CN102653047A - 一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、连接方法及实现涂胶-铆接的联动机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料连接技术，特别涉及一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、连接方法及实现涂胶-铆接的联动机构。在铆接件的上底板的铆接位置处依次加工一直径为1.0-3.0mm的通孔，然后按照钻孔的相反顺序依次在通孔中注入粘接有效量的胶体。本发明通过在无钉铆接（clinch）前对板材铆接部位进行涂胶粘接，可以实现在铆接前完成板材的快速、均匀涂胶，并进一步制备出高质量的无钉铆接（clinch）-粘接接头，提高无钉铆接（clinch）接头的铆接强度，降低铆接接头强度的波动性和可靠性。

Description

一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、连接方法及实现涂胶-铆接的联动机构

技术领域

本发明属于金属材料连接技术，特别涉及一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、连接方法及实现涂胶-铆接的联动机构。

背景技术

汽车工业的迅猛发展造成汽车尾气排放对环境的有害作用越来越严重，如何降低汽车油耗，减少尾气排放是汽车工业必须解决的问题。在各种降低油耗和排放的措施中，汽车轻量化是实现这一目标的主要措施，铝合金、镁合金、高强钢等新材料逐步应用于车身制造中。然而，新型材料特别是轻质铝、镁合金材料的应用，对车身板料的连接技术和工艺提出了更高的要求。在目前汽车车身采用的几种主要连接方法中，铆接工艺虽然简单，抗冲击性能和减震性能好，但结构笨重，工作时噪音大，影响健康；机械连接不受材料限制，但密封性差，接头易产生松动；点焊是目前使用最广泛的汽车车身连接技术，但易于产生变形，接头疲劳强度低，对材料的导电性有一定的要求，对铝、镁等高导电性材料焊接困难。最近，一种新型的板材连接技术—无铆钉连接技术（clinch）逐渐应用于车身生产中，它能克服传统板材连接技术在连接轻金属合金材料、不同质板材以及涂有保护层板材时存在的不足，是一项在车身制造中具有广泛应用前景的新型机械连接技术。该工艺通过圆形凸模和凹模，在专用的压力装置上进行一个冲压过程，凸模将被连接的板件挤压进凹模，通过板件之间的互锁实现机械连接。与传统的板料连接技术相比，无钉铆接连接技术不需要对板材预钻孔、不需要铆钉，可以实现同质和异质材料的两层和多层连接；不破坏母材的表面涂层，可单点或多点同时连接，能够实现自动控制；生产率高，成本低。然而，该项技术制备的接头强度不稳定，波动范围大，受材料因素（材料性能、板料表面状态）、工艺参数（冲压力、冲压速度、冲压圆点尺寸）以及模具结构参数（磨损、损坏程度）等多种因素的影响；接头质量检测手段单一，目前主要采用测量接头的底板残余底厚或铆接点的直径来评判铆接接头的强度是否满足要求。生产过程中由于模具坏损等原因，可能产生铆接接头底厚或铆接点直径测量满足要求，但实际接头强度大大降低的现象，严重影响车身制造质量。

粘接是汽车工业经常使用的另一种材料连接方法，接头具有高的剪切强度、疲劳强度、耐蚀性能和减震性能。如果无钉铆接（clinch）技术与粘接技术复合制备无钉铆接（clinch）-粘接复合接头，不但可以增加无钉铆接（clinch）接头的接头强度，而且可以增加接头强度的稳定性。然而，目前的铆接-粘接接头的粘接、铆接分两步进行，常用的涂胶方法为首先在铆接前对铆接部位整体涂胶，然后进入铆接位置进行铆接。涂胶周期长，用胶量大，而且容易造成涂胶不均匀，如何在铆接前完成板材的快速、均匀涂胶，是无钉铆接（clinch）-粘接接头必须解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶方法和连接方法，不仅保证铆接接头涂胶的均匀性和可靠性，还能进一步获得高质量的无钉铆接（clinch）-粘接接头，提高无钉铆接（clinch）接头的铆接强度，降低铆接接头强度的波动性。

