CN109433997A - 一种旋转摩擦挤压铆接装置及其铆接方法 - Google Patents

一种旋转摩擦挤压铆接装置及其铆接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转摩擦挤压铆接装置，包括工作台、工作头、支撑板及工作头驱动控制装置。工作头包括夹持装置和摩擦头，摩擦头底端加工有球面凹槽，支撑板上表面加工有圆形凹槽，与平头铆钉的平头端相配合。还公开一种铆接方法，包括以下步骤：a、两工件搭接固定,使对应的圆形通孔共轴线；b、平头铆钉的平头端插入支撑板圆形凹槽，移动支撑板至抵靠工件表面且使平头铆钉插入工件圆形通孔；c、摩擦头旋转并轴向挤压铆钉至摩擦头底面与工件表面接触；d、针对另一平头铆钉重复步骤c；e、待工件冷却，即完成铆接连接。本发明的装置结构简单、易于制造，本发明的铆接方法适用性强，能够一次性获得成型美观、力学性能优异的接头。

Description

一种旋转摩擦挤压铆接装置及其铆接方法
技术领域
本发明涉及金属连接技术领域，具体为一种旋转摩擦挤压铆接装置及其铆接方法。
背景技术
铆接技术是汽车制造、航空航天等领域不可或缺的连接技术，传统的冷铆技术通常用在小直径的铆钉上，同时对铆钉材料的塑性要求较高；热铆是将铆钉加热到一定温度后进行的铆接方法，适用直径较大和材质塑性较差的铆钉，但是由于需要额外加热，铆接过程能耗较大，传统热铆接过程中需将加热到一定温度的铆钉插入钉孔，操作危险系数较高，并且要求加热装置靠近操作场地。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为了克服现有热铆技术中存在的不足，本发明目的是提供一种结构简单的旋转摩擦挤压铆接装置，本发明的另一目的是提供一种利用该装置的铆接方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明的技术方案1为一种旋转摩擦挤压铆接装置，包括工作台、工作头、支撑板及工作头驱动控制装置，其中，
工作台用于使第一工件和第二工件搭接固定，且使第一工件上的一个以上圆形通孔和第二工件上的相应一个以上圆形通孔共轴线，其中第一工件上的所述一个以上圆形通孔与第二工件上的所述相应一个以上圆形通孔具有相等孔径，分别供平头铆钉的钉杆插入；
支撑板设在第二工件侧，平行于工件表面，支撑板面对工件的表面加工有位置与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔对应且形状与平头铆钉的平头匹配的一个以上支撑板圆形凹槽，一个以上平头铆钉的平头分别纳入支撑板圆形凹槽内，支撑板用于向工件位移至抵靠工件表面且使一个以上平头铆钉的钉杆分别插入第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔；
工作头设在平头铆钉的钉杆端，包括夹持装置和摩擦头，夹持装置一端可操作地连接至工作头驱动控制装置，另一端与摩擦头的一端固定连接，摩擦头的另一端设有摩擦头球面凹槽；
工作头驱动控制装置驱动夹持装置，从而带动摩擦头旋转和位移，使摩擦头球面凹槽逐一与一个以上平头铆钉对准且摩擦挤压平头铆钉的钉杆端，在钉杆端形成与摩擦头球面凹槽形状相同的球冠钉头结构，对第一工件和第二工件起到铆接固定作用。
优选地，平头铆钉的钉杆半径比第一工件的圆形通孔半径小0.5～1mm。
优选地，所述支撑板圆形凹槽的形状与平头铆钉的平头匹配包括：所述支撑板圆形凹槽的圆面半径与平头铆钉的平头半径相同，凹槽深度与平头铆钉的平头厚度相同，对平头铆钉有限位作用。
优选地，所述支撑板上所加工的圆形凹槽的位置与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔对应包括：所述支撑板上所加工的圆形凹槽分别与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔同轴线。
