CN109101701B - 一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法 - Google Patents

一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，属于自冲铆接头质量检测技术领域。本发明包括步骤：利用自冲铆接设备对试件进行铆接；在铆接过程中能够从自冲铆接设备上获得该铆接接头的载荷‑行程曲线；通过对该载荷‑行程曲线中各采样点原始数据的斜率的计算，从而确定铆钉管腿开始扩张的临界点(关键点)；通过对自冲铆接头子午面几何特征数学模型的构建以及数学推理，可以得出与关键点有关的自冲铆接头的主要质量评价指标—钉脚张开度的预测公式。本发明能够直接从载荷‑行程曲线和铆接参数计算获得钉脚张开度的具体数值，避免了对接头进行破坏性试验的检测，可以节约人力、物力和财力。

Description

一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法
技术领域
本发明涉及一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，属于自冲铆接头质量检测技术领域。
背景技术
汽车轻量化是目前汽车工业领域实现节能减排的主要途径，大量采用诸如铝合金和镁合金等轻量化合金材料是实现汽车轻量化这一目标的主要途径和方法，为了解决这些难以点焊材料的连接问题，需要先进的连接技术。自冲铆是一种薄板材料新型冷压嵌铆连接方法，板材连接的过程通过冲头将铆钉压入板材当中，铆钉管腿末端会在连接板材的过程中向四周翻开形成铆扣(机械内锁)，在不破坏下板整体强度的前提下实现两层或多层板件的连接，其具有工序简单、无污染和连接强度高等特点，在越来越多的汽车企业当中得到了应用。
无法直接从自冲铆接头的外观特征判断其成形质量的优劣，因此在实际生产中常采用剖切接头子午面几何特征检测法来判定接头成形质量。检测的三个评价指标分别是钉头高度、钉脚张开度和残余底厚，如附图1所示，其中钉脚张开度的数值大小直接决定接头的强度，其为主要质量评价指标。目前只能采用破坏性试验方法—剖切接头子午面以测量获得这三个质量评价指标，但是这种破坏性检验自冲铆接头质量好坏的方法在浪费资源的同时不能满足工厂大批量生产的实际需要。而本发明所介绍的方法能够直接由载荷-行程曲线和铆接参数计算获得钉脚张开度的具体数值，并且便于在大批量生产过程中对接头质量进行判断和监控。
发明内容
本发明提供了一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，本发明要解决的技术问题是无法从外观直接判断自冲铆接头成形质量的好坏以及大批量生产过程中接头质量的判断和监控，由于在实际的操作中需要进行破坏性的试验，造成了资源的浪费，以及不能满足工厂大批量加工的实际生产需要，因此提出了一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，可以通过载荷-行程曲线和铆接参数计算获得钉脚张开度的具体数值，进而直接预测出自冲铆接头的成形质量，并且便于大批量生产过程中接头质量的判断和监控。
本发明的技术方案是：一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，所述自冲铆接头钉脚张开度的预测方法的具体步骤如下：
Step1、利用自冲铆接设备对试件进行自冲铆连接；
Step2、在铆接过程中能够从自冲铆接设备上获得该铆接接头的载荷-行程曲线；通过对该载荷-行程曲线中各采样点原始数据的斜率的计算，最后确定铆钉管腿开始扩张的临界点，即关键点；
Step3、通过对自冲铆接头子午面几何特征数学模型的构建以及数学推理，得出与关键点有关的自冲铆接头钉脚张开度的预测公式。
所述Step3中，通过分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型来确定自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式如下所示：
Figure BDA0001737261780000021
其中，C2为铆钉3的长度相关系数，取决于铆钉3是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程，d0为关键点S'对应的行程，C1为铆接所采用的模具4和铆钉3匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，其取值范围为0≤C1≤1，Dd为模具4内径，Rr为铆钉3管腿半径，t1与t2分别为上板1与下板2的厚度，h为模具4的深度。
所述步骤Step1中，对试件在进行清洗、画线操作后在自冲铆接设备上进行两个试件的自冲铆连接。
