CN103128224A - 用于自冲铆接工艺的具有多侧面型腔的冲模 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于自冲铆接工艺的冲模组件，该冲模组件包含具有轴和多个绕轴排列的侧面的冲模型腔，其中每个侧面都沿包括弦的平侧面延伸，其中该弦连接以轴为中心的圆上的两点。

Description

用于自冲铆接工艺的具有多侧面型腔的冲模

技术领域

本发明的实施例涉及自冲铆接工艺，更具体地，涉及用于自冲铆接工艺中的冲模组件。

背景技术

在批量生产的车辆产品中所使用的部件的接合过程中，需要使用机械紧固件来帮助获得接合处所需的强度和耐久性。车辆产品中所使用的一种机械紧固件是自冲铆钉(SPR)。

本领域中公知自冲铆钉技术的一般原理。为了将自冲铆钉应用在要被接合的工件上，第一工件或板件的一部分被置于冲模组件的支承表面上，以便叠压形成于冲模组件中的冲模型腔。然后将一个或多个附加板件的一部分堆叠在叠压冲模型腔的第一板件的一部分上。板件相对于彼此并相对于冲模组件被固定到位，以避免在铆钉的应用过程中部件的相对运动。冲模型腔还可以包含当足够刺穿第一工件的压力施加在铆钉上时协助迫使铆钉的一部分径向向外伸展或弯折的冲模柱。铆钉还刺穿叠压第一板件的第二板件的表面。在公知的方式中，可以使用现有的SPR工艺接合多达四层的材料。

将铆钉应用在要被接合的工件上的过程中，产生了称为SPR“圆顶(button)”的特征。这种SPR圆顶以沿着第二板件的与被铆钉刺穿的一侧相对一侧的的表面中突出的形式存在。在SPR接合过程中遇到的挑战之一是在接合处的“圆顶”侧的裂纹聚集(nucleation)和扩展，其在SPR操作的过程中沿着由冲模型腔的底面和壁形成的圆顶的拐角形成。这些裂纹的存在和大小会影响接合处的质量以及SPR技术作为紧固选择的可行性。

因此，需要提供一种减少或最小化在圆顶的形成过程中沿着SPR圆顶的铆钉材料中的裂纹形成的冲模几何结构。

发明内容

在本发明的实施例的一方面，用于自冲铆接工艺的冲模组件包括具有轴和多个绕轴排列的侧面的冲模型腔。冲模型腔的每个侧面都沿包括弦的平面延伸，其中弦连接以轴为中心的圆上的两点。

在本发明的实施例的另一方面，用于自冲铆接工艺的冲模组件包括在冲模组件中形成的冲模型腔。型腔的周界由多个侧面和多条圆角半径形成。冲模型腔的每个侧面的每个末端都与由圆角半径在相邻侧面的末端连接至型腔的相邻侧面。

在本发明的实施例的另一方面，用于自冲铆接工艺的冲模组件包括支承表面和在支承表面中形成的冲模型腔。该冲模型腔包括型腔底面和穿过型腔底面的中心轴。多个型腔侧面在型腔底面与支承表面之间延伸。至少一个侧面在自底面向支承表面的方向上倾斜远离轴。

在本发明的实施例的另一方面，用于自冲铆接工艺的冲模组件包括六个壁部分，每个壁部分的每个末端都在相邻壁部分的末端上连接至相邻壁部分。

附图说明

在说明本发明的实施例的附图中：

图1是可与根据本发明一实施例的冲模组件一起使用的用于接合一对堆叠板件的部分的自冲铆钉的截面图。

图2是根据本发明的一个实施例的多侧面冲模组件的一部分的透视图。

图3是图2中所示的多侧面冲模组件的一部分的截面图。

图4是图2中所示的冲模组件的一部分的俯视图，其示出了沿着冲模型腔的周界的冲模型腔侧面或壁部分。

图5是根据本发明的另一实施例的多侧面冲模组件的一部分的俯视图。

图6-9表示将自冲铆钉应用在一对板件上以接合板件的操作顺序。

图10是根据本发明的另一实施例的多侧面冲模组件的一部分的俯视图。

图11是根据本发明的另一实施例的多侧面冲模组件的一部分的透视图。

具体实施方式

出于说明性目的，这里所述的示例性实施例给出具体细节并且服从结构和设计中的多种变化。应当理解，这里所使用的措辞和术语是出于说明的目的而不应视为对本发明的限制。

术语“一(a和an)”在这里不表示对数量的限制，而是表示至少一个引用项的存在。而且，这里所使用的术语“包括(including)”、“包含(comprising)”以及它们的变化表示涵盖其后面所列出的项及其等同物并且允许存在附加项。进一步地，术语“第一(first)”、“第二(second)”和“第三(third)”等的使用在这里不表示它们所指的项的任何顺序、数量或相对重要性，而是用于区别各元件。

