拱座具有一个限定的对称轴18，也用作第二线圈9的绕线轴。
该第一和第二拱座5，8的对称轴17，18基本相互同轴，从而这些拱座彼此相对，以便允许待组装的部件和拱座之间直接接触，而不接触线圈。因此，拱座和部件之间的这些接触基本沿对称轴17和18而对准，并且因此位于线圈6和9的芯轴上。
一个固定装置12被用于选择性的停止第二拱座8相对于第一拱座5的相对运动，或者选择性地允许这种运动，取决于进行中的该方法的步骤。
该固定装置12可以是用于将该第一部分连接到第二部分的一个销钉或部件；该装置例如可以借助于一个气缸来致动。
形成铁磁性材料制成的部件的钢板2与该第二拱座8相对放置，基本垂直于对称轴18。
形成该顺磁性材料制成的部件的铝板3与该第一拱座5相对放置，基本垂直于对称轴17。
由于这些拱座，本发明的工具特别适用于生产板状部件的点焊。该第二拱座具有一个稍微平坦的形状以允许对板2进行平压，相反，第一拱座具有轻度圆拱的状，以将由第一线圈6产生的电磁场集中到与轴17和18同轴的区域中。
该第一和第二电源10和11分别连接至第一和第二线圈6和9。
该第一电源必须是功率非常大(高达百万安培)，因为这才能产生用于在非常短的几微秒的时间内向第一线圈供电的电能，该电能将迫使铝板压在钢板上。根据这些板或金属片的厚度和硬度以及根据在线圈内芯的端部(这些线圈内芯的端部对应于工具1的拱座5和8)在冲击之前将这些板相互分离开的容易程度来确定该工具的尺寸。
对电磁发电机的动力学参数进行调整以获得高量级的电能，该电能被转换成动能，而动能本身又再转换成形成连接两种金属的扩散层的金相连接能。该焊接是以几千焦/mm2的表面能密度来执行的。
图2a、图2b、图2c、和图2d示出了在使用根据本发明的工具中的不同步骤，使之有可能组装图1的两个板/金属片2，3。
这两个部件被置于两个拱座之间，从而使铝部件3与第一拱座5和第一线圈6的内芯相对，并使钢板2与第二拱座8和第二线圈9的内芯相对。
在图2a所示的第一步骤中，使这些拱座相互更靠近以便在它们之间将这些板相互夹紧，并将这些板之间的间距减小至零。然后测量拱座5，8之间的间距19，它基本上对应于两板的总厚度。可以通过第一和第二部分的一个相对位置传感器来执行该测量，并存储该间距值19。
在图2b所示的一个第二步骤中，该第二拱座被移开以便在部件/板2，3之间产生一个限定的空间13。
为了做到这一点，将分离两个拱座的距离(之前测量并存储的间距)增加有待在板2，3之间产生的该间距13的值。
通过在将第二拱座8与第一拱座分离的同时或在已经将第二拱座8分离之后为第二线圈11通电，该钢部件2被吸向第二拱座8并远离铝部件2。
该钢部件2被示为被压至图2c的第二平坦拱座上。
如从图3所示的电流曲线14可以看到，在图2c的步骤之后的很短的时间内开始该第二线圈9的供电，这使之有可能将钢件2压在第二拱座8上。
一旦设置了金属板2和3之间的间距13(该间距通常为1至2毫米)，则借助于第一电源10为第一线圈6供电，如由图3的电流曲线15所示。强度15在几个微秒内非常快速地增加。于是铝板2被推向第二拱座2并在移动经过板间空间13时获得大量动能。这些板相互撞击，并且由该铝部件3获得的动能在部件2，3之间产生一种金相接合。
在冲击后，断开第二线圈9然后第一线圈6的供电；这些断开发生在图3中的点2d之后(参见曲线14和15)。
根据具体实施例，对该工具的第一和第二部分进行位置控制，以便允许自动执行使两个拱座靠得更近或进一步远离。类似地，对供电进行控制以使支配该工具的所有步骤都可以自动化。根据一个实施方案，这些线圈可以距离这些拱座端部一定的距离，以帮助接近这些拱座。
Claims (10)
1.一种工具(1)，用于将一个由铁磁性材料制成的部件(2)与一个由顺磁性材料制成的部件(3)组装在一起，该工具包括具有一个第一拱座(5)和一个第一电磁线圈(6)的一个第一工具部分(4)，其特征在于，它包括具有一个第二拱座(8)的一个第二部分(7)，该第二部分(7)被机械地组装至该第一部分(4)，其方式为可以选择性地将该第一和第二拱座(5，8)相互靠得更近或移动至进一步远离，该第一电磁线圈(6)适合于产生一个电磁通量，以在该部件(这些部件)(2，3)被放置在该第一和第二拱座(5，8)之间时，将该顺磁性材料制成的部件(3)推向该第二拱座(8)和/或该铁磁性材料制成的部件(2)吸向该第一拱座(5)。
2.根据权利要求1所述的组装工具(1)，其特征在于，该第二部分(7)包括一个磁化装置(9)，它适合于在将该部件(2)放置在该第一和第二拱座(2，3)之间时将该铁磁性材料制成的部件(2)吸向该第二拱座(8).
3.根据权利要求2所述的组装工具(1)，其特征在于，该磁化装置(9)是一个第二电磁线圈。
4.根据权利要求1至3之一所述的组装工具(1)，其特征在于，它包括一个第一电源(10)，适合于选择性地为该第一线圈(6)供电。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组装工具(1)，当与权利要求3结合时，其特征在于，它包括一个第二电源(11)，适合于选择性地为该第二线圈(9)供电。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组装工具(1)，其特征在于，它包括一个固定装置(12)，适合于选择性地阻止该第二拱座(8)相对于该第一拱座(5)的相对运动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组装工具(1)，其特征在于，该第一和第二部分(4，7)被组装在一起以形成一个钳子，使之有可能在该第一和第二拱座(5，8)之间夹住所述部件(2，3)。
8.一种组装方法，其特征在于：
将一个由铁磁性材料制成的部件(2)和一个由顺磁性材料制成的部件(3)放置在第一和第二拱座(5，8)之间；
然后使该第一和第二拱座(5，8)更加靠近在一起以使该顺磁性材料制成的部件(3)与该第一拱座(5)以及与该由铁磁性材料制成的部件(2)相接触，而不触及该第二拱座(8)，并且从而使该铁磁性材料制成的部件(2)与该第二拱座(8)以及与该顺磁性材料制成的部件(3)相接触，而不触及该第一拱座(5)；
然后，将该第一和第二拱座(5，8)移动得进一步相互远离，并在这些部件(2，3)之间产生一个确定的空间(13)，该铁磁性材料制成的部件(2)与该第二拱座(8)接触，而该顺磁性材料制成的部件(3)与该第一拱座(5)接触；
然后对一个第一线圈(6)供电，以推动该部件(2，3)并将它们相互冲击，由这些部件(3)的至少一个所获得的动能必须足以使这些部件(2，3)在该冲击后保持组装在一起。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该顺磁性材料(3)是铝，而该铁磁性材料(2)是钢。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在使该拱座(5，8)相互更靠近之后以及在为该第一线圈(6)供电之前，为一个第二线圈9供电以形成一个磁化装置(9)，该磁化装置适合于在将该部件(2)置于该第一和第二拱座(5，8)之间时将该铁磁性材料制成的部件(2)吸向该第二拱座(8)。
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