CN109365713A - 一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法，将冲头辅助装置套设于冲头外侧，利用驱动机构驱动冲头辅助装置的中空变幅机构进行变幅振动，将变幅机构的振动传递到与其螺纹连接的冲头，进行振动辅助。本发明中振动通过铆钉传递到待连接件上，促使待连接件之间接触充分，防止金属板材开裂、降低铆接所需压力，促进设备轻量化，促使铆钉、板材、凹模间充分接触，提高铆接质量，提高连接可靠性，可在传统自冲铆设备上叠加，具有结构简单、可操作性强等优点。本发明在传统SPR工艺基础上添加微幅可控的纵扭复合振动辅助激励，提高SPR工艺的应用范围和待连接件间的连接可靠性，结构简单、可操作性强、改善制造过程、提高成品质量。

Description

一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法

技术领域

本发明涉及金属板或管、棒或型材的基本无切削加工或处理；冲压的技术领域，特别涉及一种自冲铆接过程中用于振动辅助的适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法。

背景技术

目前在国家的支持和市场的利好下，动力锂电池行业发展非常迅速，其应用已经扩展到了电动大巴、电动小汽车、微公交和储能等领域。

当前汽车行业车身装配中使用的主要连接方法有电阻点焊和自冲铆接。

电阻点焊在焊接单一材料的传统钢制车身时具有不可替代的优势，已在工业界上大规模成功应用了几十年，然而近年来，随着汽车轻量化的需求不断提高，车身材料向多样化、轻质化转变，对于异种材料的连接来说，电阻点焊具有明显的不足，可焊性差、焊接温度高、焊接质量差。

自冲铆接机(SPR，Self Piercing Riveting Machine)首先对待连接板件进行预压，防止板件在铆接过程中出现不良变形如凹陷、扭曲等，在预压状态下自冲铆接机将铆钉顶出进入待铆接位置，在压力的作用下，自冲铆钉刺穿第一层板件，铆钉在下压过程中受下模的作用，底部扩张为喇叭口，形成镶嵌连接体。SPR技术(自冲铆接技术)作为一种常用的板材连接技术，具有工序周期短，不刺穿底层板材、可连接异种材料、铆接时无烟尘火花等优点，特别适用于铝合金等塑性良好的材料，然而对于塑性差、强度高的材料如镁合金、高强钢等，自冲铆接过程中易造成金属开裂，铆接力大，金属成型困难、接头力学性能差。

发明内容

本发明解决了现有技术中，电阻点焊在异种材料的连接上存在可焊性差、焊接温度高、焊接质量差的问题，而自冲铆接对于塑性差、强度高的材料，如镁合金、高强钢等易造成金属开裂，存在铆接力大、金属成型困难、接头力学性能差等缺陷，本发明提供了一种优化的适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法。

本发明所采用的技术方案是，一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，所述冲头辅助装置套设于冲头外侧，所述冲头辅助装置包括中空的变幅机构，所述变幅机构配合设有驱动机构，所述变幅机构与所述冲头螺纹连接。

优选地，所述变幅机构包括第一变幅杆，所述第一变幅杆为中空杆体，所述杆体上均匀设有若干长条斜孔，相邻的所述长条斜孔的任一水平位置的间距相等。

优选地，所述第一变幅杆底部设有第二变幅杆，所述第一变幅杆和第二变幅杆通过螺栓连接，所述第二变幅杆与所述冲头螺纹连接。

优选地，所述第二变幅杆外为台阶结构，所述第二变幅杆朝向第一变幅杆的顶面的直径大于第二变幅杆背向第一变幅杆的底面的直径。

优选地，所述长条斜孔的最高点与最低点间的连接线与垂直面呈θ角设置，20°≤θ≤60°。

优选地，所述驱动机构包括同轴套设于冲头外侧的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设于变幅机构的顶部，所述压电陶瓷片连接至电源。

优选地，所述压电陶瓷片的顶部设有端盖，所述端盖同轴套设于冲头外侧。

优选地，所述冲头底部同轴设有铆钉槽，所述冲头下部配合设有凹模。

一种采用所述的用于自冲铆接的冲头辅助装置的自冲铆接方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：配置冲头辅助装置；

步骤2：将配置完成的冲头辅助装置套设在冲头外侧，将第二变幅杆与冲头螺纹连接固定；

步骤3：在冲头底部的铆钉槽内放置铆钉，将铆钉对准冲头正下方的凹模；

步骤4：在凹模上放置需要被连接的2块待连接件，2块待连接件充分接触，将需要被铆接的位置对准铆钉槽和凹模的中心连线；

步骤5：启动冲机，冲头带动冲头辅助装置下行，铆钉底端距离2块待连接件距离为1-2mm时，启动冲头辅助装置；

步骤6：铆钉贯穿第一块待连接件，并将第二块待连接件冲压至形变，形变位置完全填充凹模；关闭冲机，保持冲头辅助装置工作1-2s；

步骤7：完成2块待连接件间的自冲铆接，铆钉留在已完成连接的连接件中，关闭振动开关，冲机复位。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于冲头辅助装置需要工作在谐振状态，联立系统频率公式：

