CN104815941A - 一种约束感应加热电磁铆接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种约束感应加热电磁铆接装置，包括用以快速加热铆钉待成形钉头的约束感应加热器，所述约束感应加热器包含与高频电流发生电源相连接的感应加热线圈，所述感应加热线圈上环向设置有若干用以约束磁场的铁氧体，所述约束感应加热器还包含设置在感应加热线圈、铁氧体外侧的用以屏蔽泄露磁场的硅钢片，所述约束感应加热器套设在电磁铆枪的放大器末端并经支撑架与电磁铆枪外壳固定连接，所述放大器相对约束感应加热器运动以成形加热后的铆钉待成形钉头；本发明还涉及一种约束感应加热电磁铆接方法。本发明经约束磁场快速加热铆钉同时不损伤复合材料板，约束感应加热器与电磁铆枪合理结合，成形效率高，工艺简单，适用于开敞性差的结构。

Description

一种约束感应加热电磁铆接装置及方法

技术领域

本发明涉及一种约束感应加热电磁铆接装置及方法。

背景技术

铆钉连接作为一种常用的机械连接方式广泛地应用在各个领域。目前航天航空产品朝着大型化和轻量化方向发展，越来越多采用复合材料结构和高强度大直径铆钉。

传统铆接方法包括：气铆、压铆和热铆等。气铆成形力小，压铆受结构开敞性的限制，热铆容易对复合材料造成损伤。中国发明专利公开号CN1887475A，包括管形骨架、加热线圈、铆钉固定夹、弹簧、磁条、气动铆枪、成形镦头和连接电缆；采用电磁感应加热配合气动铆接的成形方式来成形难成形铆钉，由加热线圈产生振荡变化的磁场，在铆钉中产生感应涡流进而发热，到达一定温度时，再将铆钉推入铆钉孔进行铆接，存在一定问题。首先，由于采用气动铆接其成形力有限，即便使用感应加热降低材料屈服极限还是难以成形直径较大的铆钉；其次，先加热在推入铆钉的受限于铆钉的形状，推入端不能为有镦头铆钉；再次，感应加热线圈加热的是整个铆钉，当铆接板为复合材料时，铆钉的导热作用会损伤复合材料。

而新出现的电磁铆接技术，基于电磁感应产生涡流排斥力能一次成形铆钉，虽然在成形力和铆钉干涉量上存在优势，但铆接力相对于以液压驱动的设备来说还是较小，在成形难成形、塑性较差的材料时，也同样会发生铆钉钉头开裂及铆接力不足的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、使用便捷高效的约束感应加热电磁铆接装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种约束感应加热电磁铆接装置，包括用以快速加热铆钉待成形钉头的约束感应加热器，所述约束感应加热器包含与高频电流发生电源相连接的感应加热线圈，所述感应加热线圈上环向设置有若干用以约束磁场的铁氧体，所述约束感应加热器还包含设置在感应加热线圈、铁氧体外侧的用以屏蔽泄露磁场的硅钢片，所述约束感应加热器套设在电磁铆枪的放大器末端并经支撑架与电磁铆枪外壳固定连接，所述放大器相对约束感应加热器运动以成形加热后的铆钉待成形钉头。

进一步的，所述支撑架包含卡固在感应加热线圈的两引脚上的支撑板，还包含套设在感应加热器的感应加热外壳上的固定圈，以及环向间隔布置在所述固定圈上多个支撑脚，所述支撑板、感应加热外壳、固定圈、支撑脚分别经螺丝螺母组件固定在一起。

进一步的，所述感应加热线圈呈环状，由单匝空心紫铜管弯折而成，所述两引脚末端设置有引脚固定板，两引脚固定板与高频电流发生电源相连接，且所述两引脚固定板上分别开设有冷却水入口、冷却水出口，所述冷却水入口、冷却水出口、感应加热线圈内腔相连接以及外接冷却水装置形成循环冷却水路。

进一步的，所述感应加热线圈中心穿设有与放大器末端滑动配合的导向直线轴承，所述导向直线轴承内周壁环向间隔布置有若干圈竖直导气槽，任意两相邻圈竖直导气槽之间设置有环向导气槽，所述导向直线轴承与支撑板之间架设有空气接头，所述空气接头一端伸入导向直线轴承内腔与竖直导气槽、环向导气槽相通，所述空气接头另一端贯穿支撑板并外接气体冷却器。