本发明采用的技术方案如下：

一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶方法，首先在铆接件的上底板的铆接位置处依次加工一直径为1.0-3.0mm的通孔，然后按照钻孔的相反顺序依次在通孔中注入粘接有效量的胶体。

具体的，通孔的直径取决于铆接板材厚度。

通孔中注入胶体的量取决于板材的厚度和通孔的直径，较好的，通孔中注入胶体的量为通孔容积的6-10倍。

将上述完成原位涂胶的铆接件进行无钉铆接，完成铆接后进行胶体固化实现接头的连接。

固化工艺参数取决于所选用的粘接剂成分，可以采用粘接剂供应商推荐固化工艺参数，也可采用用户自己优化的工艺参数。

本发明还进一步提供了一种实现上述金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、铆接的联动机构，包括台架，台架上方的机架上通过旋转机构设有可换位的钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备，所述的钻孔-涂胶联动机构包括钻孔机构、预压头和涂胶机构；钻孔机构包括钻头、钻头夹具、锥形导套和钻头升降机构，钻头夹具与钻头升降机构连接，钻头夹具上套设有倒圆锥形的锥形导套；预压头设置在钻孔机构下方且设有预压头竖向驱动机构，预压头底部设有铆接板材吸附装置和涂胶器通道槽，钻头下端穿过预压头和铆接板材吸附装置且能竖向移动；涂胶机构包括涂胶器和涂胶器定位杆，涂胶器定位杆一端与钻孔机构的锥形导套表面滑动配合，涂胶器定位杆另一端与涂胶器连接。

涂胶器定位杆为包括横杆和竖杆的T字型结构，竖杆的下端与涂胶器通过涂胶器连接装置连接，横杆的一端与钻孔机构的锥形导套滑动配合，横杆的另一端与机架之间弹性连接。

预压头包括呈正锥形的预压头椎体部分和下部对接的预压头柱体部分，涂胶器连接装置的一端与预压头的预压头椎体部分和预压头柱体部分滑动配合，涂胶器连接装置的另一端与涂胶器定位杆的竖杆的下端弹性连接，涂胶器连接装置的中部通过涂胶器连接杆与涂胶器连接。

旋转机构为旋转臂，旋转臂中部与机架通过旋转轴连接，钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备分别设置在旋转臂的两端。

进一步，所述联动机构还包括中控系统，钻孔机构、预压头、无钉铆接设备、旋转机构均与中控系统电连接。

预压头包括预压头本体和缓冲装置，缓冲装置包括设置在预压头本体顶部的预压头座，预压头座与钻头卡具下端面联动配合，压头座和预压头本体之间为弹性连接。

铆接板材吸附装置由上至下依次包括电磁吸盘和真空吸盘。

钻孔机构的锥形导套和预压头椎体部分沿锥形母线方向均设有导向槽，涂胶器定位杆和涂胶器连接装置上分别设置与导向槽配合的滑轮。

涂胶器的出胶口靠近钻头竖向投影位置设置。

采用所述联动机构可将钻孔-涂胶-铆接过程联动配合，涂胶周期短、用胶量少、均匀、快速，便于增加无钉铆接接头的接头强度，而且增加接头强度的稳定性。

采用上述联动机构进行金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、连接时，可参照如下步骤进行：

1）放料：放置板材前首先使台架下降少许，然后放置待铆接板材在钻床台架上，再抬升台架至钻孔位置；

2）预压板材：预压头下降，接触板材后施加一定的压力，预压头中的压缩弹簧驱动电磁吸盘压紧铆接上底板防止钻孔时的移动；压紧板材后预压头通电使板材牢固吸附于预压头上；

3）钻孔：钻头下降至接触上底板后，在上底板加工一1.0-3.0mm通孔；

4）涂胶：钻孔结束并清扫钻硝后，钻头退回原始位置。如果采用独立运动的涂胶器，程控机控制涂胶器定位于钻孔位置；如果采用机械联动机构，涂胶器定位杆中的压缩弹簧推动涂胶装置器沿钻头夹具中的滑槽移动准确进入涂胶位置。涂胶器定位后，程控机控制同时预压头后退一定距离并带动上底板脱离于下底板的接触，使上、下底板间具有一缝隙，然后启动压缩空气从盛胶器中向孔中和两板间注入一定量的粘接剂；

