CN105458147B - 一种自冲粘铆连接装置及粘铆方法 - Google Patents

Abstract

一种自冲粘铆连接装置，包括：复合凹模，其上设置有环形凹槽；复合压边圈，其与复合凹模在竖直方向相对设置，复合压边圈能够在竖直方向运动，用于压紧待铆接件；导热电极，其数量为多个，分别设置在复合压边圈底部和复合凹模上部；导热电极能够对不同的待铆接件独立加热；冲头，其为实心圆环形结构件，其设置在复合压边圈中心孔内部，并能够沿所述中心孔轴向上下滑动；大幅度提高铆接点附近超高强钢的延展性，解决了超高强钢变形困难、无法形成有效接头的问题并提供了一种自冲粘铆连接方法，通过精准控制冲头的冲压速度，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。

Description

一种自冲粘铆连接装置及粘铆方法

技术领域

本发明涉及高强钢铆接技术领域，特别涉及一种自冲粘铆连接装置及实现冲压粘铆方法。

背景技术

汽车工业的发展给能源、气候、环境方面带来巨大的压力，降低油耗、节能减排成为中国汽车亟需解决的一个迫切的问题，汽车轻量化成为解决该问题的重要手段。

高强度钢板、铝合金以及镁合金等轻质材料代替传统钢板成为汽车轻量化的主要实现方法，而新材料的应用对汽车连接技术提出巨大挑战。传统电阻点焊方式连接高强钢和铝合金时，由于钢和铝两种材料熔点与热膨胀系数相差较大，难以在板间形成熔核，且易形成硬而脆的金属间化合物，无法保证焊点强度，无法较好的实现高强钢和铝合金的连接。

针对轻质合金与高强钢连接时存在的上述问题，国内外提出了一种半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)方法。自冲铆工艺能够满足钢材或铝材等轻型材料的连接要求，铆接过程中无化学反应，其抗静拉力和抗疲劳性都要优于点焊工艺，且板材在铆接时不需要钻孔，工艺步骤简化，节省成本，并能适合汽车车身高效率的生产，有效地攻破了点焊产生的各个难题。

然而半空心自冲铆接技术受工艺本身限制，仅可实现强度在800MPa以下板件的连接，当超高强钢板与其他金属板件铆接时，由于材料强度过高(超高强钢板的强度极限一般在1300MPa以上)，变形抗力大，延展性差，无法实现超高强钢与其他金属板件的连接。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种自冲粘铆连接装置以半空心自冲铆连接技术为基础，通过引入金属材料的回火退火特性，对超高强钢进行局部回火热处理，适当降低铆接点附近超高强钢的强度，大幅度提高铆接点附近超高强钢的延展性，解决了超高强钢变形困难、无法形成有效接头的问题。

本发明的另一个目的是开发了一种自冲粘铆连接装置的隔热部件，能够使对待铆接金属温度互不干扰，同时隔热部件能够在自冲铆接时，自动退出。

本发明的另一个目的是提供了一种自冲粘铆连接方法，通过精准控制冲头的冲压速度，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。