进一步的，所述铁氧体均呈C形，且开口朝向感应加热线圈中心并包覆在感应加热线圈上。

进一步的，所述硅钢片包含圆环状本体，所述圆环状本体的外周环向间隔布置有多个用以与感应加热外壳相连接的固定薄片，所述圆环状本体上开设有用以防止硅钢片产生感应涡流的通槽。

进一步的，所述感应加热外壳具有固定导向直线轴承、铁氧体的上小下大阶梯状内腔，所述感应加热线圈设置在阶梯状内腔中心，所述阶梯状内腔的底部环向间隔布置有多个与固定薄片一一对应的固定槽，所述感应加热外壳外侧具有与支撑板相配合的切面，所述感应加热外壳与感应加热线圈、导向直线轴承、铁氧体、硅钢片之间填充有导热硅胶。

进一步的，所述放大器由难以导磁的奥氏体不锈钢制成，所述空气接头、导向直线轴承、外壳均使用绝缘材料制成以防止其在感应磁场中发热。

进一步的，所述电磁铆枪包含呈圆筒状的电磁铆枪外壳，所述电磁铆枪外壳内固定设置有与放电回路相连接的电磁铆枪线圈，所述电磁铆枪外壳内穿设有放大器，所述放大器首端螺接有导向螺钉，所述导向螺钉在放大器与电磁铆枪线圈之间依次套设有驱动铜片、隔离板，且所述隔离板、驱动铜片与放大器分别经凸台凹槽两两过盈配合固连在一起，所述导向螺钉末端设置有复位弹簧，所述电磁铆枪外壳内腔还设置有质量块，所述质量块经第一、第二缓冲弹簧与手柄相连接。

一种约束感应加热电磁铆接方法，提供上述任一项所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，包括以下步骤，

（1）准备工作：将铆钉从下至上依次贯穿第一铆接板和第二铆接板，所述铆钉的已成形钉头经顶铁压紧并置于操作台上，将约束感应加热器固定在电磁铆枪末端，所述放大器末端对准铆钉待成形钉头；

（2）预设参数：人工预设放电回路充电电压、感应加热装置加热时间，并开启冷却水道开关；

（3）感应加热：首先在高频电流发生电源完成充电后，激发高频电流发生电源对感应加热线圈施加高频电流，感应加热线圈周围产生高频磁场，由于铁氧体的磁场约束、硅钢片对溢出磁场屏蔽作用，所述高频磁场为小范围的高频磁场，并通过在铆钉中产生的感应涡流快速加热铆钉待成形钉头部分；

（4）电磁铆接：当感应加热装置加热时间到达指定数值后，断开高频电流发生电源开关，激发电磁铆接放电回路开关，所述电磁铆接放电回路产生高频振荡的瞬时大电流，在铆接线圈周围产生脉冲强磁场，并与驱动铜片相互作用产生电磁排斥力，从而推动放大器向下运动，成形铆钉；

（5）冷却：铆钉成形后，断开电磁铆接放电回路开关，并开启气体冷却器，经空气接头向导向直线轴承通入冷却气体，冷却空气经由导向直线轴承内部的环向导气槽、竖直导气槽，一部分向上排出冷却放大器铆接头部分，一部分向下冷却铆钉头经由硅钢片通槽排出，同时冷却导向直线轴承；

（6）复位：移开铆枪，各个工作部件复位。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明通过约束磁场的方式使磁场能量集中在铆钉待成形钉头处进行局部加热，有效提高的难成形铆钉塑性；（2）本发明通过铁氧体约束磁场，经硅钢片屏蔽外扩磁场，提高了加热效率，减少热量传递到铆钉、第一铆接板和第二铆接板，抑制第一铆接板和第二铆接板自身产生涡流发热，降低第一铆接板和第二铆接板温度过高损伤的可能；（3）本发明在铆接完成后，以冷却空气冷却高温成形的铆钉钉头，提高铆钉钉头的硬度并减少热量传递至第一铆接板和第二铆接板；（4）放大器由直线轴承导向，运动更平稳，提高铆接质量；（5）约束感应加热器与电磁铆枪合理结合，并统一控制触发，成形效率高，工艺简单，适用于开敞性差的结构。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的主视剖视示意图。