所述步骤Step2的具体步骤如下：
Step2.1、在对两个试件进行自冲铆连接时，能从自冲铆接设备获得该次铆接过程的载荷-行程曲线，通过载荷-行程曲线观察出在铆接过程中载荷随位移发生的变化，通过确定和提取各个采样点的载荷和行程数值，对各个采样点的载荷和行程数值进行处理，来获得各个采样点的斜率，计算公式如下所示：
Figure BDA0001737261780000022
其中，F'表示某采样点处的斜率，F表示某采样点的载荷，S表示某采样点的行程；△F表示相邻两个采样点的载荷差值，△F能用Fn-Fn-1计算得到，Fn表示采样点n点的载荷，Fn-1表示采样点n-1点的载荷，△S表示相邻两个采样点的行程差值，△S能用Sn-Sn-1计算得到，Sn表示采样点n点的行程，Sn-1表示采样点n-1点的行程；
Step2.2、依次循环Step2.1利用上述公式的计算方式，从而求出所有采样点即行程点的斜率大小；
Step2.3、再通过下述公式求出采样点n点斜率的导数；
Figure BDA0001737261780000031
其中，F”表示某采样点斜率的导数，F'表示某采样点的斜率，S表示某采样点的行程；△F'表示相邻两个采样点的斜率差值，△F'能用F'n-F'n-1计算得到，F'n表示采样点n点的斜率，F'n-1示采样点n-1点的斜率，△S表示相邻两个采样点的行程差值，能用Sn-Sn-1计算得到；
Step2.4、依次循环Step2.3求出所有采样点的斜率的导数；
Step2.4、当求出的采样点的斜率的导数为零时，表明此时对应的采样点为关键点S'。
所述步骤Step3中，所述自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式的推导过程如下：
分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型示意图，通过几何关系得到：
Figure BDA0001737261780000032
其中，A点为铆钉3脚尖与上板1相接触的点投影到模具4上的点；B点为模具4底面与侧面的拐点，且A点与B点的连线垂直于模具4侧面，B点到模具4中心线的距离为模具4内径的一半，C点为自冲铆接头成型以后铆钉3脚尖所在的位置，O点就是关键点，也就是钉脚开始扩张点，E点为OC延长线与AB的交点，它出现在AB上的何处，取决于模钉比，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，Z点为模具4中心线投影到模具4上的点，且在线段BA的延长线上；
C1为铆接所采用的模具4和铆钉3匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，ZB表示B点距离中心线距离即模具4内径一半Dd/2，ZA表示铆钉3脚未张开时A点距离中心线的距离即为铆钉3管腿半径Rr；当铆钉3硬度大或模具4内径小时，E点则接近A点，极限值C1为0；当铆钉3硬度小或模具4内径大时，E点则逐渐靠近B点，极限值C1为1，则模钉相关系数取值范围为：0≤C1≤1；
点O、A和E三点能通过直角三角形OAE进行几何尺寸的计算，其中：
OA＝(t1+t2+h-d0)
Figure BDA0001737261780000041
假设铆钉3扩张路径近似为直线，即OE为直线，因此：
OC＝C2×(dmax-d0)
其中，t1与t2分别为上板1与下板2的厚度，h为模具4的深度，d0为关键点S'对应的行程，OA为铆钉3行程为d0时钉脚尖到模具4内壁的竖直距离；C2为铆钉3的长度相关系数，取决于铆钉3是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程；
因为，C点为自冲铆接头成型以后铆钉3脚尖所在的位置，位于线段OE上，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，通过数学公式推导得出：
Figure BDA0001737261780000042
将AE、OC和OE的公式带入，即计算得到自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式为：
Figure BDA0001737261780000043
对于给定的自冲铆接头，基板厚度已知，其所采用的模具与铆钉工艺参数如模具4内径、模具4深度及铆钉3管腿内径参数均可直接获得，铆钉管腿开始扩张关键点行程及最大行程均通过载荷-行程曲线获得，因此，通过自冲铆接钉脚张开度简单预测公式，能不破坏接头而成功预测自冲铆接头钉脚张开度的数值。
本发明的有益效果是：
