CN101920302A - 电致塑性自冲铆接装置 - Google Patents

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Abstract

一种汽车制造技术领域的电致塑性自冲铆接装置，包括：驱动杆、压边圈、若干个弹簧珠子定位机构、两组共四个电刷、半空心铆钉和凹模，其中：压边圈、待连接板件和凹模依次由上而下设置，驱动杆套接于压边圈内，若干个弹簧珠子定位机构沿径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置，两个上电刷分别设置于压边圈的底部，两个下电刷相对设置于凹模的顶部。本发明解决合金板件铆接时接头底部易产生径向裂纹甚至发生脆裂的问题并降低铆接先进高强钢时的塑性变形抗力，提升了接头的综合连接质量。

Description

电致塑性自冲铆接装置
技术领域
本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的装置，具体是一种电致塑性自冲铆接装置。
背景技术
随着汽车工业的发展，车辆的环保性能及燃油经济性越发成为各大汽车厂商激烈竞争的主要方面，上述竞争直接推动了汽车车身轻量化的发展。镁、铝等轻质合金材料因其密度小，比强度高而逐步应用于车身结构的制造；同时，先进高强钢综合力学性能优良，其仍将在未来车身制造中占有一席之地。电阻点焊是传统钢制汽车车身装配中最为主要的连接方式，然而对于铝、镁等轻质合金的连接，由于其具有导热性好、导电率高、易与铜发生合金化反应等特点，使得采用电阻点焊连接轻质合金结构件时遇到能耗大、电极磨损严重、点焊质量不稳定等问题；而在连接轻质合金与先进高强钢时，则因两者熔点和热膨胀系数差异巨大以及熔焊时易形成硬而脆的金属间化合物，导致难以形成有效接头。
针对采用电阻点焊工艺连接上述轻量化材料时存在的问题，国外提出了一种称为半空心铆钉自冲铆接(Self-piercing riveting，简称SPR)的连接技术。由于该技术是一种利用材料的塑性大变形而在铆钉与待连接工件之间形成牢固互锁的机械冷成形工艺，因此切实有效地避免了由于熔化焊时大量热量的输入而引发的一系列问题，实践证明SPR方法不仅可以获得具有良好静动态力学性能的接头，同时其冲、铆一体化的特点为快速生产和实现大批量流水线制造创造了有利条件。然而在铆接铸铝、镁合金等塑性差的轻合金工件时容易使底部材料产生径向裂纹降低接头疲劳性能，有的甚至发生脆裂，直接导致接头失效；而在铆接先进高强钢时，由于其强度高(一些先进高强钢的屈服强度甚至大于1000Mpa)，变形抗力较大，塑性变形困难，一方面增加了对设备冲铆能力、铆枪C型框架刚度以及铆钉强度的要求，增加了生产成本；另一方面，变形困难的先进高强钢板使得接头成形性能较差，连接质量不高。
金属塑性变形的微观机理表明，塑性变形的实质是大量位错的产生和运动，由于位错的运动和相互间的作用，在塑性变形过程中，将产生位错的缠结和位错与第二相及晶体缺陷的反应等现象，从而阻碍了位错的运动，形成加工硬化，使塑性变形难以继续。然而，已有研究结果表明材料(尤其是金属材料)在运动电子(电流或电场)的作用下会发生变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象，即电致塑性效应。因此在金属塑性加工过程中，在金属变形方向上施以高密度电流，从而在金属内部形成电子风，电子风作用于金属推动其位错的运动并克服运动中的障碍，减轻了金属的加工硬化现象，降低了变形抗力，使其更容易发生塑性变形，成形性能得到大大提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种电致塑性自冲铆接装置，通过引入金属材料的电致塑性效应，增加了铸铝、镁合金等脆性轻质合金材料的延展性，解决了上述合金板件铆接时接头底部易产生径向裂纹甚至发生脆裂的问题；同时利用该效应，降低了铆接先进高强钢时的塑性变形抗力，一方面，降低了对铆钉强度、设备冲铆能力以及铆枪C型框架刚度的要求，减少了生产成本，另一方面，改善了铆接先进高强钢板时的接头成形性能，提升了接头的综合连接质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：驱动杆、压边圈、若干个弹簧珠子定位机构、两组共四个电刷、半空心铆钉和凹模，其中：压边圈、待连接板件和凹模依次由上而下设置，驱动杆套接于压边圈内，若干个弹簧珠子定位机构沿径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置，两个上电刷分别对称设置于压边圈的底部，两个下电刷相对设置于凹模的顶部。