图2为本发明实施例的约束感应加热装置剖视示意图。

图3为本发明实施例的约束感应加热装置第一构造示意图。

图4为本发明实施例的约束感应加热装置第二构造示意图。

图5为本发明实施例的约束感应加热装置内部构造示意图。

图6为本发明实施例的感应加热线圈构造示意图。

图7为本发明实施例的导向直线轴承构造示意图。

图8为本发明实施例的硅钢片构造示意图。

图9为本发明实施例的感应加热外壳剖视示意图。

图中：1-铆钉，11-待成形钉头，12-已成形钉头，2-约束感应加热器，21-高频电流发生电源，22-感应加热线圈，221-引脚，222-引脚固定板，223-冷却水入口，224-冷却水出口，23-铁氧体，24-硅钢片，241-圆环状本体，242-固定薄片，243-通槽，25-感应加热外壳，251-阶梯状内腔，252-固定槽，253-切面，26-导向直线轴承，261-竖直导气槽，262-环向导气槽，263-连接孔，27-空气接头，28-导热硅胶，3-电磁铆枪，31-放大器，32-电磁铆枪外壳，33-放电回路，34-电磁铆枪线圈，35-导向螺钉，36-驱动铜片，37-隔离板，38-复位弹簧，39-质量块，310-第一缓冲弹簧，311-第二缓冲弹簧，312-手柄，4-支撑架，41-支撑板，42-固定圈，43-支撑脚，44-螺丝螺母组件，5-冷却水装置， 6-气体冷却器，7-第一铆接板，8-第二铆接板，9-顶铁，10-控制台。

具体实施方式

如图1~9所示，一种约束感应加热电磁铆接装置，包括用以快速加热铆钉1待成形钉头11的约束感应加热器2，所述约束感应加热器2包含与高频电流发生电源21相连接的感应加热线圈22，所述感应加热线圈22上环向设置有若干用以约束磁场的铁氧体23，所述约束感应加热器2还包含设置在感应加热线圈22、铁氧体23外侧的用以屏蔽泄露磁场的硅钢片24，所述约束感应加热器2套设在电磁铆枪3的放大器31末端并经支撑架4与电磁铆枪3外壳固定连接，所述放大器31相对约束感应加热器2运动以成形加热后的铆钉1待成形钉头11。

在本发明中，所述支撑架4包含卡固在感应加热线圈22的两引脚221上的支撑板41，还包含套设在感应加热器的感应加热外壳25上的固定圈42，以及环向间隔布置在所述固定圈42上三个支撑脚43，任意两个相邻支撑脚43夹角为120度，所述支撑板41、感应加热外壳25、固定圈42、支撑脚43分别经螺丝螺母组件44固定在一起。

在本发明中，所述感应加热线圈22呈环状，由单匝空心紫铜管弯折而成，所述两引脚221末端设置有引脚固定板222，两引脚固定板222与高频电流发生电源21相连接，且所述两引脚固定板222上分别开设有冷却水入口223、冷却水出口224，所述冷却水入口223、冷却水出口224、感应加热线圈22内腔相连接以及外接冷却水装置5形成循环冷却水路，所述冷却水装置5采用现有的普通冷却水装置。

在本发明中，所述感应加热线圈22中心穿设有与放大器31末端滑动配合的导向直线轴承26，所述导向直线轴承26内周壁环向间隔布置有若干圈竖直导气槽261，任意两相邻圈竖直导气槽261之间设置有环向导气槽262，所述导向直线轴承26与支撑板41之间架设有空气接头27，所述空气接头27一端经导向直线轴承26上的连接孔263伸入导向直线轴承26内腔与竖直导气槽261、环向导气槽262相通，所述空气接头27另一端贯穿支撑板41并外接气体冷却器6，所述气体冷却器6采用现有的普通气体冷却器，所述空气接头27与支撑板41螺纹连接。

在本发明中，所述铁氧体23均呈C形，且开口朝向感应加热线圈22中心并包覆在感应加热线圈22上。

在本发明中，所述硅钢片24包含圆环状本体241，所述圆环状本体241的外周环向间隔布置有四个用以与感应加热外壳25相连接的固定薄片242，所述圆环状本体241上开设有用以防止硅钢片24产生感应涡流的通槽243。

在本发明中，所述感应加热外壳25具有固定导向直线轴承26、铁氧体23的上小下大阶梯状内腔251，所述感应加热线圈22设置在阶梯状内腔251中心，所述阶梯状内腔251的底部环向间隔布置有四个与固定薄片242一一对应的固定槽252，所述感应加热外壳25外侧具有与支撑板41相配合的切面253，所述感应加热外壳25与感应加热线圈22、导向直线轴承26、铁氧体23、硅钢片24之间填充有导热硅胶28。