5）预压头复位：涂胶结束后，程控机控制预压头上升复位，和预压头中的滑槽推动涂胶装置退回原始位置复位；

6）重复以上步骤1）-5）过程，开始第二个位置的钻孔-涂胶过程，直至完成所有铆接位置的涂胶。

在钻孔-涂胶联动机构中，钻床、预压头和涂胶器可以各自作为一个独立的运动机构，在预设控制程序控制下自动完成上述步骤1）-6）的所有操作。

以上钻孔-涂胶的原位涂胶工艺可以采用但不限于上述钻孔-涂胶联动机构，也可以采用独立的钻孔、涂胶机构，如工控机等，配合完成整个钻孔、涂胶过程。

完成涂胶后具体的连接工艺为：

铆接：钻孔-涂胶联动机构与无钉铆接设备换位，铆接设备进入铆接工位。铆接过程中，上、下底板在冲头挤压下发生变形，一方面可以形成楔形接头实现上、下底板互锁，另一方面上底板的胶体在冲头挤压下进入上、下底板间，在接头中心部位形成粘接。

固化：铆接后的粘-铆接头进入连续固化炉进行固化处理，使上、下底板间的胶体固化，形成板材的高强度粘接-铆接复合连接。

本发明针对无钉铆接（clinch）接头存在的接头强度低、波动大，接头强度难于保证的缺陷，在板材进行无钉铆接（clinch）前，通过板材的钻孔-涂胶联动系统，在板材进行无钉铆接(clinch)前，在铆接位置的板材间涂覆一定量的胶体，实现板材铆接位置的定点涂胶，保证铆接接头涂胶的均匀性和可靠性。由于无钉铆接（clinch）连接时，上、下底板密封，在铆接前对板材间涂覆胶体非常困难，必须在铆接前在板材的铆接部位分别整体涂胶。本发明利用无钉铆接(clinch)接头所具有的下底板完整、密封性好的特点,在接头铆接部位的上底板加工一合适尺寸（直径1.0-3.0mm）的小孔。通过小孔向接头的上、下底板间注入一定量的胶体。在板材冲铆过程中，上底板上加工的小孔中注入的胶体在铆接机构冲头冲压力作用下将随上、下底板变形。由于接头的下底板在铆接过程中虽然会产生变形但一直保持完整，而加工小孔中注入的胶体在铆接过程中密闭在冲头与下底板之间。由于胶体的不可压缩性，在接头冲铆过程中胶体将在上、下底板的冲压变形过程中挤压入上、下底板之间，从而在上、下底板间的铆接部位周围涂覆一层胶体，实现板材的粘接-铆接复合连接。

     与传统的粘接-铆接复合接头涂胶方式相比，本发明采用钻孔-涂胶方式简化了粘铆复合接头的涂胶工艺，实现了板材铆接位置的原位定点涂胶，可以单工位完成板材的涂胶与无钉铆接（clinch）两道工序，涂胶速度快，涂胶量可控而且均匀。所制备的无钉铆接（clinch）-粘接复合接头的接头强度高，波动性低，质量可靠，可以避免无钉铆接（clinch）接头铆接质量（接头残余底厚或铆接点的直径）满足质量标准但实际接头强度不合格的现象出现；而且由于接头部位的板材间存在部分胶体，增加了粘铆接头的耐蚀性能。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明通过在无钉铆接（clinch）前对板材铆接部位进行涂胶粘接，可以实现在铆接前完成板材的快速、均匀涂胶，并进一步制备出高质量的无钉铆接（clinch）-粘接接头，提高无钉铆接（clinch）接头的铆接强度，降低铆接接头强度的波动性。

