CN107900234B - 一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，先通过摩擦头和上冲头的旋转对待铆接部位进行局部摩擦加热；然后摩擦头停止转动并对待铆接部位施加压边力，在冲压动力源的作用下压头使上冲头向下运动，使上、下板材的金属向下模具的模具型腔内流动，使下模具分瓣滑块沿径向流动并胀开，上、下板材的金属继续向分瓣滑块之间、下冲头与分瓣滑块之间产生的间隙流动，直到下模具的型腔被充满，且上板材和下板材之间形成S形机械锁；达到预设定的底厚值或者压力后，压头和上冲头向上运动至初始位置，连接过程结束；本发明可获得无裂纹的铆接接头，降低所需铆接作用力，减少铆接缺陷，提高铆接接头的强度，效率更高、操作简便且能耗更低。

Description

一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法
技术领域
本发明属于板材连接技术领域，具体涉及一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法。
背景技术
由于环保和节能的需要，轻量化板材在航空航天、交通工具及电子产品等领域的应用越来越广泛。同种材料、异种材料、相同厚度和不同厚度的轻量化板材连接问题得到了广泛关注。无铆连接工艺采用专用凸凹模具对连接板材进行冲压，利用金属塑性变形能力，通过板材之间的内嵌形成机械锁，达到连接目的。然而，传统无铆连接的整体式凹模加工困难、普适性不强、容易积尘渣和液体，且铆接过程中下模具容易胀裂，对于镁合金、钛合金等室温下塑性较差的材料，普通压铆下容易出现变形开裂、所需铆接作用力大及铆接接头可靠性差等现象。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，实现室温下同种或异种低塑性轻量化板材之间的无铆连接，所采用的滑块式凹模加工难度低、适用性强且寿命长，能够获得无裂纹的铆接接头，降低所需铆接作用力，减少铆接缺陷，提高铆接接头的强度，具有效率更高、操作简便且能耗更低的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，包括以下步骤：
1)定位阶段：连接开始前，将上板材6和下板材7装夹固定并叠放在下模具上，下模具固定不动；摩擦头5和上冲头4整体向下运动，摩擦头5和上冲头4将上板材6和下板材7局部定位于下模具上，并施加压力；上冲头4的上下运动通过冲压动力源、压头1和环形弹簧3的共同作用实现，上冲头4和环形弹簧3通过挡圈2安装在摩擦头5内部；下模具为滑块式分瓣凹模，由分瓣滑块8、弹性圈9、滑块保持架10和下冲头11组成，下冲头11下部外侧和滑块保持架10下部连接，下冲头11上部外侧设有圆周均布的分瓣滑块8，下冲头11和分瓣滑块8之间设有空隙，分瓣滑块8通过弹性圈9拉紧，弹性圈9为橡胶圈或轻载弹簧，分瓣滑块8外侧凹槽和滑块保持架10顶部配合卡住，上冲头4下端部分为带倒角倒置圆台状；
2)摩擦加热阶段：在旋转动力源的作用下，摩擦头5连同上冲头4一起高速旋转，转速为300～2000转/分钟，对上板材6和下板材7待铆接部位进行局部摩擦加热，使其达到塑性变形温度，加热时间为5～30秒；
3)成形初期阶段：摩擦加热阶段结束，旋转动力源停止工作，摩擦头5对待铆接部位施加压边力，在冲压动力源的作用下，压头1使上冲头4向下运动，上板材6和下板材7在上冲头4的作用下弯曲并受挤压，局部发生塑性变形，上板材6和下板材7的金属受到下模具中下冲头11上端面的约束，逐渐填充凹模空间，但是尚未受到下模具中分瓣滑块8的约束，在此阶段，上板材6在上冲头4下端部的圆角处受挤压变薄，其颈部金相组织被强化；
4)成形阶段：上冲头4继续向下运动，上板材6和下板材7的金属材料沿径向流动，分瓣滑块8只受到弹性圈9的定位作用，其预紧力非常小，导致分瓣滑块8沿径向流动并胀开，材料向分瓣滑块8之间、分瓣滑块8与下冲头11之间产生的间隙流动，由于在成形过程中上板材6和下板材7金属材料的流动速度不同，致使上板材6嵌入下板材7中，且上板材6和下板材7之间形成S形机械锁12，形成内嵌型铆接头，上冲头4的冲压铆接速率为0.5～2毫米/秒；