本发明提供的技术方案为：

一种自冲粘铆连接装置，包括：

复合凹模，其上设置有环形凹槽；

复合压边圈，其与所述复合凹模在竖直方向相对设置，所述复合压边圈能够在竖直方向运动，用于压紧待铆接件；

导热电极，其数量为多个，分别设置在所述复合压边圈底部和所述复合凹模上部；所述导热电极能够对不同的待铆接件独立加热；

冲头，其为实心圆环形结构件，其设置在所述复合压边圈中心孔内部，并能够沿所述中心孔轴向上下滑动；

驱动机构，其驱动所述冲头和所述复合压边圈向下移动进行冲压铆接操作。

优选的是，还包括限位滑块机构，包括：

滑块，其一端截面为圆弧形，圆弧线的曲率从上至下逐渐减小，所述圆弧形截面设置在待铆接件边缘并且位于待铆接件之间；

弹簧，其一端固定连接在所述滑块上，另一端连接所述滑块结构的固定端。

优选的是，所述复合凹模顶面和所述复合压边圈底面设置有矩形凹槽，用于放置所述导热电极。

优选的是，所述冲头、所述复合压边圈、所述复合凹模和所述滑块均采用高硬度的模具钢制成。

优选的是，所述复合压边圈、所述复合凹模和所述滑块表面涂覆绝缘材料。

优选的是，所述导热电极连接脉冲电流发生器。

本发明的目的还可进一步由一种自冲粘铆方法实现，包括：

步骤一，将待铆接下板件置于复合凹模上，并在中心区域均匀涂抹粘结剂，限位滑块机构放置于待铆接件之间并且位于边缘位置，并驱动复合压边圈与待铆接上板件贴合；

步骤二，步骤二，开启脉冲电流发生器,对待铆接上板件和或待铆接下板件铆接区域局部加热，将待铆接区域超高强钢加热至高温回火温度500℃-750℃之间，保温5min-8min；

步骤三，等待被加热的板件冷却至室温，驱动复合压边圈下行压紧待铆接上板件，限位滑块机构在上板件的压力下向外移动脱离待铆接件，最后上板件、粘接剂和下板件紧密黏合在一起；

步骤四，送入铆钉，驱动机构驱动冲头下行，铆钉在冲头的推动下刺入上板件，并在复合凹模的作用下铆钉管状腿部向周边翻开形成铆扣，从而在上板件与下板件间形成一个牢固的锁死结构。

优选的是，

步骤二中，所述脉冲电流发生器按照下述参数进行处理：

电流密度范围：j＝3500～4500A/mm²；

电流脉冲宽度范围：λ＝40～70μs；

电流脉冲频率：f＝60～100Hz；

脉冲电流处理时间：t＝20s～30s。

优选的是，

步骤四中，冲压速度为

其中，k为系数，等于1；l为冲压头周长；t为待铆接件厚度；Γ为待铆接件抗剪强度；A为环形腔截面积；σ_bs为待铆接件的许用挤压应力；S为冲头行程；t为2～2.5s。

本发明所述的有益效果

1.本发明利用金属的回火特性，运用电加热方式对高强钢铆接区域进行局部热处理，降低高强钢铆接区域的强度(可降低至原来的一半)，提高高强钢铆接区域的延展率(可提高至原来的2倍)，降低了对冲铆模具的要求以及铆接高强钢时需要的铆接力，使高强钢的自冲铆连接变得可行，该方法不仅可以应用于轻合金和高强钢的连接，也可以应用于各种轻合金之间以及各种高强钢之间的连接。

2.本发明与其他铆接连接方法相比，可分为热处理和铆接两个步骤，降低了对铆接设备集成控制的要求。热处理通过电极对板件通电实现板件局部升温，采用室温冷却方式，具有无污染、成本低、操作简单等显著优势。铆接是在自冲铆基础上引入粘接连接，大幅度加大接头连接强度，使连接更加牢靠。

3.本发明装置考虑到上下金属板间接触导致的传热问题，一方面通过限位滑块机构防止加热过程中上下板接触发生热传导，另一方面在金属板件间的粘接剂也减小了板间热对流和热辐射，有效的防止了轻合金或其他金属因传热升温而改变性能。

附图说明

图1为本发明所述的自冲粘铆连接装置主视图的全剖剖视图。

图2为本发明所述的复合压边圈主视图的全剖视图。

图3为本发明所述的复合压边圈的俯视图。

图4为本发明所述的复合凹模的主视图的全剖视图。

图5为本发明所述的复合凹模的俯视图。

图6为采用本发明所述的自冲粘铆连接方法冲头运动到下至点完成铆接工序的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供自冲粘铆连接装置包括：复合凹模100、复合压边圈200、导热电极300和冲头400。

如图2-3所示，复合压边圈200，其与复合凹模100相对设置，复合压边圈200中心设置有通孔，复合压边圈200底面与复合凹模100顶面为可接触式连接，复合压边圈200的底环面上由外向内开设多个结构相同的矩形凹槽210，矩形凹槽210的轴线与复合压边圈200中心位置通孔的中心轴相交，并且矩形凹槽210与复合压边圈200中心位置通孔不连通，矩形凹槽210的表面与复合压边圈200的表面上均涂有绝缘材料。

如图4-5所示，复合凹模100，其为圆盘形结构件，并在中心处设置有环形腔110，即为凹模型腔，环形腔110中心有一个圆锥形凸台120，环形腔110的回转轴线与圆锥形凸台的回转轴线共线。