所述的压边圈的底部相对设有两个径向的第一半开口凹槽，该第一半开口凹槽的长度小于压边圈的半径，第一半开口凹槽的顶部宽度大于等于底部宽度。
所述的弹簧珠子定位机构与压边圈为螺纹连接，该定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠子，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连接。
所述的定位珠子为一端呈半球状的弹头结构。
所述的凹模的中心设有圆锥形或圆柱形结构的凸起，该凸起的中心线和半空心铆钉的中心线一致。
所述的凸起的外形轮廓为光滑过度。
所述的凹模的顶部相对设有两个径向的第二半开口槽，该第二半开口凹槽的长度小于凹模的半径，第二半开口凹槽的底部宽度大于等于顶部宽度。
所述的第一半开口凹槽与第二半开口凹槽的中轴线在同一竖直平面内。
所述的电刷包括导电块和与之相连接的导线，其中：所述上电刷中的导电块的形状与第一半开口凹槽相匹配，所述下电刷中的导电块的形状与第二半开口凹槽相匹配。
所述的上导电块顶部设有截面形状与其顶部形状相同的凸台，当上导电块与压边圈装配好时，该凸台将凸出压边圈末端面以保证压边圈压紧待连接板件时上电刷和下电刷均与待连接板件接触良好。
所述的第一半开口凹槽与第二半开口凹槽上均设有限位弹簧片以约束电刷的径向自由度，该限位弹簧片的两个端部均设有圆弧状凸包，所述压边圈及凹模上与限位弹簧片的一端相接触的对应位置设有相对应的圆弧状凹坑实现定位，限位弹簧片的另一端与电刷相接触实现径向限位。
所述的电刷分别独立连接直流电，其中：同一水平面上的两个电刷的直流电极性相反，同一竖直平面上的两个电刷的直流电极性相同。
本发明装置工作时，将半空心铆钉与待连接板件分别放置于压边圈内弹簧珠子定位机构和凹模之上；驱动压边圈将待连接板件压紧，同时在保证同侧电刷极性相同(均为正极或负极)的情况下分别对上电刷及下电刷通以直流电；启动驱动杆向下推动半空心铆钉逐渐压入板件，并顺利刺穿上层板；随着冲铆过程的继续，下层板件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更加容易发生塑性变形，既减小了铆接力，同时还使得板料更易进入空腔并与张开的半空心铆钉腿部形成机械互锁；冲铆完成后，切断直流电，驱动杆与压边圈退回初始工位，电致塑性自冲铆接完成。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用材料的电致塑性效应，通过在自冲铆接过程中对材料施加电流，使得材料更易发生塑性变形，一方面增加了脆性轻质合金材料的延展性，有效避免了铆接裂纹及脆裂的发生；另一方面降低了铆接先进高强钢时的铆接力，解决了铆钉墩粗和因压应力过大而在铆钉腿部出现裂纹的现象，而且由于提高了高强钢的塑性变形能力，使得铆钉与板件更易形成牢固的机械互锁，改善了铆接高强钢时接头的连接质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为电刷结构示意图；
其中：(a)为上电刷，(b)为下电刷。
图3为压边圈与凹模结构示意图1；
其中：(a)为无电刷结构正视图，(b)为无电刷结构侧视图，(c)为无电刷结构A-A面剖视图。
图4为压边圈与凹模结构示意图2；
其中：(a)为含电刷结构正视图，(b)为含电刷结构侧视图，(c)为含电刷结构B-B面剖视图。
图5为限位弹簧片结构示意图。
图6为实施例工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：驱动杆1、压边圈2、若干个弹簧珠子定位机构3、上电刷4、半空心铆钉5、下电刷6以及凹模7，其中：压边圈2、待连接板件8和凹模7依次由上而下设置，驱动杆1套接于压边圈2内，若干个弹簧珠子定位机构3沿径向水平分布于压边圈2内，半空心铆钉5竖直置于压边圈2内并与弹簧珠子定位机构3相接触，驱动杆1、压边圈2、半空心铆钉5和凹模7同轴设置。