5)回程阶段：达到预设定的底厚值或者压力后，冲压动力源、压头1和环形弹簧3共同作用，带动上冲头4向上运动，将上冲头4和上板材6分离，并回位至初始位置，连接过程结束。
所述的摩擦头5的旋转速度、压力和摩擦加热时间根据需要的成形效果能够分别进行调节。
所述的压头1和上冲头4的位置、速度和压力根据需要的成形效果能够分别进行调节。
本发明具有以下优点：
1.本发明将摩擦头5和上冲头4集成在一起，在旋转动力源的作用下，摩擦头5带动上冲头4高速旋转，可以对上板材6和下板材7待铆接部位进行局部摩擦加热，使其达到塑性变形温度，提高待铆接部位材料的塑性，降低脆裂倾向。从而实现室温下同种或异种低塑性轻量化板材(如镁合金、钛合金等)之间的无铆连接，可以获得无裂纹的铆接接头，降低所需铆接作用力，减少铆接缺陷，提高铆接接头的强度。
2.本发明中摩擦头5除了提供热源，在铆接过程中还作为压边圈，对上板材6和下板材7待铆接部位施加压边力，便于获得所需的成形效果。因此，本发明较电阻、激光等预先直接加热方法，效率更高、操作简便且能耗更低。
3.本发明连接强度高，由于滑块式分瓣凹模中的分瓣滑块8在成形时沿径向滑动并胀开，使得上板材6和下板材7的金属充分流动，形成的机械锁值较大。适用性强，同一套模具可以实现不同厚度的板材的组合。模具寿命长，下模具不会胀裂且不容易积尘渣和液体，尤其是适用于有涂层和镀层的板材连接。连接点凸出的高度相对较低，具有较好的抗拉强度。
附图说明
图1是本发明定位阶段示意图。
图2是本发明下模具的俯视图。
图3是本发明摩擦加热阶段示意图。
图4是本发明成形初期阶段示意图。
图5是本发明成形阶段及回程阶段示意图。
图6是本发明获得的铆接点S形机械锁示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，包括以下步骤：
1)定位阶段：参照图1和图2，连接开始前，将上板材6和下板材7装夹固定并叠放在下模具上，下模具固定不动；摩擦头5和上冲头4整体向下运动，摩擦头5和上冲头4将上板材6和下板材7局部定位于下模具上，并施加压力；上冲头4的上下运动通过冲压动力源、压头1和环形弹簧3的共同作用实现，上冲头4和环形弹簧3通过挡圈2安装在摩擦头5内部，通过摩擦头5内部的键槽和上冲头4中部的键相互配合；下模具为滑块式分瓣凹模，由分瓣滑块8、弹性圈9、滑块保持架10和下冲头11组成，下冲头11下部外侧和滑块保持架10下部连接，下冲头11上部外侧设有圆周均布的3个分瓣滑块8，下冲头11和分瓣滑块8之间设有空隙，3个分瓣滑块8通过弹性圈9拉紧，弹性圈9为橡胶圈或轻载弹簧，分瓣滑块8外侧凹槽和滑块保持架10顶部配合卡住，上冲头4下端部分为带倒角倒置圆台状；
2)摩擦加热阶段：参照图3，在旋转动力源的作用下，摩擦头5连同上冲头4一起高速旋转，转速为300～2000转/分钟，对上板材6和下板材7待铆接部位进行局部摩擦加热，使其达到塑性变形温度，提高待铆接部位材料的塑性，降低脆裂倾向；摩擦加热时间因旋转速度、摩擦头压力、板材材质、板材厚度及铆接点尺寸而异，根据需要的成形效果进行摩擦加热时间调节，加热时间为5～30秒；旋转动力源选用伺服电机，摩擦头5在摩擦加热阶段起提供热源的作用；
3)成形初期阶段：参照图4，摩擦加热阶段结束，旋转动力源停止工作，摩擦头5对待铆接部位施加压边力，在冲压动力源的作用下，压头1使上冲头4向下运动，上板材6和下板材7在上冲头4的作用下弯曲并受挤压，局部发生塑性变形，上板材6和下板材7的金属受到下模具中下冲头11上端面的约束，逐渐填充凹模空间，但是尚未受到下模具中分瓣滑块8的约束，在此阶段，由于冲头的挤压作用，上板材6在上冲头4下端部的圆角处受挤压变薄，其颈部金相组织被强化；冲压动力源选用液压、气动或者伺服电机，摩擦头5在成形过程中起压边圈的作用；