1、本发明所述的方法能够实现在板材进行自冲铆接的过程中，由载荷-行程曲线可获得各采样点原始数据，通过对这些数据的提取和处理，可以直接找到铆钉由刺穿转入扩张的关键点，从而计算出自冲铆接头中钉脚张开度的数值，进而直接判断自冲铆接头质量的优劣；为实现自冲铆接头钉脚张开度的无损检测和定量分析各工艺参数对自冲接头成形的影响提供科学依据，在节约资源的同时也为工厂大批量的生产提供了理论支持和检测方法上的便利；
2、与传统的检测方法相比，本发明所介绍的方法能够直接从载荷-行程曲线和铆接参数计算获得钉脚张开度的具体数值，避免了对接头进行破坏性试验的检测，可以节约人力、物力和财力，同时该方法易于与连接设备相结合，便于在大批量生产过程中对接头质量进行判断和监控，能够满足工厂大规模连续生产的实际需求。
附图说明
图1为本发明自冲铆接头子午面的横截面图；
图2为本发明自冲铆单搭形式示意图；
图3为本发明载荷-行程曲线图；
图4为本发明自冲铆接头未铆接时的子午面几何特征数学模型示意图。
图1-4中各标号：1-上板，2-下板，3-铆钉，4-模具。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，所述自冲铆接头钉脚张开度的预测方法的具体步骤如下：
Step1、利用自冲铆接设备对试件进行自冲铆连接；
如图1、2所示，对试件在进行清洗、画线操作后在自冲铆接设备上进行两个试件的自冲铆连接，本发明以两块厚2mm的AA5052铝合金板材(上板1、下板2)为例，设置铆接工艺参数，进行连接，获得自冲铆接头；
Step2、在铆接过程中能够从自冲铆接设备上获得该铆接接头的载荷-行程曲线；通过对该载荷-行程曲线中各采样点原始数据的斜率的计算，最后确定铆钉管腿开始扩张的临界点，即关键点；
所述步骤Step2的具体步骤如下：
Step2.1、如图3所示，在对两个试件进行自冲铆连接时，能从自冲铆接设备获得该次铆接过程的载荷-行程曲线，通过载荷-行程曲线能观察出在铆接过程中载荷随位移发生的变化，通过确定和提取各个采样点的载荷和行程数值，对各个采样点的载荷和行程数值进行处理，来获得各个采样点的斜率，计算公式如下所示：
Figure BDA0001737261780000051
其中，F'表示某采样点处的斜率，F表示某采样点的载荷，S表示某采样点的行程；△F表示相邻两个采样点的载荷差值，△F能用Fn-Fn-1计算得到，Fn表示采样点n点的载荷，Fn-1表示采样点n-1点的载荷，△S表示相邻两个采样点的行程差值，△S能用Sn-Sn-1计算得到，Sn表示采样点n点的行程，Sn-1表示采样点n-1点的行程；
Step2.2、依次循环Step2.1利用上述公式的计算方式，从而求出所有采样点即行程点的斜率大小；
Step2.3、再通过下述公式求出采样点n点斜率的导数；
Figure BDA0001737261780000061
其中，F”表示某采样点斜率的导数，F'表示某采样点的斜率，S表示某采样点的行程；△F'表示相邻两个采样点的斜率差值，△F'能用F'n-F'n-1计算得到，F'n表示采样点n点的斜率，F'n-1示采样点n-1点的斜率，△S表示相邻两个采样点的行程差值，能用Sn-Sn-1计算得到；
Step2.4、依次循环Step2.3求出所有采样点的斜率的导数；
Step2.4、当求出的采样点的斜率的导数为零时，表明此时对应的采样点为关键点S'。
Step3、通过对自冲铆接头子午面几何特征数学模型的构建以及数学推理，得出与关键点有关的自冲铆接头钉脚张开度的预测公式。
具体的，如图4所示，通过分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型来确定自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式如下所示：
Figure BDA0001737261780000062
其中，C2为铆钉3的长度相关系数，取决于铆钉3是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程，d0为关键点S'对应的行程，C1为铆接所采用的模具4和铆钉3匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，其取值范围为0≤C1≤1，Dd为模具4内径，Rr为铆钉3管腿半径，t1与t2分别为上板1与下板2的厚度，h为模具4的深度。
进一步的，所述步骤Step3中，所述自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式的推导过程如下：
分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型示意图，通过几何关系得到：
Figure BDA0001737261780000063