除非另外限定，术语如“配置(configured)”、“置于(disposed)”、“放置(placed)”、“耦接至(coupled to)”及其变化在这里广泛地使用并涵盖直接和间接的连接、耦接和接合。此外，术语“连接(attached)”和“耦接(coupled)”及其变化不限于物理或机械的连接或耦接。

除非另外注明，出现在本发明的不同实施例的附图中相似的附图标记表示相似的元件。例如，图3中的附图标记59表示图3中所示的冲模型腔52的侧面或壁部分，而图5中的附图标记59’表示图5中所示的冲模型腔52’的侧面或壁部分。

图1-9表示可用在自冲铆接操作中的用于将一对堆叠的板件固定在一起的示例性自冲铆钉20和冲模组件50的一个实施例。这里所述的自冲铆钉和冲模结构可以用在目前使用铆钉的任何应用中，如将板件和隔板固定在一起。如这里所使用的，“板件(panel)”表示任何板，板件或金属板具有适合于允许如这里所述用铆钉刺穿板件或板件的表面的厚度。

本发明的实施例的自冲铆钉和相关的冲模组件适合大量生产应用，包括汽车应用。这里所公开的自冲铆钉和冲模组件的实施例适合于安装并使用在传统冲压机中，如由汽车工业使用以接合金属板件，包括车身板件和结构部件。在这种应用中，冲压机在每次冲压过程中应用一个或多个自冲铆钉。

图1示出了公知结构的自冲铆钉20的实例。在图1中所示的实施例中，铆钉20包括头部部分22和从头部部分伸出的主体部分24。主体部分24至少部分中空并包括与头部部分22隔开距离d的底面24a，以及围绕底面24a的环形壁24b。底面24a和壁24b结合形成型腔24c。在图1中所示的实施例中，底面24a是凹面的。

当壁末端24d通过在铆钉20上施加冲压力被迫与工件接触时，壁24b的末端24d形成切割或刺穿表面，该表面配置成以本领域公知的方式刺穿板件或工件。如果需要，与壁末端24d相邻的壁24b的内部部分可以如图1中所示被斜切。类似地，如果需要，与壁末端24d相邻的壁24b的外部部分也可以被斜切。如在本领域中所公知的，自冲铆钉20可以由钢或任何其他适当的材料制成，并且可以被热处理以获得表面硬度、延展性等。

图2-4表示根据本发明的一个实施例的冲模组件50的各种视图。冲模组件50包括支承表面51和在支承表面中形成的冲模型腔52。支承表面51支承通过铆接操作接合的工件100和102的一部分(图3)。型腔52包括围绕中心冲模柱58的环形底面或冲模表面56。冲模型腔52的中心轴X穿过中心柱58和底面56延伸。如果需要，冲模组件可以包括允许在铆接操作过程中本来被留在第二板件102与冲模型腔底面56之间的空气流出的放气口(未示出)，如下文所述。冲模柱的外表面64向底面56径向向外延伸至型腔形成锥形。而且，在图2-3中所示的实施例中，表面64平滑地融入冲模型腔底面56。

在一个特定的实施例中，冲模柱外表面64与轴X形成9.5度至30.5度范围的角度J。在另一特定的实施例中，冲模柱从冲模型腔中删除。在此实施例中，铆钉壁24b的形变由壁对冲模表面56的压力产生。