4)成形阶段：参照图5和图6，上冲头4继续向下运动，上板材6和下板材7的金属材料沿径向流动，分瓣滑块8只受到弹性圈9的定位作用，其预紧力非常小，导致分瓣滑块8沿径向流动并胀开，材料向分瓣滑块8之间、分瓣滑块8与下冲头11之间产生的间隙流动，由于在成形过程中上板材6和下板材7金属材料的流动速度不同，致使上板材6嵌入下板材7中，且上板材6和下板材7之间形成S形机械锁12，形成内嵌型铆接头，上冲头4的冲压铆接速率为0.5～2毫米/秒；
5)回程阶段：参照图5，达到预设定的底厚值或者压力后，冲压动力源、压头1和环形弹簧3共同作用，带动上冲头4向上运动，将上冲头4和上板材6分离，并回位至初始位置，连接过程结束。
所述的摩擦头5的旋转速度、压力和摩擦加热时间根据需要的成形效果能够分别进行调节。
所述的压头1和上冲头4的位置、速度和压力根据需要的成形效果能够分别进行调节。

Claims (3)

1.一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)定位阶段：连接开始前，将上板材(6)和下板材(7)装夹固定并叠放在下模具上，下模具固定不动；摩擦头(5)和上冲头(4)整体向下运动，摩擦头(5)和上冲头(4)将上板材(6)和下板材(7)局部定位于下模具上，并施加压力；上冲头(4)的上下运动通过冲压动力源、压头(1)和环形弹簧(3)的共同作用实现，上冲头(4)和环形弹簧(3)通过挡圈(2)安装在摩擦头(5)内部；下模具为滑块式分瓣凹模，由分瓣滑块(8)、弹性圈(9)、滑块保持架(10)和下冲头(11)组成，下冲头(11)下部外侧和滑块保持架(10)下部连接，下冲头(11)上部外侧设有圆周均布的分瓣滑块(8)，下冲头(11)和分瓣滑块(8)之间设有空隙，分瓣滑块(8)通过弹性圈(9)拉紧，弹性圈(9)为橡胶圈或轻载弹簧，分瓣滑块(8)外侧凹槽和滑块保持架(10)顶部配合卡住，上冲头(4)下端部分为带倒角倒置圆台状；
2)摩擦加热阶段：在旋转动力源的作用下，摩擦头(5)连同上冲头(4)一起高速旋转，转速为300～2000转/分钟，对上板材(6)和下板材(7)待铆接部位进行局部摩擦加热，使其达到塑性变形温度，加热时间为5～30秒；
3)成形初期阶段：摩擦加热阶段结束，旋转动力源停止工作，摩擦头(5)对待铆接部位施加压边力，在冲压动力源的作用下，压头(1)使上冲头(4)向下运动，上板材(6)和下板材(7)在上冲头(4)的作用下弯曲并受挤压，局部发生塑性变形，上板材(6)和下板材(7)的金属受到下模具中下冲头(11)上端面的约束，逐渐填充凹模空间，但是尚未受到下模具中分瓣滑块(8)的约束，在此阶段，上板材(6)在上冲头(4)下端部的圆角处受挤压变薄，其颈部金相组织被强化；
4)成形阶段：上冲头(4)继续向下运动，上板材(6)和下板材(7)的金属材料沿径向流动，分瓣滑块(8)只受到弹性圈(9)的定位作用，其预紧力非常小，导致分瓣滑块(8)沿径向流动并胀开，材料向分瓣滑块(8)之间、分瓣滑块(8)与下冲头(11)之间产生的间隙流动，由于在成形过程中上板材(6)和下板材(7)金属材料的流动速度不同，致使上板材(6)嵌入下板材(7)中，且上板材(6)和下板材(7)之间形成S形机械锁(12)，形成内嵌型铆接头，上冲头(4)的冲压铆接速率为0.5～2毫米/秒；
5)回程阶段：达到预设定的底厚值或者压力后，冲压动力源、压头(1)和环形弹簧(3)共同作用，带动上冲头(4)向上运动，将上冲头(4)和上板材(6)分离，并回位至初始位置，连接过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，其特征在于：所述的摩擦头(5)的旋转速度、压力和摩擦加热时间根据需要的成形效果能够分别进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化板材的滑块式凹模摩擦无铆连接方法，其特征在于：所述的压头(1)和上冲头(4)的位置、速度和压力根据需要的成形效果能够分别进行调节。
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