优选地，所述摩擦头球面凹槽的圆面半径与平头铆钉的平头半径相同，摩擦头球面凹槽的截面圆弧为1/3圆。
优选地，摩擦头与支撑板均由硬度大于平头铆钉的材料制成。
在另一实施例中，提供一种利用技术方案1所述的旋转摩擦挤压铆接装置的旋转摩擦挤压铆接方法，包括以下步骤：
(a)对第一工件和第二工件上的一个以上圆形通孔的内表面以及一个以上平头铆钉的表面进行去污处理；
(b)将第一工件和第二工件搭接，使第一工件上的一个以上圆形通孔和第二工件上的相应一个以上圆形通孔共轴线，装夹固定第一工件和第二工件；
(c)将一个以上平头铆钉的平头端分别插入支撑板圆形凹槽，移动支撑板至抵靠第二工件表面且使平头铆钉的钉杆插入工件圆形通孔；
(d)调整摩擦头位置，使摩擦头与第一工件和第二工件上的一个圆形通孔共轴线，使摩擦头高速旋转，并向工件侧下压，摩擦头球面凹槽摩擦挤压平头铆钉的钉杆端，当摩擦头的端面与第一工件表面接触后，摩擦头保持旋转，同时轴向上提，此时在平头铆钉的钉杆端形成与摩擦头球面凹槽形状相同的球冠钉头结构；
(e)针对一个以上平头铆钉中的另一者重复步骤(d),直至在一个以上平头铆钉的钉杆端均形成球冠钉头结构，对第一工件和第二工件起到铆接固定作用；
(f)待第一工件和第二工件冷却后，从工作台上取下，即完成铆接连接。
优选地，平头铆钉的钉杆端高出第一工件的部分的体积为摩擦头球面凹槽体积的1.1倍。
优选地，第一工件和第二工件由同种或异种金属制成。
优选地，所述步骤(d)中的摩擦头旋转速度为1000～1800rpm，下压速度为2～5mm/min。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的装置结构简单，铆接采用的平头铆钉为标准件；本发明解决了传统热铆的分步铆接操作，即先加热铆钉后插铆钉的过程，简化了操作，提高了效率；本发明采用摩擦头旋转挤压铆钉，可一次性获得完好的铆接接头；本发明采用支撑板圆形凹槽限位铆钉，使得铆钉在通孔内不偏心；本发明利用摩擦热加热铆钉，无需外加热源，节约了成本；摩擦头凹槽设计可一次性获得形状规整的钉头，重复性好，接头强度高，保证铆接完成后，铆钉钉杆端的球冠钉头结构起到很好的轴向固定作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的半剖示图。
具体实施方式
旋转摩擦挤压铆接技术是利用驱动装置带动摩擦头高速旋转，通过摩擦头球面凹槽与铆钉钉杆端之间的摩擦热塑化铆钉，同时在摩擦头的摩擦挤压作用下使得塑化的铆钉材料填充球面凹槽，最终在钉杆端形成球冠钉头结构，从而实现工件的铆接连接。该铆接方法使用的是平头铆钉，易于制造；铆接过程摩擦热和挤压力同时施加，避免了传统热铆先加热铆钉后插铆钉的分步式操作，操作简单，易于实现自动化；该铆接方法不需要额外的加热装置，节约成本和能耗。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1，将150mm×150mm×4mm的金属工件6和11搭接固定在工作台5，金属工件6和11为同种或者异种金属材料，其上加工有通孔7和8，通孔半径均为3.5mm，且通孔7和8共轴线。
如图2，平头铆钉4的钉杆长度为16mm，半径为3mm，平头半径为6mm，厚度为2.4mm。摩擦头2通过夹持装置1连接到工作头驱动控制装置上，摩擦头2的非夹持部分长度为20mm，半径为9mm，摩擦头2的底面设置球面凹槽3，其球面半径为7mm，底部圆面半径为6mm。支撑板10上加工有圆形凹槽9，其圆面半径为6mm，凹槽高度为2.4mm。
铆接前将平头铆钉4的平头端插入支撑板10的圆形凹槽9，移动支撑板10至抵靠工件11表面且使平头铆钉4的钉杆插入工件6和11的圆形通孔7和8；