其中，k₀、k₁和k₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的圆波数量，l₀、l₁和l₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆端部的厚度，ρ₀、ρ₁和ρ₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的材料密度，c₀、c₁和c₂分别为声波在压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆中的传播速度，S₀、S₁和S₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的横截面积；F为压电陶瓷片产生的纵向激振力；

步骤1.2：预设冲头辅助装置的振动频率f及压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的材料弹性模量E，由k＝2πf/c及计算得到压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的圆波数量、厚度和横截面积；

步骤1.3：基于冲头辅助装置的振动传播有效性、强度及声波在材料中的传递性，所述长条斜孔的宽度需满足振动扭矩其中，n为第一变幅杆上长条斜孔的数量，R为第一变幅杆的外径，r为第一变幅杆的内径，p为长条斜孔的长度，F为纵向激振力，θ为长条斜孔的斜度；

步骤1.4：纵向振动能量为扭矩和θ的乘积，计算θ。

本发明提供了一种优化的适用于自冲铆接的冲头辅助装置及自冲铆接方法，通过将冲头辅助装置套设于冲头外侧，利用驱动机构驱动冲头辅助装置的中空变幅机构进行变幅振动，将变幅机构的振动传递到与其螺纹连接的冲头，对SPR工艺进行振动辅助。

本发明具有以下有益效果：

(1)振动通过铆钉传递到待连接件上，促使待连接件之间接触充分；

(2)振动通过铆钉、待连接板之间的相互摩擦，促进金属流动，防止金属板材开裂、降低铆接过程所需成型压力，促进铆接设备的轻量化；

(3)振动促进金属流动，促使铆钉与板材、板材与凹模之间充分接触，提高铆接接头的质量，进而提高连接的可靠性；

(4)可以在传统自冲铆设备上叠加，具有结构简单、可操作性强等优点。

本发明在传统的SPR工艺基础上添加微幅可控的纵扭复合振动辅助激励，提高SPR工艺的应用范围和待连接件间的连接可靠性，结构简单、可操作性强、改善制造过程、提高成品质量。

附图说明

图1为本发明的冲头辅助装置的剖视图结构示意图；

图2为本发明的变幅机构的结构示意图；

图3为本发明的冲头辅助装置在自冲铆接时与待连接件和凹模配合的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明涉及一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，所述冲头辅助装置套设于冲头1外侧，所述冲头辅助装置包括中空的变幅机构，所述变幅机构配合设有驱动机构，所述变幅机构与所述冲头1螺纹连接。

本发明中，冲头辅助装置套设于冲头1外侧，其作为冲头1的振动辅助，利用驱动机构驱动中空变幅机构进行变幅振动，将变幅机构的振动传递到冲头1，对SPR工艺进行振动辅助。

本发明中，变幅机构与冲头1螺纹连接，位置调节便利，同时亦更便于冲头辅助装置与冲头1的耦合。

本发明在传统的SPR工艺基础上添加微幅可控的纵扭复合振动辅助激励，提高SPR工艺的应用范围和待连接件间的连接可靠性，结构简单、可操作性强、改善制造过程、提高成品质量。

所述变幅机构包括第一变幅杆2，所述第一变幅杆2为中空杆体，所述杆体上均匀设有若干长条斜孔3，相邻的所述长条斜孔3的任一水平位置的间距相等。

所述第一变幅杆2底部设有第二变幅杆4，所述第一变幅杆2和第二变幅杆4通过螺栓连接，所述第二变幅杆4与所述冲头1螺纹连接。

所述第二变幅杆4外为台阶结构，所述第二变幅杆4朝向第一变幅杆2的顶面的直径大于第二变幅杆4背向第一变幅杆2的底面的直径。

所述长条斜孔3的最高点与最低点间的连接线与垂直面呈θ角设置，20°≤θ≤60°。

本发明中，变幅机构中施加微幅可控的纵扭复合振动主要是由第一变幅杆2完成的，其通过在杆体上设置均匀分布的长条斜孔3，可以将驱动机构产生的纵向振动转换为纵扭方向的振动。纵扭振动的振动频率和振幅根据待连接件材料参数确定，并通过压电陶瓷、变幅杆尺寸进行调节。

本发明中，为了保证纵扭方向的振动从顶到底是均匀的，故相邻的长条斜孔3的任一水平位置的间距相等，即若干长条斜孔3形成均匀的螺旋槽，所有长条斜孔3在水平面上的投影长度一致、相邻的长条斜孔3在水平面上的投影的夹角相等。