所述的驱动杆1为绝缘材料或表面涂有绝缘涂料的高强度钢制成，杆体直径为7.8mm。
所述的压边圈2内径为8.2mm，外径为22mm，距压边圈2下端面8mm处沿周向均匀分布有4个φ2.4的螺纹孔。
所述的压边圈2末端面由外而内设有对称于压边圈2中心线的两个第一半开口凹槽16，该第一半开口凹槽16的闭口端距压边圈2的中心线6.6mm，其平行段截面由压边圈2末端面至第一半开口凹槽16底部为等腰梯形和矩形的组合形状，等腰梯形短边长8.2mm，高1mm，底边长10.2mm，等腰梯形的底边即为矩形的长边，矩形高为1mm。
所述的弹簧珠子定位机构3共4个且分别沿径向以90°等分均布设置于压边圈2内。
所述的弹簧珠子定位机构3与压边圈2为螺纹连接，该定位机构包括：内六角沉孔11、弹簧10和定位珠子9，其中：弹簧10的两端分别与内六角沉孔11和定位珠子9相连接。
所述的定位珠子9为一端呈半球状的圆柱体，柱体直径(半球直径)1.6mm，长度1.2mm。
所述的凹模7主体直径为22mm，其中心设有光滑过度的圆锥形凸起20，凸起20高度为2mm，锥角为96°，过度区半径为1.8mm，凸起20的中心线和半空心铆钉5的中心线一致。
所述的凹模7与压边圈2相类似，在其端面由外而内设有对称于凹模7中心线的两个第二半开口凹槽17，该第二半开口凹槽17的闭口端距凹模7的中心线6.6mm，其平行段截面由凹模7端面至第二半开口凹槽17底部为等腰梯形和矩形的组合形状，等腰梯形短边长11.4mm，高1mm，底边长13.4mm，等腰梯形的底边即为矩形的长边，矩形高为1mm。
所述的两个第一半开口凹槽16与两个第二半开口凹槽17的中轴线在同一平面内。
如图2所示，所述的上电刷4和下电刷6均由导电块和导线14组成，上导电块12与下导电块13的主体形状和尺寸分别与压边圈2的第一半开口凹槽16及凹模7的第二半开口凹槽17相匹配，装配时上电刷4和下电刷6分别通过第一半开口凹槽16和第二半开口凹槽17的开口端插入槽中。
所述的上导电块12顶部设有截面形状与其顶部形状相同的凸台15，凸台15的高度为0.3mm，当上导电块12与压边圈2装配好时，该凸台15将凸出压边圈2末端面以保证压边圈2压紧待连接板件8时上电刷4和下电刷6均与待连接板件8接触良好。
如图3所示，所述的第一半开口凹槽16与第二半开口凹槽17上方各固定两个限位弹簧片18，无电刷时限位弹簧片18水平放置，而如图4所示，当上电刷4与下电刷6分别通过第一半开口凹槽16和第二半开口凹槽17与压边圈2及凹模7装配完成时，将所有8个限位弹簧片18沿中心线竖直放置以约束电刷的径向自由度。
如图5所示，所述的限位弹簧片18为轴对称结构，长度5.6mm，宽度1.6mm，两端为直径1.6mm的半圆形，在其中心点通过螺栓22分别与压边圈2或凹模7实现连接。
所述的限位弹簧片18两端各加工有一个圆弧状凸包21，圆弧半径为0.9mm，凸包直径为1mm，当限位弹簧片18竖直放置时，其中一端的凸包21将分别与压边圈2及凹模7上对应位置的凹坑19相配合实现定位，而另一端的凸包21则迫使限位弹簧片18发生弹性弯曲，以约束电刷的径向自由度。
所述的压边圈2与凹模7均采用高强度绝缘材料制成。
本实施例中的待连接板件8为：铝合金AA6061-T6+高强钢DP780，即铝合金在上，高强钢在下；板件厚度匹配：2mm+1.4mm。
本实施例中的半空心铆钉5采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7.8mm，腿部外径为5.3mm，铆钉长度为7mm，其材质为硼处理中碳钢。
工艺参数：驱动杆1的冲击速度为120mm/min，冲击行程为7mm，上电刷4的通电电流为1800A，下电刷6的通电电流为1200A。
本实施例工作过程如图6(a)～(e)所示，将半空心铆钉5与待连接板件8分别放置于压边圈2内弹簧珠子定位机构3和凹模7之上；驱动压边圈2将待连接板件8压紧，同时在保证同侧电刷极性相同(均为正极或负极)的情况下分别对上电刷4及下电刷6通以直流电；启动驱动杆1向下推动半空心铆钉5逐渐压入板件8，并顺利刺穿上层板；随着冲铆过程的继续，下层板件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更加容易发生塑性变形，既减小了铆接力，同时还使得板料更易进入凹模7空腔并与张开的半空心铆钉5腿部形成机械互锁；冲铆完成后，切断直流电，驱动杆1与压边圈2退回初始工位，电致塑性自冲铆接完成。