其中，A点为铆钉3脚尖与上板1相接触的点投影到模具4上的点；B点为模具4底面与侧面的拐点，且A点与B点的连线垂直于模具4侧面，B点到模具4中心线的距离为模具4内径的一半，C点为自冲铆接头成型以后铆钉3脚尖所在的位置，O点就是关键点，也就是钉脚开始扩张点，E点为OC延长线与AB的交点，它出现在AB上的何处，取决于模钉比，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，Z点为模具4中心线投影到模具4上的点，且在线段BA的延长线上；
C1为铆接所采用的模具4和铆钉3匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，ZB表示B点距离中心线距离即模具4内径一半Dd/2，ZA表示铆钉3脚未张开时A点距离中心线的距离即为铆钉3管腿半径Rr；当铆钉3硬度大或模具4内径小时，E点则接近A点，极限值C1为0；当铆钉3硬度小或模具4内径大时，E点则逐渐靠近B点，极限值C1为1，则模钉相关系数取值范围为：0≤C1≤1；
点O、A和E三点能通过直角三角形OAE进行几何尺寸的计算，其中：
OA＝(t1+t2+h-d0)
Figure BDA0001737261780000071
假设铆钉3扩张路径近似为直线，即OE为直线，因此：
OC＝C2×(dmax-d0)
其中，t1与t2分别为上板1与下板2的厚度，h为模具4的深度，d0为关键点S'对应的行程，OA为铆钉3行程为d0时钉脚尖到模具4内壁的竖直距离；C2为铆钉3的长度相关系数，取决于铆钉3是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程；
因为，C点为自冲铆接头成型以后铆钉3脚尖所在的位置，位于线段OE上，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，通过数学公式推导得出：
Figure BDA0001737261780000072
将AE、OC和OE的公式带入，即计算得到自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式为：
Figure BDA0001737261780000073
对于给定的自冲铆接头，基板厚度已知，其所采用的模具与铆钉工艺参数如模具4内径、模具4深度及铆钉3管腿内径参数均可直接获得，铆钉管腿开始扩张关键点行程及最大行程均通过载荷-行程曲线获得，因此，通过自冲铆接钉脚张开度简单预测公式，能不破坏接头而成功预测自冲铆接头钉脚张开度的数值。
本发明做了几组实验，其中的参数及结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0001737261780000081
通过表1中看出，通过本发明的预测方法得到的预测值和对应着通过破坏性剖切实验得到的钉脚张开度实际值的误差均在6％以内，由此可见，本发明的预测效果比较好。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，其特征在于：所述自冲铆接头钉脚张开度的预测方法的具体步骤如下：
Step1、利用自冲铆接设备对试件进行自冲铆连接；
Step2、在铆接过程中能够从自冲铆接设备上获得该铆接接头的载荷-行程曲线；通过对该载荷-行程曲线中各采样点原始数据的斜率的计算，最后确定铆钉管腿开始扩张的临界点，即关键点；
Step3、通过对自冲铆接头子午面几何特征数学模型的构建以及数学推理，得出与关键点有关的自冲铆接头钉脚张开度的预测公式；
所述步骤Step2的具体步骤如下：
Step2.1、在对两个试件进行自冲铆连接时，能从自冲铆接设备获得该次铆接过程的载荷-行程曲线，通过载荷-行程曲线观察出在铆接过程中载荷随位移发生的变化，通过确定和提取各个采样点的载荷和行程数值，对各个采样点的载荷和行程数值进行处理，来获得各个采样点的斜率，计算公式如下所示：
Figure FDA0003229143490000011
其中，F'表示某采样点处的斜率，F表示某采样点的载荷，S表示某采样点的行程；△F表示相邻两个采样点的载荷差值，△F能用Fn-Fn-1计算得到，Fn表示采样点n点的载荷，Fn-1表示采样点n-1点的载荷，△S表示相邻两个采样点的行程差值，△S能用Sn-Sn-1计算得到，Sn表示采样点n点的行程，Sn-1表示采样点n-1点的行程；
Step2.2、依次循环Step2.1利用上述公式的计算方式，从而求出所有采样点即行程点的斜率大小；
Step2.3、再通过下述公式求出采样点n点斜率的导数；
Figure FDA0003229143490000012
其中，F”表示某采样点斜率的导数，F'表示某采样点的斜率，S表示某采样点的行程；△F'表示相邻两个采样点的斜率差值，△F'能用F'n-F'n-1计算得到，F'n表示采样点n点的斜率，F'n-1示采样点n-1点的斜率，△S表示相邻两个采样点的行程差值，能用Sn-Sn-1计算得到；