复合凹模100的底环面上由外向内开设多个结构相同的矩形凹槽，矩形凹槽的轴线与复合凹模100中心位置环形腔110的中心轴相交，并且矩形凹槽与环形腔110不连通，矩形凹槽的表面与复合凹模100的表面上均涂有绝缘材料。

导热电极300，其数量为多个，结构相同，分别设置在复合压边圈200底面和所述复合凹模100接触面位置；导热电极300分别设置在复合凹模底部的矩形凹槽内，复合压边圈200的矩形凹槽210内，导热电极300略凸出复合凹模100的底环面以确保与待粘结下板件接触良好，导热电极300连接脉冲电流发生器。

冲头400，其为实心圆柱形结构件，其设置在复合压边圈200中心孔内部，并能够沿中心孔上下滑动；

驱动机构，其与冲头400连接，用于驱动冲头400向下移动进行冲压操作。

限位滑块机构500其设置在待铆接件中间，能够沿水平方向左右滑动，用于分隔待铆接件，包括：

滑块510，其一端截面为圆弧形，圆弧线的曲率从上至下逐渐减小，另一端截面为矩形，滑块表面涂有绝缘材料；

弹簧520，其一端固定连接在滑块510上，另一端连接固定端530。

其中，冲头400、复合压边圈200、复合凹模100和滑块510均采用高硬度的模具钢制成，复合压边圈200、复合凹模400和滑块510表面涂覆绝缘材料。

实施以超高强度钢与铝合金板件自冲粘铆连接的工作过程为例，做进一步的说明。

首先，将待铆接的下板件610放置置于复合凹模100上，然后将限位滑块机构500中的滑块510放置在下板件610的左右两侧末端，并在待铆接位置中心均匀的涂上粘接剂700，涂抹面积约为8-10mm²，然后将上板件620置于与滑块510顶部；

驱动复合压边圈200向下运动，使复合压边圈200的电极300与上板件620接触，但并不压紧板件，然后接通脉冲电流发生器电源，此时如果高强钢板为上板件620时接通复合压边圈200上电极310的电源；高强钢板为下板件610时接通复合凹模100上电极320的电源，并根据工艺需要控制通电时间使得板件加热至不同温度时停止通电。

等待被加热的板件冷却至室温。

使用送料装置送入铆钉410，驱动复合压边圈200下行，压紧上板件620，滑块510在上板件620的压力下向外移动，最后上板件620、粘接剂、下板件610被压紧在一起。

如图6所示，驱动冲头400下行，铆钉410在冲头400的推动下刺入上板件620，并在复合凹模100的作用下管状腿部向周边翻开形成铆扣，从而在上板件620、粘接剂与下板件610间形成一个牢固的锁死结构。

一种自冲粘铆方法，包括：

步骤一，将待铆接下板件620置于复合凹模100上，并在中心区域均匀涂抹粘结剂700，限位滑块机构500放置于待铆接下板件620两侧，将待铆接上板件610放置在限位滑块机构500顶部，并驱动复合压边圈200与待铆接上板件620贴合；

步骤二，开启脉冲电流发生器，脉冲电流发生器按照下述参数进行处理：

电流密度范围：j＝3500～4500A/mm²；

电流脉冲宽度范围：λ＝40～70μs；

电流脉冲频率：f＝60～100Hz；

脉冲电流处理时间：t＝20s～30s；

对待铆接上板件620与下板件610和或局部加热，将待铆接区域超高强钢加热至高温回火温度500℃-750℃之间，保温5min-8min；

步骤三，等待被加热的板件冷却至室温，驱动复合压边圈200下行压紧待铆接上板件610，限位滑块机构500在上板件610的压力下向外移动，最后上板件620、粘接剂700和下板件610紧密黏合在一起。

步骤四，送入铆钉410，驱动机构驱动冲头400下行，铆钉410在冲头的推动下刺入上板件，并在复合凹模100的作用下铆钉410的管状腿部向周边翻开形成铆扣，从而在上板件620与下板件610间形成一个牢固的锁死结构，冲头400冲压速度为行程为22～33mm；