本发明中，长条斜孔3的最高点与最低点间的连接线与垂直面间的角度在20°到60°间，一般情况下，当θ设置为45°时，纵向振动能量最大。

本发明中，在第一变幅杆2底部还设有第二变幅杆4，其主要用于振动传导，即将纵扭振动信号耦合到冲头1上。在实际应用中，第二变幅杆4一般仅在中心位置设置用于与冲头1配合的通孔5，其余部分为实心结构，故第二变幅杆4在一定程度上还可以起到对于振动增幅的作用，而为了更好的增幅，第二变幅杆4外为台阶结构，具体来说，第二变幅杆4的上表面与第一变幅杆2边缘一致贴合设置，而第二变幅杆4的下表面的直径要小于第二变幅杆4的上表面的直径。

本发明中，为了保证冲头辅助装置整体的作业稳定，故以第二变幅杆4与冲头1螺纹连接，而第一变幅杆2和第二变幅杆4间通过螺栓连接。

所述驱动机构包括同轴套设于冲头1外侧的压电陶瓷片6，所述压电陶瓷片6设于变幅机构的顶部，所述压电陶瓷片6连接至电源。

所述压电陶瓷片6的顶部设有端盖7，所述端盖7同轴套设于冲头1外侧。

本发明中，将驱动机构设置为压电陶瓷片6，应用了压电陶瓷的将机械能和电能互相转换的性能，以压电陶瓷片6作为超声波换能器，将输入的电功率转换成机械功率传递，消耗少，使用安全。

本发明中，在压电陶瓷片6的顶部设置端盖7，保证了整体装置的使用安全、结构稳定。

所述冲头1底部同轴设有铆钉槽8，所述冲头1下部配合设有凹模9。

本发明还涉及一种采用所述的用于自冲铆接的冲头辅助装置的自冲铆接方法，所述方法包括以下步骤。

步骤1：配置冲头辅助装置。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于冲头辅助装置需要工作在谐振状态，联立系统频率公式：

其中，k₀、k₁和k₂分别为压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2的圆波数量，l₀、l₁和l₂分别为压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2端部的厚度，ρ₀、ρ₁和ρ₂分别为压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2的材料密度，c₀、c₁和c₂分别为声波在压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2中的传播速度，S₀、S₁和S₂分别为压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2的横截面积；F为压电陶瓷片6产生的纵向激振力；

步骤1.2：预设冲头辅助装置的振动频率f及压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2的材料弹性模量E，由k＝2πf/c及计算得到压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2的圆波数量、厚度和横截面积；

步骤1.3：基于冲头辅助装置的振动传播有效性、强度及声波在材料中的传递性，所述长条斜孔3的宽度需满足振动扭矩其中，n为第一变幅杆2上长条斜孔3的数量，R为第一变幅杆2的外径，r为第一变幅杆2的内径，p为长条斜孔3的长度，F为纵向激振力，θ为长条斜孔3的斜度；

步骤1.4：纵向振动能量为扭矩和θ的乘积，计算θ。

本发明中，给出一个实施例，当振动频率f为20KHz，端盖7为45#钢，第一变幅杆2为铝合金时，计算得到设置值，压电陶瓷片6的厚度为6mm，压电陶瓷片6、端盖7和第一变幅杆2具有相同的内径和外径，即外径为50mm、内径为15mm，端盖7的厚度为8mm，第一变幅杆2与压电陶瓷片6处连接面的厚度为10mm。

本发明中，一般情况下，n为偶数，如4、6、8；p为第一变幅杆2长度的2/3。

本发明中，根据声波在材料中的传递特性，设倾斜角为θ，纵向激振力在长条斜孔3处的力可以分解为纵向力和横向力，即产生扭矩M，根据待连接件的材料特性选择适合的能量分配、确定合适的扭矩，进而确定合适的倾斜角θ，一般情况下，θ为45°