附图说明

图1为本发明所用的钻孔-涂胶－铆接联动机构结构示意图；

图2为钻孔-涂胶联动机构的结构示意图；

图3为粘接－铆接接头样品的结构示意图；

图4为粘接－铆接接头微观形貌；

图5为粘接－铆接接头断口；

图6为粘接－铆接接头强度。

具体实施方式

   以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

采用的设备以及设备使用方法如下：

如图1、图2所示，一种钻孔-涂胶-铆接联动机构，包括台架5，台架5上方的机架27上通过旋转机构设有可换位的钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备3，旋转机构为旋转臂28，旋转臂28中部与机架27通过旋转轴连接，钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备3分别设置在旋转臂28的两端。所述的钻孔-涂胶联动机构包括钻孔机构1、预压头2和涂胶机构4；钻孔机构1包括锥形导套7、钻头夹具8、钻头9和钻头升降机构，钻头夹具8与钻头升降机构连接，钻头夹具8上套设有倒圆锥形的锥形导套7。

预压头2设置在钻孔机构1下方且设有预压头竖向驱动机构，预压头2底部设有铆接板材吸附装置和涂胶器通道槽，钻头9下端穿过预压头2和铆接板材吸附装置且能竖向移动，铆接板材吸附装置由上至下依次包括电磁吸盘11和真空吸盘12。预压头2包括预压头本体10和缓冲装置，缓冲装置包括设置在预压头本体10顶部的预压头座25，预压头座25与钻头卡具8下端面联动配合，预压头座25和预压头本体10之间通过压缩弹簧26弹性连接，机架27上设有竖向的预压头导柱，预压头2穿设在预压头导柱上，保证预压头2沿竖向移动。

涂胶机构4包括涂胶器定位杆13和涂胶器15，涂胶器15的出胶口靠近钻头9竖向投影位置设置。预压头2的预压头本体10包括呈正锥形的预压头椎体部分和下部对接的预压头柱体部分，涂胶器连接装置14的一端与预压头的预压头椎体部分和预压头柱体部分滑动配合，涂胶器连接装置14的另一端与涂胶器定位杆13的竖杆的下端通过压缩弹簧19弹性连接，涂胶器连接装置14的中部通过涂胶器连接杆29与涂胶器15连接。涂胶器定位杆13为包括横杆和竖杆的T字型结构，竖杆的下端与涂胶器15通过涂胶器连接装置29连接，横杆的一端与钻孔机构1的锥形导套滑动配合，横杆的另一端与机架27之间通过压缩弹簧17弹性连接。钻孔机构1的锥形导套7和预压头椎体部分沿锥形母线方向均设有导向槽，涂胶器定位杆13和涂胶器连接装置14上分别设置与导向槽配合的滑轮16、18。

本发明还包括中控系统，钻孔机构1、预压头2、无钉铆接设备3、旋转机构均与中控系统电连接。

具体实施时：

1）钻孔机构1：钻头升降机构上附加一带有导向槽的锥形导套与涂胶器连接，锥形导套可随钻头上、下移动但不随钻头旋转；锥形导套的锥度和导向槽深度要根据连接接头的上底板的厚度调节，以保证涂胶器精确定位。

2）预压头2：钻孔-涂胶联动机构的预压头采用独立的升降装置控制预压头的升降和压力。预压头具有两种目的：（1）固定板材防止钻孔时板材错位；（2）涂胶时保证上、下板间具有一定间隙，保证板材预钻孔中的涂胶均匀。因此，采用复合预压头以适应于不同类型的板材连接，预压头由三部分组成：