摩擦头2高速旋转并轴向挤压平头铆钉4，塑化的球头铆钉4逐渐填充满球面凹槽3，待摩擦头2底面与工件6表面接触时，停止轴向挤压运动，摩擦头2轴向上提，从而在平头铆钉4的钉杆端形成球冠钉头结构。
针对一个以上平头铆钉中的另一者重复步骤，从而对工件6和11起到铆接固定作用。
摩擦头端面与工件表面接触后停止轴向挤压运动，可通过铆接前的对刀设定坐标来实现。
实施例1
采用如图1的旋转摩擦挤压铆接装置进行2024铝合金工件铆接连接，具体包括以下步骤：
(1)对2024铝合金工件上的通孔7和8的内表面以及2024铝合金平头铆钉的表面进行去污处理；
(2)装夹固定2024铝合金工件，使得通孔7和8共轴线，将摩擦头2通过夹持装置1安装在工作头驱动控制装置上；
(3)将铝合金平头铆钉的平头端插入支撑板10的圆形凹槽9，移动支撑板10至抵靠工件表面且使铝合金平头铆钉的钉杆插入工件的圆形通孔7和8中；
(4)调节摩擦头2至铆接区正上方，使摩擦头与通孔7和8共轴线，摩擦头2以1200rpm的速度高速旋转，并以5mm/min的速度向铆钉侧轴向移动，摩擦头球面凹槽3摩擦挤压平头铆钉的钉杆端，塑化的铆钉材料在摩擦头2的旋转挤压作用下逐渐填充球面凹槽3，当摩擦头2的端面与工件表面接触后，摩擦头2保持旋转，同时轴向上提，此时在平头铆钉的钉杆端形成与摩擦头球面凹槽3形状相同的球冠钉头结构；
(5)针对一个以上平头铆钉中的另一者重复步骤(4),直至在一个以上平头铆钉的钉杆端均形成球面钉头结构，对2024铝合金工件起到铆接固定作用；
(6)待铝合金工件冷却后，从工作台5上取下，即完成铆接连接。
实施例2
采用如图1的旋转摩擦挤压铆接装置进行T2工业纯铜板和6061铝合金板的铆接连接，具体包括以下步骤：
(1)对T2工业纯铜板及6061铝合金板的通孔7和8的内表面以及T2纯铜平头铆钉的表面进行去污处理；
(2)装夹固定T2工业纯铜板和6061铝合金板，使得通孔7和8共轴线，将摩擦头2通过夹持装置1安装在工作头驱动控制装置上；
(3)将T2工业纯铜平头铆钉的平头端插入支撑板10的圆形凹槽9，移动支撑板10至抵靠6061铝合金板表面且使T2纯铜平头铆钉的钉杆插入T2工业纯铜板及6061铝合金板的通孔7和8中；
(4)调节摩擦头2至铆接区正上方，使摩擦头与通孔7和8共轴线，摩擦头2以1400rpm的速度高速旋转，并以2mm/min的速度向铆钉侧轴向移动，摩擦头球面凹槽3摩擦挤压T2纯铜平头铆钉的钉杆端，塑化的铆钉材料在摩擦头2的旋转挤压作用下逐渐填充球面凹槽3，当摩擦头2的端面与T2工业纯铜板表面接触后，摩擦头2保持旋转，同时轴向上提，此时在T2纯铜平头铆钉的钉杆端形成与摩擦头球面凹槽3形状相同的球冠钉头结构；
(5)针对一个以上平头铆钉中的另一者重复步骤(4),直至在一个以上平头铆钉的钉杆端均形成球面钉头结构，对T2工业纯铜板和6061铝合金板起到铆接固定作用；
(6)待T2工业纯铜板和6061铝合金板冷却后，从工作台上取下，即完成铆接连接。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋转摩擦挤压铆接装置，包括工作台、工作头、支撑板及工作头驱动控制装置，其特征在于，
工作台用于使第一工件和第二工件搭接固定，且使第一工件上的一个以上圆形通孔和第二工件上的相应一个以上圆形通孔共轴线，其中第一工件上的所述一个以上圆形通孔与第二工件上的所述相应一个以上圆形通孔具有相等孔径，分别供平头铆钉的钉杆插入；
支撑板设在第二工件侧，平行于工件表面，支撑板面对工件的表面加工有位置与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔对应且形状与平头铆钉的平头匹配的一个以上支撑板圆形凹槽，一个以上平头铆钉的平头分别纳入支撑板圆形凹槽内，支撑板用于向工件位移至抵靠工件表面且使一个以上平头铆钉的钉杆分别插入第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔；