在特定实施例中，根据本发明的多侧面或多边冲模型腔52具有多个在冲模表面56与支承表面51之间延伸的壁部分或侧面59。壁部分59在制造公差范围内是平直的。

在一特定实施例中，从由支承表面51所定义的平面至由冲模表面56所定义的平面沿着平行于轴x延伸的平面所测量的冲模型腔的深度在1.95mm至3.30mm的范围内。

参考图4，在一特定实施例中，当在支承表面51测量时，冲模型腔的相对的直侧面之间的跨度S在6.95mm至12.05mm的范围内。

参考图4，在特定实施例中，对于给定数量的侧面，沿冲模型腔周界的侧面59的排列是通过在冲模组件上形成具有中心C和半径R的圆C’，并从中心C向外延伸出多条角度上等间隔的直线200以与圆在交点P2上相交来定义。从中心C延伸出的直线200的数量等于型腔52的周界所需要的侧面59的数量。这样每个侧面59沿包括圆C’的弦C2的平面延伸，其中弦连接相邻的交点P2。如这里所使用的，术语“弦”定义为连接曲线上的两点的单直线段。在图4中，曲线为圆C’。图4中的特定实施例说明了具有相等长度的面的六面或六边形冲模型腔的布局。

在这些实施例中，冲模型腔的中心轴X穿过圆心C延伸。因此，轴X与相邻弦C2相交的每个点P2隔开相等距离R，如图4中所示。此外，如图5中所示，面向冲模型腔的等角θ在相邻弦C2之间形成。

在图4所示的视图中，以及在图3所示的实施例中，侧面59延伸所沿的平面平行于轴X并且在由支承表面51定义的平面与由底面56定义的平面之间延伸。而且，在此实施例中，可以看到，连接中心轴X与侧面59上最接近轴的点的直线L1在该点垂直于侧面59。

在一特定实施例中，侧面59延伸所沿的平面垂直于由支承表面51定义的平面，并且也垂直于由型腔底面56定义的平面。

参考图10，在另一实施例中，侧面59中的至少面延伸所沿的平面与轴X在自支承表面51向底面56的方向上向内成角度。壁59的这种倾斜有助于从冲模组件50中拔出SPR圆顶。型腔壁或侧面59自支承表面51向底面56的倾斜还可以用于减小自轴X至居于或接近冲模型腔的底面的壁部分的径向距离(相对于自轴X至支承表面51部分的距离)，从而在圆顶形成过程中减小型腔内SPR圆顶的径向形变或“伸展”。可以相信，这有助于避免或减少出现微裂纹。

上文所述的过程可以用于提供具有任何所需数量的相等长度的型腔侧面的冲模型腔(考虑关于侧面的长度的制造公差)。

此外，圆角半径r在每个相邻壁部分59的相交处形成，并且沿冲模表面56与支承表面51之间的每个壁部分相交处延伸。在一个实施例中，每个半径r都具有0.25mm-1.0mm范围的值。在一个特定实施例中，半径r具有0.75mm至3.25mm范围的值。

在一个实施例中，侧面59具有包含形成于每两个相邻面之间并面向冲模型腔的等角θ(同样，在制造公差的范围内)的相等长度。

在一个实施例中，如图2-4中所示，型腔52的周界为六边形或六角形的形状。在图2-4中所示的六角形的特定实施例中，侧面59具有相等长度，每两个相邻面之间形成120°等角。

图5示出了根据本发明另一实施例的冲模组件50”。在此实施例中，冲模型腔52”的周界为八边形或八角形的形状。在图5中所示的八角形的特定实施例中，侧面59’具有相等长度，每两个相邻面之间形成θ=135°的等角。在此实施例中，支承表面51”、冲模柱58”以及型腔底面56”如前文所述构建。

参考图11，在另一特定实施例850中，冲模型腔具有十二个直侧面。

在可选实施例中，根据特定工艺的要求，冲模型腔52可以具有较大数量的直面或较少数量的直侧面，而不是六或八个直侧面。因此，虽然上述实例描述了六角形和八角形冲模型腔，但是根据本发明一实施例的型腔可以具有任何需要数量的实质上等长的侧面，这取决于要被接合的材料的性质和厚度、要被接合的板的数量以及其他相关因素。在特定实施例中，具有三至二十的任何数量的侧面的型腔都是可以考虑的。

此外，半径r2形成于冲模表面56与每个壁部分59之间的相交处。在一个实施例中，每个半径都具有0.25mm至1.0mm范围的值。在一个特定实施例中，半径r2具有0.75mm至3.25mm范围的值。

