CN109530598B - 半空心铆钉及其无预制孔铆接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种半空心铆钉及其无预制孔铆接装置及方法，包括：半空心铆钉、驱动头和平面支撑机构，驱动头通过凸台与半空心铆钉顶部的凹槽相啮合并共同位于待连接板的上方，平面支撑机构位于待连接板的下方；驱动头的凸台与铆钉盖中央的凹槽具有相同锥度以实现铆钉的轴向进给运动和旋转运动。本发明无需预制孔，避免板材之间由于预制孔错位、铆钉与预制孔同轴度和垂直度难以保证而带来的铆接质量问题；摩擦热作用下铆钉和板材以及板材和板材之间形成了固相连接，机械连接与固相连接的复合显著提高了接头的性能；半空心铆钉沿轴向旋转进给过程中摩擦产热软化了待连接材料，有助于减小铆接力，降低对铆接设备吨位的需求；半空心铆钉与平面支撑机构之间无对中性要求，适用于大型薄壁件的高柔性、高可靠性装配。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种紧固件领域的技术，具体是一种半空心铆钉及其无预制孔铆接装置及方法。
背景技术
大型铝合金构件的连接以干涉配合铆接为主。干涉配合铆接需要在工件上预制工艺孔，工序复杂、效率低，而且这种工艺对待连接件上工艺孔匹配同轴度、预制孔与铆钉之间同轴度和垂直度的要求极高。有数据显示，固件沿外载荷作用方向倾斜2°，疲劳寿命会降低约47％，而倾斜5°时，疲劳寿命会降低约95％。在实际安装过程中，尤其是人工施铆时，尺寸精度难以保证。现有技术采用自动钻铆提高铆接效率，同时改善铆接性能，但是对于预制孔带来的生产效率和对中问题还是无法规避。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种半空心铆钉及其无预制孔铆接的装置及方法，以自冲铆接工艺为基础，实现铆钉与工件之间的机械-固相复合连接。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于无预制孔铆接的半空心铆钉，包括：一体连接的铆钉盖和铆钉体，其中：铆钉盖上端设有用于驱动铆钉旋转的均匀分布凸起和定位凹槽。
所述的定位凹槽与铆钉体同轴设置以保证驱动头与半空心铆钉的同轴度，铆钉盖与铆钉体连接处的外壁呈60°～120°夹角以控制待连接板的上层板流动。
所述的铆钉体的底端设有楔形锥角，该楔形锥角表面为①光滑结构或②内侧和/或外侧设有螺纹。
本发明涉及一种基于上述半空心铆钉的无预制孔铆接装置，包括：半空心铆钉、驱动头和平面支撑机构，其中：驱动头通过凸台与半空心铆钉顶部的凹槽相匹配并共同位于待连接工件上方，平面支撑机构位于待连接工件下方。
所述的平面支撑机构包括：高度可调节的中央靠模和支撑靠模，其中：中央靠模位于支撑靠模内侧，且中央靠模上表面位于支撑靠模上表面以下，支撑靠模与待连接工件的下表面紧密接触以保证中央靠模的上表面与待连接工件平行。
所述的支撑靠模为圆环状结构，对应中央靠模为圆柱体结构，二者通过螺纹相连。
所述的中央靠模的直径远远大于铆钉的直径。
所述的中央靠模上表面与支撑靠模上表面的高度差，即平面支撑机构的工作距离H通过螺纹进行调节，该工作距离H根据待连接工件的总厚度确定，具体为：H＝0.285*(t+2)*k+0.658，其中：t为板材组合的总厚度，单位为mm；k为修正系数，k＝0.25～1.0。
本发明涉及一种利用上述装置实现无预制孔铆接的方法，具体包括以下步骤：
1)根据待连接工件的厚度确定平面支撑机构的工作距离H，并根据H调整中央靠模的位置；
2)将平面支撑机构放置于待连接工件下方，与待连接工件紧密接触，且在铆接过程中不发生移动。铆钉位于中央靠模的直径范围内即可；
3)通过铆钉盖上的凹槽与驱动头的凸台啮合，使铆钉与驱动头同轴设置；
4)驱动头轴向进给至距离待连接工件表面2～5mm处；
5)驱动头按照预定工艺参数驱动半空心铆钉同时沿轴向进给并旋转铆入待连接板，铆钉的底端在待连接板的材料变形阻力作用下向外撑开，形成机械自锁，半空心铆钉与待连接板在摩擦产热的作用下形成固相连接。待连接板下方被半空心铆钉挤出的部分与平面支撑机构的中央靠模相接触，通过对挤出材料挤压以增强机械连接效果。
铆接过程中优选通过优化热输入使得铆钉空腔内截留的上层板金属与下层板之间形成固相连接，以增强固相连接效果；该热输入采用增加旋转速度或降低进给速度的方式实现。
进一步地，铆接过程中进给速度和旋转速度可以保持恒定，也可以根据具体材料进行分段速度匹配，从而获得最佳的机械-固相复合连接效果。
技术效果
与现有技术相比，本发明无需预制孔，提高了生产效率，避免了板材之间由于预制孔错位、铆钉与铆钉孔同轴度和垂直度难以保证而带来的铆接质量问题；半空心铆钉在轴向进给过程中，由于旋转运动摩擦产热而软化待连接材料，降低了铆接力，同时板材之间形成了固相连接，通过机械连接与固相连接复合提高了接头的性能；半空心铆钉与平面支撑机构之间无对中性要求，适用于大型薄壁件的高柔性、高可靠性装配。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为半空心铆钉的结构示意图；