步骤2：将配置完成的冲头辅助装置套设在冲头1外侧，将第二变幅杆4与冲头1螺纹连接固定。

步骤3：在冲头1底部的铆钉槽8内放置铆钉10，将铆钉10对准冲头1正下方的凹模9。

步骤4：在凹模9上放置需要被连接的2块待连接件，2块待连接件充分接触，将需要被铆接的位置对准铆钉槽8和凹模9的中心连线。

步骤5：启动冲机，冲头1带动冲头辅助装置下行，铆钉10底端距离2块待连接件距离为1-2mm时，启动冲头辅助装置。

步骤6：铆钉10贯穿第一块待连接件11，并将第二块待连接件12冲压至形变，形变位置完全填充凹模9；关闭冲机，保持冲头辅助装置工作1-2s。

步骤7：完成2块待连接件间的自冲铆接，铆钉10留在已完成连接的连接件中，关闭振动开关，冲机复位。

本发明通过将冲头辅助装置套设于冲头1外侧，利用驱动机构驱动冲头辅助装置的中空变幅机构进行变幅振动，将变幅机构的振动传递到与其螺纹连接的冲头1，对SPR工艺进行振动辅助。本发明中，振动通过铆钉10传递到待连接件上，促使待连接件之间接触充分；振动通过铆钉10、待连接板之间的相互摩擦，促进金属流动，防止金属板材开裂、降低铆接过程所需成型压力，促进铆接设备的轻量化；振动促进金属流动，促使铆钉10与板材、板材与凹模9之间充分接触，提高铆接接头的质量，进而提高连接的可靠性；可以在传统自冲铆设备上叠加，具有结构简单、可操作性强等优点。

本发明在传统的SPR工艺基础上添加微幅可控的纵扭复合振动辅助激励，提高SPR工艺的应用范围和待连接件间的连接可靠性，结构简单、可操作性强、改善制造过程、提高成品质量。

Claims (10)

1.一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，所述冲头辅助装置套设于冲头外侧，其特征在于：所述冲头辅助装置包括中空的变幅机构，所述变幅机构配合设有驱动机构，所述变幅机构与所述冲头螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述变幅机构包括第一变幅杆，所述第一变幅杆为中空杆体，所述杆体上均匀设有若干长条斜孔，相邻的所述长条斜孔的任一水平位置的间距相等。

3.根据权利要求2所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述第一变幅杆底部设有第二变幅杆，所述第一变幅杆和第二变幅杆通过螺栓连接，所述第二变幅杆与所述冲头螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述第二变幅杆外为台阶结构，所述第二变幅杆朝向第一变幅杆的顶面的直径大于第二变幅杆背向第一变幅杆的底面的直径。

5.根据权利要求2所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述长条斜孔的最高点与最低点间的连接线与垂直面呈θ角设置，20°≤θ≤60°。

6.根据权利要求1所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述驱动机构包括同轴套设于冲头外侧的压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设于变幅机构的顶部，所述压电陶瓷片连接至电源。

7.根据权利要求6所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述压电陶瓷片的顶部设有端盖，所述端盖同轴套设于冲头外侧。

8.根据权利要求1所述的一种适用于自冲铆接的冲头辅助装置，其特征在于：所述冲头底部同轴设有铆钉槽，所述冲头下部配合设有凹模。

9.一种采用权利要求1～8之一所述的用于自冲铆接的冲头辅助装置的自冲铆接方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：配置冲头辅助装置；

步骤2：将配置完成的冲头辅助装置套设在冲头外侧，将第二变幅杆与冲头螺纹连接固定；

步骤3：在冲头底部的铆钉槽内放置铆钉，将铆钉对准冲头正下方的凹模；

步骤4：在凹模上放置需要被连接的2块待连接件，2块待连接件充分接触，将需要被铆接的位置对准铆钉槽和凹模的中心连线；

步骤5：启动冲机，冲头带动冲头辅助装置下行，铆钉底端距离2块待连接件距离为1-2mm时，启动冲头辅助装置；

步骤6：铆钉贯穿第一块待连接件，并将第二块待连接件冲压至形变，形变位置完全填充凹模；关闭冲机，保持冲头辅助装置工作1-2s；

步骤7：完成2块待连接件间的自冲铆接，铆钉留在已完成连接的连接件中，关闭振动开关，冲机复位。

10.根据权利要求9所述的一种用于自冲铆接的冲头辅助装置的自冲铆接方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：基于冲头辅助装置需要工作在谐振状态，联立系统频率公式：

其中，k₀、k₁和k₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的圆波数量，l₀、l₁和l₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆端部的厚度，ρ₀、ρ₁和ρ₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的材料密度，c₀、c₁和c₂分别为声波在压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆中的传播速度，S₀、S₁和S₂分别为压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的横截面积；F为压电陶瓷片产生的纵向激振力；

步骤1.2：预设冲头辅助装置的振动频率f及压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的材料弹性模量E，由k＝2πf/c及计算得到压电陶瓷片、端盖和第一变幅杆的圆波数量、厚度和横截面积；

步骤1.3：基于冲头辅助装置的振动传播有效性、强度及声波在材料中的传递性，所述长条斜孔的宽度需满足振动扭矩其中，n为第一变幅杆上长条斜孔的数量，R为第一变幅杆的外径，r为第一变幅杆的内径，p为长条斜孔的长度，F为纵向激振力，θ为长条斜孔的斜度；

步骤1.4：纵向振动能量为扭矩和θ的乘积，计算θ。