实施例2
本实施例中的待连接板件8为：铝合金AA6061-T6+铸铝A356-T6，板件厚度匹配：1mm+3mm。
本实施例中的半空心铆钉5采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7.8mm，腿部外径为5.3mm，铆钉长度为7mm，其材质为硼处理中碳钢。
工艺参数：驱动杆1的冲击速度为100mm/in，冲击行程为7mm，上电刷4的通电电流为1800A，下电刷6的通电电流为2400A。

Claims (10)

1.一种电致塑性自冲铆接装置，包括：驱动杆、压边圈、若干个弹簧珠子定位机构、两组共四个电刷、半空心铆钉和凹模，其特征在于：压边圈、待连接板件和凹模依次由上而下设置，驱动杆套接于压边圈内，若干个弹簧珠子定位机构沿径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置，两个上电刷分别设置于压边圈的底部，两个下电刷相对设置于凹模的顶部。
2.根据权利要求1所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的压边圈的底部相对设有两个径向的第一半开口凹槽，该第一半开口凹槽的长度小于压边圈的半径，第一半开口凹槽的顶部宽度大于等于底部宽度；所述的凹模的顶部相对设有两个径向的第二半开口槽，该第二半开口凹槽的长度小于凹模的半径，第二半开口凹槽的底部宽度大于等于顶部宽度。
3.根据权利要求1所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的弹簧珠子定位机构与压边圈为螺纹连接，该定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠子，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连接。
4.根据权利要求3所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的定位珠子为一端呈半球状的弹头结构。
5.根据权利要求1所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的凹模的中心设有圆锥形或圆柱形结构的凸起，该凸起的中心线和半空心铆钉的中心线一致。
6.根据权利要求5所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的凸起的外形轮廓为光滑过度。
7.根据权利要求2所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的第一半开口凹槽与第二半开口凹槽的中轴线在同一竖直平面内。
8.根据权利要求7所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的第一半开口凹槽与第二半开口凹槽上均设有限位弹簧片以约束电刷的径向自由度，该限位弹簧片的两个端部均设有圆弧状凸包，所述压边圈及凹模上与限位弹簧片的一端相接触的对应位置设有相对应的圆弧状凹坑实现定位，限位弹簧片的另一端与电刷相接触实现径向限位。
9.根据权利要求1所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的电刷包括导电块和与之相连接的导线，其中：所述上电刷中的导电块的形状与第一半开口凹槽相匹配，所述下电刷中的导电块的形状与第二半开口凹槽相匹配。
10.根据权利要求1或9所述的电致塑性自冲铆接装置，其特征是，所述的两个上电刷之间的直流电极性相反且两个下电刷之间的直流电极性也相反，上电刷和下电刷的直流电极性为以下任意一种：
a)上电刷为正极或负极且下电刷不通电；
b)上电刷不通电且下电刷为正极或负极；
c)上电刷和下电刷极性相同。
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