缓冲装置：主要采用内置压缩弹簧26用于缓冲钻孔时板材的振动；

电磁吸盘11：类似于磨床的电磁吸盘，内置有励磁线圈24，用于磁性材料的板材的复合连接。吸盘下部加工有与涂胶器尺寸相当的沟槽，用于涂胶器的进出；

真空吸盘12：用于非磁性材料的板材的复合连接。真空吸盘由两部分组成，分别置于电磁吸盘上涂胶器进出沟槽的两侧。

如果连接板材为磁性材料如钢板，可以单独采用电磁吸盘。如果连接非磁性板材如铝板，可以在磁性吸盘上固定真空吸盘。真空吸盘可以采用钢铁材料，需要时吸附于电磁吸盘上；也可以采用轻质有色金属如铝合金，需要时机械连接于电磁吸盘上。

3）涂胶机构4：涂胶机构由涂胶器定位杆和涂胶器两部分组成。涂胶器通过两个导向杆与预压头和钻孔机构的锥形导套相连，并与钻孔机构的锥形导套和预压头联动控制涂胶器的进退。

工作步骤具体如下： 

1）放料：放置板材前首先使台架5下降少许，然后放置待铆接板材6在台架5上，再抬升台架5至钻孔位置；

2）预压板材：预压头2下降，接触板材6后施加一定的压力，预压头2中的压缩弹簧26驱动电磁吸盘11压紧上底板22防止钻孔时的移动；压紧板材后预压头2通电使上底板22牢固吸附于预压头2上；

3）钻孔：钻头9下降至接触上底板22后，在上底板加工一1.0-3.0mm通孔；

4）涂胶：钻孔结束并清扫钻硝后，钻头9退回原始位置，压缩弹簧17推动涂胶机构4沿钻头夹具中的滑槽移动准确进入涂胶位置。涂胶器15定位后中控系统控制预压头2后退一定距离并带动上底板22脱离与下底板23的接触，使上、下底板22、23间具有一缝隙，然后启动压缩空气21从盛胶器中向孔中和上、下底板22、23间注入一定量的粘接剂20；

5）预压头2复位：涂胶结束后，中控系统控制预压头2上升复位，预压头2中的导向槽推动涂胶机构4退回原始位置；

6）无钉铆接设备3的铆接：钻孔-涂胶联动机构与无钉铆接设备3换位，无钉铆接设备3进入铆接工位。铆接过程中，上、下底板22、23在冲头挤压下发生变形，一方面可以形成楔形接头实现上、下底板22、23互锁，另一方面上底板22的胶体在冲头挤压下进入上、下底板22、23间，在接头中心部位形成粘接。如图3所示为产品样品的结构示意图。

7）固化：铆接后的粘-铆接头进入连续固化炉进行固化处理，使上、下底板22、23间的胶体固化，形成板材的高强度粘接-铆接复合连接。固化工艺参数取决于所选用的粘接剂成分，可以采用粘接剂供应商推荐固化工艺参数，也可采用用户自己优化的工艺参数。

采用上述设备和方式进行原位涂胶、铆接，铆接板材为美国通用汽车公司提供的0.5mm，0.7mm和1.2mm厚度的低碳钢汽车板材，铆接设备、铆接冲头和铆接模具为苏州托克斯冲压设备有限公司提供的CEB TOX 圆点连接系统、TOXAC58100冲头和TOX B8014 整体凹模。铆接接头分别采用三种板材组合，分别为1.2mm+0.5mm、1.2mm+0.7mm组合和1.2mm+1.2mm组合。试样分为两组，一组为无钉铆接接头，铆接前不进行涂胶，直接采用苏州托克斯冲压设备有限公司提供的铆接系统、冲头和凹模制备，铆接力分别为：1.2mm+0.5mm和1.2mm+0.7mm板材组合40kN，1.2mm+1.2mm 板材组合为44kN。另一组为无钉铆接-粘接接头，根据本发明方法步骤，首先采用本发明设计的钻孔-涂胶联动机构在试样铆接部位钻一直径为3mm的通孔；然后在通孔中注入一定量的Terokal5089-02改进型环氧树脂粘接剂；注入粘接剂后板材组合采用与第一组铆接接头相同的铆接工艺进行铆接。铆接后的无钉铆接-粘接接头在165^oC固化25分钟。接头固化后，部分样品切割分析接头的微观特征，部分接头进行力学性能试验。图4为无钉铆接和无钉铆接-粘接接头的微观特征，可以看出第二组的无钉铆接-粘接接头中上下底板间的机械互锁明显较第一组的无钉铆接头大。图5为无钉铆接和无钉铆接-粘接接头拉伸试验后的断口形貌，可以看出在第二组无钉铆接-粘接的铆接部位周围涂覆一定面积的粘接剂。图6为两组铆接接头的接头强度，可以看出，第二组无钉铆接-粘接接头强度较第一组的无钉铆接接头高1-2倍，数据分散度降低50%，且板材厚度越大，无钉铆接-粘接接头的强度优势越明显。