在本发明中，所述放大器31由难以导磁的奥氏体不锈钢制成，所述空气接头27、导向直线轴承26、感应加热外壳25均使用绝缘材料制成以防止其在感应磁场中发热。

在本发明中，所述电磁铆枪3包含呈圆筒状的电磁铆枪外壳32，所述电磁铆枪外壳32内固定设置有与放电回路33相连接的电磁铆枪线圈34，所述放电回路33为低电阻电感回路，所述电磁铆枪线圈34由绝缘框架端面上缠绕紫铜带而成，所述绕紫铜带表面绝缘，且缠绕成盘形，所述电磁铆枪外壳32内穿设有放大器31，所述放大器31首端螺接有导向螺钉35，所述导向螺钉35在放大器31与电磁铆枪线圈34之间依次套设有驱动铜片36、隔离板37，且所述隔离板37、驱动铜片36与放大器31分别经凸台凹槽两两过盈配合固连在一起，所述导向螺钉35末端设置有复位弹簧38，所述电磁铆枪外壳32内腔还设置有质量块39，所述质量块39经第一缓冲弹簧310、第二缓冲弹簧311与手柄312相连接。

在本发明中，所述高频电流发生电源21、放电回路33、冷却水装置5、气体冷却器6均连接至控制台10。

在本发明中，一种约束感应加热电磁铆接方法，提供上述任一项所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，包括以下步骤，

（1）准备工作：将铆钉1从下至上依次贯穿第一铆接板7和第二铆接板8，所述铆钉1的已成形钉头12经顶铁9压紧并置于操作台上，将约束感应加热器2固定在电磁铆枪3末端，接着将约束感应加热器2套设在铆钉1待成形钉头11外，所述放大器31末端对准铆钉1待成形钉头11；

（2）预设参数：人工预设放电回路33充电电压、感应加热装置加热时间，并开启冷却水道开关；

（3）感应加热：首先在高频电流发生电源21完成充电后，充电过程约为10秒；激发高频电流发生电源21对感应加热线圈22施加高频电流，感应加热线圈22周围产生高频磁场，由于铁氧体23的磁场约束、硅钢片24对溢出磁场屏蔽作用，所述高频磁场为小范围的高频磁场，并通过在铆钉1中产生的感应涡流快速加热铆钉1待成形钉头11部分，这一过程持续4秒左右；

（4）电磁铆接：当感应加热装置加热时间到达指定数值后，断开高频电流发生电源21开关，激发电磁铆接放电回路33开关，所述电磁铆接放电回路33产生高频振荡的瞬时大电流，在铆接线圈周围产生脉冲强磁场，并与驱动铜片36相互作用产生电磁排斥力，从而推动放大器31向下运动，成形铆钉1；

（5）冷却：铆钉1成形后，断开电磁铆接放电回路33开关，并开启气体冷却器6，经空气接头27向导向直线轴承26通入冷却气体，冷却空气经由导向直线轴承26内部的环向导气槽262、竖直导气槽261，一部分向上排出冷却放大器31铆接头部分，一部分向下冷却铆钉1头经由硅钢片24通槽243排出，同时冷却导向直线轴承26；

（6）复位：移开铆枪，各个工作部件复位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：包括用以快速加热铆钉待成形钉头的约束感应加热器，所述约束感应加热器包含与高频电流发生电源相连接的感应加热线圈，所述感应加热线圈上环向设置有若干用以约束磁场的铁氧体，所述约束感应加热器还包含设置在感应加热线圈、铁氧体外侧的用以屏蔽泄露磁场的硅钢片，所述约束感应加热器套设在电磁铆枪的放大器末端并经支撑架与电磁铆枪外壳固定连接，所述放大器相对约束感应加热器运动以成形加热后的铆钉待成形钉头。

2.根据权利要求1所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述支撑架包含卡固在感应加热线圈的两引脚上的支撑板，还包含套设在感应加热器的感应加热外壳上的固定圈，以及环向间隔布置在所述固定圈上多个支撑脚，所述支撑板、感应加热外壳、固定圈、支撑脚分别经螺丝螺母组件固定在一起。