工作头设在平头铆钉的钉杆端，包括夹持装置和摩擦头，夹持装置一端可操作地连接至工作头驱动控制装置，另一端与摩擦头的一端固定连接，摩擦头的另一端设有摩擦头球面凹槽；
工作头驱动控制装置驱动夹持装置，从而带动摩擦头旋转和位移，使摩擦头球面凹槽逐一与一个以上平头铆钉对准且摩擦挤压平头铆钉的钉杆端，在钉杆端形成与摩擦头球面凹槽形状相同的球冠钉头结构，对第一工件和第二工件起到铆接固定作用。
2.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置，其特征在于，平头铆钉的钉杆半径比第一工件的圆形通孔半径小0.5～1mm。
3.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置，其特征在于，所述支撑板圆形凹槽的形状与平头铆钉的平头匹配包括：所述支撑板圆形凹槽的圆面半径与平头铆钉的平头半径相同，凹槽深度与平头铆钉的平头厚度相同，对平头铆钉有限位作用。
4.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置，其特征在于，所述支撑板上所加工的圆形凹槽的位置与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔对应包括：所述支撑板上所加工的圆形凹槽分别与第一工件和第二工件的相应一个以上圆形通孔同轴线。
5.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置，其特征在于：所述摩擦头球面凹槽的圆面半径与平头铆钉的平头半径相同，摩擦头球面凹槽的截面圆弧为1/3圆。
6.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置，其特征在于：摩擦头与支撑板均由硬度大于平头铆钉的材料制成。
7.一种利用权利要求1所述的旋转摩擦挤压铆接装置的旋转摩擦挤压铆接方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)对第一工件和第二工件上的一个以上圆形通孔的内表面以及一个以上平头铆钉的表面进行去污处理；
(b)将第一工件和第二工件搭接，使第一工件上的一个以上圆形通孔和第二工件上的相应一个以上圆形通孔共轴线，装夹固定第一工件和第二工件；
(c)将一个以上平头铆钉的平头端分别插入支撑板圆形凹槽，移动支撑板至抵靠第二工件表面且使平头铆钉的钉杆插入工件圆形通孔；
(d)调整摩擦头位置，使摩擦头与第一工件和第二工件上的一个圆形通孔共轴线，使摩擦头高速旋转，并向工件侧下压，摩擦头球面凹槽摩擦挤压平头铆钉的钉杆端，当摩擦头的端面与第一工件表面接触后，摩擦头保持旋转，同时轴向上提，此时在平头铆钉的钉杆端形成与摩擦头球面凹槽形状相同的球冠钉头结构；
(e)针对一个以上平头铆钉中的另一者重复步骤(d),直至在一个以上平头铆钉的钉杆端均形成球冠钉头结构，对第一工件和第二工件起到铆接固定作用；
(f)待第一工件和第二工件冷却后，从工作台上取下，即完成铆接连接。
8.根据权利要求7所述的旋转摩擦挤压铆接方法，其特征在于，平头铆钉的钉杆端高出第一工件的部分的体积为摩擦头球面凹槽体积的1.1倍。
9.根据权利要求7所述的旋转摩擦挤压铆接方法，其特征在于，第一工件和第二工件由同种或异种金属制成。
10.根据权利要求7所述的旋转摩擦挤压铆接方法，其特征在于，所述步骤(d)中的摩擦头旋转速度为1000～1800rpm，下压速度为2～5mm/min。
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