CN107914077A - 一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，先通过摩擦头和冲头的高速旋转，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冲头向下运动，使上、下板材的金属在摩擦头和冲头的共同作用力下向摩擦头和冲头之间的空腔内流动，上板材和下板材之间形成一个镶嵌的倒置Ω形机械锁；达到预设定的底厚值或者压力后，压头和冲头向上运动至初始位置，连接过程结束；本发明可以获得无裂纹的平底铆接接头，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，铆接接头表面平整光滑，板材的一侧表面平整光滑，适合应用于板材表面有相对运动的场合。

Description

一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法
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摩擦辅热平底无铆连接方法。
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。无铆连接工艺是不需要任何辅助材料就能够实现连接的新工艺，因此它成为薄板材连接的重要方法之一。传统无铆塑形连接会在板材的一侧产生一个较高的凸起，在另一侧产生一个凹坑，严重影响了板材连接的外观，连接点处的凸起会阻碍运动，无铆塑性连接也不适合应用于板材表面有相对运动的场合，而且，传统无铆塑性连接的上模具和下模具需要严格对中，一旦产生偏移将会严重影响连接强度。因此，其在板材连接的应用中受到了限制。近年来又有学者进行平底无铆塑性连接工艺的研究。平底无铆塑性连接是采用专用的平底模具和冲头对被连接板材进行冲压，利用板材金属的塑性变形能力，通过上、下板件之间的内嵌达到板材连接目的。然而，对于镁合金、钛合金等室温下塑性较差的材料，无铆连接容易出现变形开裂、所需铆接成形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摩擦辅热平底无铆连接方法，实现室温下同种或异种低塑性轻量化板材之间的平底无铆连接，能够获得无裂纹的平底无铆连接接头，降低所需铆接成形力，减少铆接缺陷，提高铆接接头的强度，且适合应用于板材表面有相对运动的场合；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：
一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，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8上，下模具8固定不动；摩擦头5和冲头4整体向下运动，摩擦头5和冲头4将上板材6和下板材7局部定位于下模具8上，并施加压力；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，冲头4和环形弹簧3通过挡圈2安装在摩擦头5内部，摩擦头5下端和冲头4之间设有空腔，下模具8为平面模具，冲头4下端部分为圆柱状；
2)摩擦加热阶段：在旋转动力源的作用下，摩擦头5连同冲头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使冲头4向下运动，上板材6和下板材7的金属在摩擦头5和冲头4的共同作用力下向摩擦头5和冲头4之间的空腔内流动，上板材6和下板材7均发生塑性变形；
4)成形阶段：冲头4继续向下运动，在摩擦头5的径向限制作用下，上板材6和下板材7之间形成一个镶嵌的倒置Ω形机械锁9，即两板材连接在一起，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，带动冲头4向上运动，将冲头4和上板材6分离，并回位至初始位置，连接过程结束。
所述的下模具8内部嵌入电热丝，依靠电阻热提高摩擦加热阶段待铆接部位加热速率。
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.本发明的连接方法无需将冲头4和下模具8进行对中，提高了生产效率，下模具8表面为平面模具，制造简单，模具成本低。获得的铆接接头表面平整光滑，板材的一侧表面平整光滑，没有凸起，不但美观，而且适合应用于板材表面有相对运动的场合。
2.本发明将摩擦头5和冲头4集成在一起，在旋转动力源的作用下，摩擦头5带动冲头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)之间的平底无铆连接，可以获得无裂纹的平底无铆连接接头，降低所需铆接作用力，减少铆接缺陷，提高铆接接头的强度。
3.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。
附图说明
图1是本发明定位阶段示意图。
图2是本发明摩擦加热阶段示意图。
图3是本发明成形初期阶段示意图。
图4是本发明成形阶段及回程阶段示意图。
图5是本发明获得的铆接点倒置Ω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。
一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，包括以下步骤：
1)定位阶段：参照图1，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8上，下模具8固定不动；摩擦头5和冲头4整体向下运动，摩擦头5和冲头4将上板材6和下板材7局部定位于下模具8上，并施加压力；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，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内部的键槽和冲头4中部的键相互配合，摩擦头5下端和冲头4之间设有空腔；下模具8为平面模具，冲头4下端部分为圆柱状；
2)摩擦加热阶段：参照图2，在旋转动力源的作用下，摩擦头5连同冲头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；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；另外，为了提高加热效率，可以在下模具8内部嵌入电热丝，在摩擦加热阶段给电阻丝通电，依靠电阻热提高板材待铆接部位加热速率；
3)成形初期阶段：参照图3，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使冲头4向下运动，上板材6和下板材7的金属在摩擦头5和冲头4的共同作用力下向摩擦头5和冲头4之间的空腔内流动，上板材6和下板材7均发生塑性变形；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4和图5，冲头4继续向下运动，在摩擦头5的径向限制作用下，上板材6和下板材7之间形成一个镶嵌的倒置Ω形机械锁9，即两板材连接在一起，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4，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，带动冲头4向上运动，将冲头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 (4)

1.一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，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(8)上，下模具(8)固定不动；摩擦头(5)和冲头(4)整体向下运动，摩擦头(5)和冲头(4)将上板材(6)和下板材(7)局部定位于下模具(8)上，并施加压力；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，冲头(4)和环形弹簧(3)通过挡圈(2)安装在摩擦头(5)内部，摩擦头(5)下端和冲头(4)之间设有空腔，下模具(8)为平面模具，冲头(4)下端部分为圆柱状；
2)摩擦加热阶段：在旋转动力源的作用下，摩擦头(5)连同冲头(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)使冲头(4)向下运动，上板材(6)和下板材(7)的金属在摩擦头(5)和冲头(4)的共同作用力下向摩擦头(5)和冲头(4)之间的空腔内流动，上板材(6)和下板材(7)均发生塑性变形；
4)成形阶段：冲头(4)继续向下运动，在摩擦头(5)的径向限制作用下，上板材(6)和下板材(7)之间形成一个镶嵌的倒置Ω形机械锁(9)，即两板材连接在一起，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，带动冲头(4)向上运动，将冲头(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摩擦辅热平底无铆连接方法，其特征在于：所述的下模具(8)内部嵌入电热丝，依靠电阻热提高摩擦加热阶段待铆接部位加热速率。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，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。
4.根据权利要求1所述的一种轻量化板材的摩擦辅热平底无铆连接方法，其特征在于：所述的压头(1)和冲头(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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