其中，k为系数，约等于1；l为冲压头周长，单位为mm；t为待铆接件厚度，单位为mm；Γ为待铆接件抗剪强度，单位为Mpa；A为环形腔截面积，单位为mm²；σ_bs为待铆接件的许用挤压应力，单位为Mpa；S为冲头行程，单位为mm；t为2～2.5s。

冲头的冲压速度影响冲头的使用寿命，冲模都是靠冲击产生的剪切力，速度的精准把握尤其重要，通过精准控制冲头的冲压速度，降低了对铆钉强度的要求，铆钉硬度要求不会过高，通过精准控制冲头的冲压速度还降低了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。

作为一种优选，形成环形腔110圆锥形凸台120的圆锥面与垂直方向的角度范围为45°。

在另一实施例中，铆钉410选用半空心沉头铆钉，并采用硼钢制造以满足铆接要求。铆钉的头部直径范围为5～8mm，腿部外径范围为4～6mm，铆钉总长度为5～8mm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种自冲粘铆连接装置，其特征在于，包括：

复合凹模，其为圆盘形并且所述复合凹模上设置有环形凹槽；

复合压边圈，其与所述复合凹模在竖直方向相对设置，所述复合压边圈能够在竖直方向运动，用于压紧待铆接件；

导热电极，其数量为多个，分别设置在所述复合压边圈底部和所述复合凹模上部；所述导热电极能够对不同的待铆接件独立加热；

冲头，其为实心圆环形结构件，其设置在所述复合压边圈中心孔内部，并能够沿所述中心孔轴向上下滑动；

驱动机构，其驱动所述冲头和所述复合压边圈向下移动进行冲压铆接操作；

还包括限位滑块机构，包括：

滑块，其一端截面为圆弧形，圆弧线的曲率从上至下逐渐减小，所述圆弧形截面设置在待铆接件边缘并且位于待铆接件之间；

弹簧，其一端固定连接在所述滑块上，另一端连接所述滑块机构的固定端。

2.根据权利要求1所述的自冲粘铆连接装置，其特征在于，所述复合凹模顶面和所述复合压边圈底面设置有矩形凹槽，用于放置所述导热电极。

3.根据权利要求1或2所述的自冲粘铆连接装置，其特征在于，所述冲头、所述复合压边圈、所述复合凹模和滑块均采用高硬度的模具钢制成。

4.根据权利要求3所述的自冲粘铆连接装置，其特征在于，所述复合压边圈、所述复合凹模和所述滑块表面涂覆绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的自冲粘铆连接装置，其特征在于，所述导热电极连接脉冲电流发生器。

6.一种自冲压粘铆方法，其特征在于，包括：

步骤一，将待铆接下板件置于复合凹模上，并在中心区域均匀涂抹粘结剂，限位滑块机构放置于待铆接件之间并且位于边缘位置，并驱动复合压边圈与待铆接上板件贴合；

步骤二，开启脉冲电流发生器,对待铆接上板件和/或待铆接下板件铆接区域局部加热，将待铆接区域超高强钢加热至高温回火温度500℃-750℃之间，保温5min-8min；

步骤三，等待被加热的板件冷却至室温，驱动复合压边圈下行压紧待铆接上板件，限位滑块机构在上板件的压力下向外移动脱离待铆接件，最后上板件、粘接剂和下板件紧密黏合在一起；

步骤四，送入铆钉，驱动机构驱动冲头下行，铆钉在冲头的推动下刺入上板件，并在复合凹模的作用下铆钉管状腿部向周边翻开形成铆扣，从而在上板件与下板件间形成一个牢固的锁死结构。

7.根据权利要求6所述的自冲压粘铆方法，其特征在于，

步骤二中，所述脉冲电流发生器按照下述参数进行处理：

电流密度范围：j＝3500～4500A/mm²；

电流脉冲宽度范围：λ＝40～70μs；

电流脉冲频率：f＝60～100Hz；

脉冲电流处理时间：t＝20s～30s。

8.根据权利要求6所述的自冲压粘铆方法，其特征在于，

步骤四中，冲压速度为

其中，k为系数，等于1；l为冲压头周长；t为待铆接件厚度；Γ为待铆接件抗剪强度；A为环形腔截面积；σ_bs为待铆接件的许用挤压应力；S为冲头行程；t为2～2.5s。