参考图10，在另一特定实施例中，冲模组件50’包括支承表面51’和在支承表面中形成的冲模型腔52’。冲模型腔52’包括型腔底面56’和穿过型腔底面延伸的中心轴X’。多个型腔壁部分或侧面59’在型腔底面56’与支承表面51’之间延伸。接近支承表面51’的至少一个侧面59’的一部分与轴X隔开第一距离d1。接近底面56’的至少一个侧面59’的一部分与轴X隔开第二距离d2。在此实施例中，第一距离d1大于第二距离d2。因此，在此实施例中，一个或多个侧面59’在自底面56’向支承表面51’的方向上相对向外倾斜(即远离轴X)。壁59’的这种倾斜有助于SPR圆顶从冲模组件50’中拔出。

在一特定实施例中，型腔所有的侧面59’都如上文所述向外倾斜。

在图10所示的实施例中，一个或多个侧面59’是倾斜的，使得由该侧面定义的平面与平行于轴x延伸的平面K沿着由该侧面平面与支承表面51’的相交处所定义的直线形成角Q。在一特定实施例中，角Q具有0度至15.5度范围的值。

这里所述的冲模组件的任何实施例都可以由钢或任何其他适合的材料制成。

图6-9是根据本发明的一个实施例说明使用自冲铆钉和互补冲模组件接合一对堆叠的板件100和102的部分的装配顺序的透视图。在自冲铆钉20由模压机应用时，铆钉可以被供应给连接至模压机的一个压板的安装头(未示出)。该安装头可以包括具有孔或型腔(未示出)的冲压器42，其容纳铆钉的头部部分22。冲压器包括向铆钉头部部分敲击的敲击表面46。冲模组件50可以连接至对面的冲模压板(未示出)，型腔52与冲压机42同轴排列。

图6示出了与第一板件或工件100接触之前的铆钉20。参考图1-4和6-9，在操作中，铆钉主体部分24与冲模型腔52的冲模柱58同轴对齐地被敲进第一板件100。在实际操作中，板件100和102可以被牢牢夹紧以避免板件相对于彼此移动并避免板件102相对于支承表面51移动。

图7示出了正在被敲进第一板件100的铆钉。在主体部分24被敲进板件时，刺穿表面沿环形壁24b变形，接着刺穿第一板件100的表面。壁24b还迫使第二板件102的未支承部分进入冲模型腔52并与冲模柱58的接合。

参考图8，当未支承的第二板件部分接触冲模柱58时，避免了第二板件的进一步弯折，并且居于冲模型腔内的第二板件的部分现在被支承。因此，壁24b接合第二板件102的支承部分时，铆钉在箭头“A”的方向上的进一步的移动引起铆钉壁24b径向向外弯折。如图8中所示，铆钉壁24b持续的向下弯折和径向伸展产生了未由冲模柱58支承的第二板件的部分相应沿着冲模型腔52的底面向下并径向向外的弯折。此动作产生了“冲模圆顶”或SPR圆顶150，其被定义为第二板件的表面中沿与铆钉所应用的一侧相对的第二板件的一侧的突出。

铆钉设计、冲模组件设计以及工艺参数被指定，以便在冲模圆顶的形成过程中铆钉壁部分24b不完全刺穿第二板件102的厚度。弯入冲模型腔52的第二板件的部分径向扩展，直到它紧靠型腔壁部分59。图9示出了撤回冲压机42之后完成的铆接接合。

可以相信，铆钉中的裂纹聚集通常与存在于制成铆钉的高强度合金(包括铝基材料)中的缺乏延展性有关。可以相信，在SPR圆顶中所观察到的裂纹在给定材料中达到临界应力或累积应变之后聚集并扩展。在自冲铆接工艺过程中，SPR圆顶在冲模型腔内的形成过程中，材料被移动并受到明显的多轴应力和张力的作用。通常，如果裂纹在SPR圆顶中产生，则沿着圆顶边缘和表面可以观察到裂纹。可以相信，铆钉材料中最大的累积张力沿圆顶与冲模型腔的中心轴最远距离的表面出现，这是由于所需明显材料位移以及对容纳变形铆钉的体积的冲模型腔的需要。