3.根据权利要求2所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述感应加热线圈呈环状，由单匝空心紫铜管弯折而成，所述两引脚末端设置有引脚固定板，两引脚固定板与高频电流发生电源相连接，且所述两引脚固定板上分别开设有冷却水入口、冷却水出口，所述冷却水入口、冷却水出口、感应加热线圈内腔相连接以及外接冷却水装置形成循环冷却水路。

4.根据权利要求3所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述感应加热线圈中心穿设有与放大器末端滑动配合的导向直线轴承，所述导向直线轴承内周壁环向间隔布置有若干圈竖直导气槽，任意两相邻圈竖直导气槽之间设置有环向导气槽，所述导向直线轴承与支撑板之间架设有空气接头，所述空气接头一端伸入导向直线轴承内腔与竖直导气槽、环向导气槽相通，所述空气接头另一端贯穿支撑板并外接气体冷却器。

5.根据权利要求4所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述铁氧体均呈C形，且开口朝向感应加热线圈中心并包覆在感应加热线圈上。

6.根据权利要求5所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述硅钢片包含圆环状本体，所述圆环状本体的外周环向间隔布置有多个用以与感应加热外壳相连接的固定薄片，所述圆环状本体上开设有用以防止硅钢片产生感应涡流的通槽。

7.根据权利要求6所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述感应加热外壳具有固定导向直线轴承、铁氧体的上小下大阶梯状内腔，所述感应加热线圈设置在阶梯状内腔中心，所述阶梯状内腔的底部环向间隔布置有多个与固定薄片一一对应的固定槽，所述感应加热外壳外侧具有与支撑板相配合的切面，所述感应加热外壳与感应加热线圈、导向直线轴承、铁氧体、硅钢片之间填充有导热硅胶。

8.根据权利要求7所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述放大器由难以导磁的奥氏体不锈钢制成，所述空气接头、导向直线轴承、外壳均使用绝缘材料制成以防止其在感应磁场中发热。

9.根据权利要求8所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，其特征在于：所述电磁铆枪包含呈圆筒状的电磁铆枪外壳，所述电磁铆枪外壳内固定设置有与放电回路相连接的电磁铆枪线圈，所述电磁铆枪外壳内穿设有放大器，所述放大器首端螺接有导向螺钉，所述导向螺钉在放大器与电磁铆枪线圈之间依次套设有驱动铜片、隔离板，且所述隔离板、驱动铜片与放大器分别经凸台凹槽两两过盈配合固连在一起，所述导向螺钉末端设置有复位弹簧，所述电磁铆枪外壳内腔还设置有质量块，所述质量块经第一、第二缓冲弹簧与手柄相连接。

10.一种约束感应加热电磁铆接方法，其特征在于：提供如权利要求1-9任一项所述的一种约束感应加热电磁铆接装置，包括以下步骤，

（1）准备工作：将铆钉从下至上依次贯穿第一铆接板和第二铆接板，所述铆钉的已成形钉头经顶铁压紧并置于操作台上，将约束感应加热器固定在电磁铆枪末端，所述放大器末端对准铆钉待成形钉头；

（2）预设参数：人工预设放电回路充电电压、感应加热装置加热时间，并开启冷却水道开关；

（3）感应加热：首先在高频电流发生电源完成充电后，激发高频电流发生电源对感应加热线圈施加高频电流，感应加热线圈周围产生高频磁场，由于铁氧体的磁场约束、硅钢片对溢出磁场屏蔽作用，所述高频磁场为小范围的高频磁场，并通过在铆钉中产生的感应涡流快速加热铆钉待成形钉头部分；

（4）电磁铆接：当感应加热装置加热时间到达指定数值后，断开高频电流发生电源开关，激发电磁铆接放电回路开关，所述电磁铆接放电回路产生高频振荡的瞬时大电流，在铆接线圈周围产生脉冲强磁场，并与驱动铜片相互作用产生电磁排斥力，从而推动放大器向下运动，成形铆钉；

（5）冷却：铆钉成形后，断开电磁铆接放电回路开关，并开启气体冷却器，经空气接头向导向直线轴承通入冷却气体，冷却空气经由导向直线轴承内部的环向导气槽、竖直导气槽，一部分向上排出冷却放大器铆接头部分，一部分向下冷却铆钉头经由硅钢片通槽排出，同时冷却导向直线轴承；

（6）复位：移开铆枪，各个工作部件复位。