上述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶方法，其特征在于，首先在铆接件的上底板的铆接位置处依次加工一直径为1.0-3.0mm的通孔，然后按照钻孔的相反顺序依次在通孔中注入粘接有效量的胶体。

2.如权利要求1所述的金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶方法，其特征在于，通孔中注入胶体的量为通孔容积的6-10倍。

3.权利要求1所述的金属材料的无钉铆接-粘接接头的连接方法，其特征在于，将权利要求1所述完成原位涂胶的铆接件进行无钉铆接，完成铆接后进行胶体固化实现接头连接。

4.实现金属材料的无钉铆接-粘接接头的原位涂胶、铆接的联动机构，其特征在于，所述联动机构包括台架，台架上方的机架上通过旋转机构设有可换位的钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备，所述的钻孔-涂胶联动机构包括钻孔机构、预压头和涂胶机构；钻孔机构包括钻头、钻头夹具、锥形导套和钻头升降机构，钻头夹具与钻头升降机构连接，钻头夹具上套设有倒圆锥形的锥形导套；预压头设置在钻孔机构下方且设有预压头竖向驱动机构，预压头底部设有铆接板材吸附装置和涂胶器通道槽，钻头下端穿过预压头和铆接板材吸附装置且能竖向移动；涂胶机构包括涂胶器和涂胶器定位杆，涂胶器定位杆一端与钻孔机构的锥形导套表面滑动配合，涂胶器定位杆另一端与涂胶器连接。

5.如权利要求4所述的联动机构，其特征在于，涂胶器定位杆为包括横杆和竖杆的T字型结构，竖杆的下端与涂胶器通过涂胶器连接装置连接，横杆的一端与钻孔机构的锥形导套滑动配合，横杆的另一端与机架之间弹性连接。

6.如权利要求5所述的联动机构，其特征在于，预压头包括呈正锥形的预压头椎体部分和下部对接的预压头柱体部分，涂胶器连接装置的一端与预压头的预压头椎体部分和预压头柱体部分滑动配合，涂胶器连接装置的另一端与涂胶器定位杆的竖杆的下端弹性连接，涂胶器连接装置的中部通过涂胶器连接杆与涂胶器连接。

7.如权利要求4-6任一条所述的联动机构，其特征在于，旋转机构为旋转臂，旋转臂中部与机架通过旋转轴连接，钻孔-涂胶联动机构和无钉铆接设备分别设置在旋转臂的两端。

8.如权利要求7所述的联动机构，其特征在于，还包括中控系统，钻孔机构、预压头、无钉铆接设备、旋转机构均与中控系统电连接。

9.如权利要求7所述的联动机构，其特征在于，预压头包括预压头本体和缓冲装置，缓冲装置包括设置在预压头本体顶部的预压头座，预压头座与钻头卡具下端面联动配合，压头座和预压头本体之间为弹性连接。

10.如权利要求9所述的联动机构，其特征在于，铆接板材吸附装置由上至下依次包括电磁吸盘和真空吸盘；钻孔机构的锥形导套和预压头椎体部分沿锥形母线方向均设有导向槽，涂胶器定位杆和涂胶器连接装置上分别设置与导向槽配合的滑轮；涂胶器的出胶口靠近钻头竖向投影位置设置。

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