已经发现，冲模型腔的几何结构可以在SPR圆顶的形成过程中控制铆钉材料的位移中发挥重要的作用。可以相信，在如上文所述用具有半径R的圆C’定义的多侧面冲模型腔52中形成的SPR圆顶要比在具有半径C’的圆形冲模型腔中形成的SPR经历较少的裂纹形成。直壁部分59避免第二板件102的材料统一径向向外变形。因此，SPR圆顶的外边界采取多侧面冲模型腔52的形状，而不是变形为具有圆C’的统一半径R的圆形结构。因此，可以相信，使用直壁部分59限定或限制SPR圆顶材料的变形有助于减轻裂纹形成和裂纹沿SPR圆顶150的外表面扩展。

还可以看到，由于形成冲模型腔52的侧面的直壁部分的数量增加，型腔52的底面56的面积增加，更加接近具有半径R的圆形型腔所具有的底面面积。此底面面积的增加允许形成冲模圆顶的材料相对较大的径向伸展。因此，在自冲铆钉应用中，由铆钉接合所占据的面积或空间被限定，在消除或减轻在冲模圆顶材料的统一径向伸展过程中本来会发生的裂纹形成的同时，可用于冲模圆顶伸展的冲模型腔底面面积可以在容许的圆形接合面积或圆C’的冲模圆顶面积πR²内最大化。

冲模型腔侧面的数量也可以被指定，以便考虑需要容纳的给定铆钉尺寸的型腔体积，同时在具有给定延展性的铆钉材料的变形过程中依然使累积张力最小化。这种关于冲模型腔尺寸的设计灵活性也有助于消除或减轻裂纹形成。

壁部分59的最优结构可以基于以下因素反复和/或分析地确定，以符合特定应用的要求：如铆钉设计、板件材料和厚度、容许的SPR圆顶面积以及其他相关因素。

应当理解，本发明前面的描述仅仅是出于说明的目的，并且在不背离本发明思想和范围的前提下，这里所公开的各种结构和操作的特征可以做出多种改进。因此，前文的描述并不是为了限制本发明的范围。恰恰相反，本发明的范围只由权利要求及其等同物来确定。

Claims (15)

1.一种用于自冲铆接工艺的冲模组件，其特征在于，该冲模组件包含在冲模组件中形成的冲模型腔，型腔的周界由多个侧面和多条圆角半径形成，每个侧面的每个末端都由圆角半径在相邻侧面的末端连接至相邻侧面。

2.根据权利要求1所述的冲模组件，其特征在于，型腔侧面的数量在3-20个的范围内。

3.根据权利要求2所述的冲模组件，其特征在于，每个侧面都具有长度，并且其中所有侧面的长度都相等。

4.根据权利要求1所述的冲模组件，其特征在于，型腔侧面的数量等于十二。

5.根据权利要求4所述的冲模组件，其特征在于，每个侧面都具有长度，并且其中侧面的长度相等。

6.根据权利要求1所述的冲模组件，其特征在于，每个侧面都是平直的。

7.一种用于自冲铆接工艺的冲模组件，其特征在于，该冲模组件包含：

支承表面；

在支承表面中形成的冲模型腔，该冲模型腔包括底面和穿过底面的中心轴；

多个在底面与支承表面之间延伸的侧面，

其中至少一个侧面在自底面向支承表面的方向上倾斜远离轴。

8.根据权利要求7所述的冲模组件，其特征在于，型腔侧面的数量在3-20个的范围内。

9.根据权利要求7所述的冲模组件，其特征在于，型腔侧面的数量等于十二。

10.根据权利要求7所述的冲模组件，其特征在于，每个侧面都是平直的。

11.一种用于自冲铆接工艺的冲模组件，其特征在于，该冲模组件包含六个壁部分，每个壁部分的每个末端都在相邻壁部分的末端连接至相邻壁部分。

12.根据权利要求11所述的冲模组件，其特征在于，壁部分是直壁部分。

13.根据权利要求7所述的冲模组件，其特征在于，自支承表面所定义的平面至型腔底面所定义的平面并沿平行于中心轴延伸的平面所测量的距离在1.95mm至3.30mm的范围内。

14.根据权利要求1所述的冲模组件，其特征在于，冲模型腔具有至少五个绕轴排列的侧面。

15.根据权利要求1所述的冲模组件，其特征在于，侧面的数量等于六。

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