Step2.4、依次循环Step2.3求出所有采样点的斜率的导数；
Step2.4、当求出的采样点的斜率的导数为零时，表明此时对应的采样点为关键点S'。
2.根据权利要求1所述的自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，其特征在于：所述Step3中，通过分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型来确定自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式如下所示：
Figure FDA0003229143490000021
其中，C2为铆钉(3)的长度相关系数，取决于铆钉(3)是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程，d0为关键点S'对应的行程，C1为铆接所采用的模具(4)和铆钉(3)匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，其取值范围为0≤C1≤1，Dd为模具(4)内径，Rr为铆钉(3)管腿半径，t1与t2分别为上板(1)与下板(2)的厚度，h为模具(4)的深度。
3.根据权利要求1所述的自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，其特征在于：所述步骤Step1中，对试件在进行清洗、画线操作后在自冲铆接设备上进行两个试件的自冲铆连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的自冲铆接头钉脚张开度的预测方法，其特征在于：
所述步骤Step3中，所述自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式的推导过程如下：
分析建立的自冲铆接头子午面几何特征数学模型示意图，通过几何关系得到：
Figure FDA0003229143490000022
其中，A点为铆钉(3)脚尖与上板(1)相接触的点投影到模具(4)上的点；B点为模具(4)底面与侧面的拐点，且A点与B点的连线垂直于模具(4)侧面，B点到模具(4)中心线的距离为模具(4)内径的一半，C点为自冲铆接头成型以后铆钉(3)脚尖所在的位置，O点就是关键点，也就是钉脚开始扩张点，E点为OC延长线与AB的交点，它出现在AB上的何处，取决于模钉比，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，Z点为模具(4)中心线投影到模具(4)上的点，且在线段BA的延长线上；
C1为铆接所采用的模具(4)和铆钉(3)匹配条件相关的系数，简称模钉相关系数，ZB表示B点距离中心线距离即模具(4)内径一半Dd/2，ZA表示铆钉(3)脚未张开时A点距离中心线的距离即为铆钉(3)管腿半径Rr；当铆钉(3)硬度大或模具(4)内径小时，E点则接近A点，极限值C1为0；当铆钉(3)硬度小或模具(4)内径大时，E点则逐渐靠近B点，极限值C1为1，则模钉相关系数取值范围为：0≤C1≤1；
点O、A和E三点能通过直角三角形OAE进行几何尺寸的计算，其中：
OA＝(t1+t2+h-d0)
Figure FDA0003229143490000031
假设铆钉(3)扩张路径近似为直线，即OE为直线，因此：
OC＝C2×(dmax-d0)
其中，t1与t2分别为上板(1)与下板(2)的厚度，h为模具(4)的深度，d0为关键点S'对应的行程，OA为铆钉(3)行程为d0时钉脚尖到模具(4)内壁的竖直距离；C2为铆钉(3)的长度相关系数，取决于铆钉(3)是否充分张开，其取值范围为0≤C2≤1，dmax为铆接接头的载荷-行程曲线中总的行程；
因为，C点为自冲铆接头成型以后铆钉(3)脚尖所在的位置，位于线段OE上，D点为对应C点在线段AE上的一点，使三角形AOE和三角形DCE相似，通过数学公式推导得出：
Figure FDA0003229143490000032
将AE、OC和OE的公式带入，即计算得到自冲铆接头钉脚张开度的数值△d的预测公式为：
Figure FDA0003229143490000033
对于给定的自冲铆接头，基板厚度已知，其所采用的模具与铆钉工艺参数如模具(4)内径、模具(4)深度及铆钉(3)管腿内径参数均可直接获得，铆钉管腿开始扩张关键点行程及最大行程均通过载荷-行程曲线获得，因此，通过自冲铆接钉脚张开度简单预测公式，能不破坏接头而成功预测自冲铆接头钉脚张开度的数值。
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