图3为本发明的工艺过程图；
图中：a为驱动头与半空心铆钉同轴连接图；b为驱动头驱动半空心铆钉轴向进给图；c为驱动头驱动半空心铆钉连接待连接工件图；d为形成机械-固相复合接头图；
图中：半空心铆钉1、驱动头2、平面支撑机构3、待连接板4、凹槽101、铆钉盖102、铆钉体103、中央靠模301、支撑靠模302、上层板401、下层板402。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括：半空心铆钉1、驱动头2和平面支撑机构3，其中：驱动头2通过凸台与半空心铆钉1顶部的凹槽101相匹配并共同位于待连接板4的上方，平面支撑机构3位于待连接板4的下方。
如图2所示，所述的半空心铆钉1包括：一体连接的铆钉盖102和铆钉体103，其中：铆钉盖102中央的凹槽101与铆钉体103同轴设置以保证驱动头2与半空心铆钉1的同轴度，铆钉盖102与铆钉体103连接处的外壁呈80度夹角以控制待连接板4的上层板401流动。
所述的铆钉盖102的直径为7.8mm，高度为2mm。
所述的铆钉体103的底端设有楔形锥角，该楔形锥角的上部的内侧或/和外侧进一步设有螺纹，其内径为4.3mm，外径为5.3mm，深度为4mm。
所述的铆钉盖102与铆钉体103之间的过渡圆角半径为0.5mm。
所述的凹槽101与半空心铆钉1的同轴度小于0.0014mm。
所述的驱动头2的凸台与铆钉盖102中央的凹槽101具有相同锥度以实现半空心铆钉1的轴向进给运动和旋转运动。
所述的待连接板4的上层板401和下层板402均为铝合金AA6061-T6，其厚度分别为2.2mm和3mm。
所述的平面支撑机构3包括：带有螺纹的中央靠模301和一对支撑靠模302，其中：一对支撑靠模302分别位于中央靠模301的两侧并各自与待连接板4的下表面接触以保证中央靠模301的上表面与待连接板4的平行度。
如图3所示，本发明涉及一种利用上述装置实现无预制孔铆接的方法，具体包括以下步骤：
1)根据待连接板4的厚度确定中央靠模301与待连接板4的下表面的距离为2mm，平面支撑机构3的工作距离H为2mm；
2)通过铆钉盖102上的凹槽101与驱动头2的凸台啮合，驱动头2与半空心铆钉1同轴连接；
3)驱动头2在伺服电机的作用下以30mm/s的线速度轴向进给至距离待连接板4的4mm处；
4)驱动头2按照工艺参数驱动半空心铆钉1以8mm/s的线速度轴向向下直线进给，并同时以3600r/min的转速旋转，直至铆入待连接板4，铆钉体103的底端在待连接板4的材料变形阻力作用下撑开，形成机械自锁，半空心铆钉1与待连接板4在摩擦产热的作用下形成固相连接，待连接板4的下方被半空心铆钉1挤出部分与平面支撑机构3接触，使接头底部形成机械-固相复合接头。
实施例2
与实施例1相比，本实施例的待连接板4的上层板401的厚度为2mm，下层板402的厚度为4mm，铆钉体103的深度为5.5mm，平面支撑机构3工作距离H为3mm，其他参数与实施例1相同。
与实施例1相比，本实施例采用分段设定铆接过程中的进给速度和旋转速度，其中：第一段驱动头2以6mm/s的线速度轴向直线进给，并以3600r/min的转速旋转，进给位移为3.2mm；第二段驱动头2以8mm/s的线速度轴向直线进给，并以2400r/min的转速旋转，直到完成作业。
实施例3
与实施例1相比，本实施例的待连接板4为铝合金AA7075，上层板401和下层板402的厚度均为5mm，平面支撑机构3的工作距离H为4mm，其他参数与实施例1相同。
与实施例1相比，本实施例采用分段设定铆接过程中的进给速度和旋转速度，其中：第一段驱动头2以6mm/s的线速度轴轴向直线进给，并以3600r/min的转速旋转，进给位移为5mm；第二段驱动头2以8mm/s的线速度轴向直线进给，并以2400r/min的转速旋转，直至完成作业。
实施例2与实施例3采用两段式参数方法，较实施例1具有更大的可铆参数范围，能够通过更精确地参数调整来优化接头成形质量。
与现有技术相比本发明的优势在于：(1)无需预制孔，显著提高了生产效率，避免了板材之间由于预制孔错位、铆钉与预制孔同轴度和垂直度难以保证而带来的铆接质量问题；(2)摩擦热作用下铆钉和板材以及板材和板材之间形成了固相连接，机械连接与固相连接的复合显著提高了接头的性能；(3)半空心铆钉沿轴向旋转进给过程中摩擦产热软化了待连接材料，有助于减小铆接力，降低对铆接设备吨位的需求；(4)半空心铆钉与平面支撑机构之间无对中性要求，适用于大型薄壁件的高柔性、高可靠性装配。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (1)
1.一种基于半空心铆钉的无预制孔铆接装置的铆接方法，其特征在于，所述的半空心铆钉包括：一体连接的铆钉盖和铆钉体，其中：铆钉盖上端设有用于驱动铆钉旋转的均匀分布凸起和定位凹槽，定位凹槽与铆钉体同轴设置以保证驱动头与半空心铆钉的同轴度，铆钉盖与铆钉体连接处的外壁呈60°~120°夹角以控制待连接板的上层板流动；铆钉体的底端设有楔形锥角，该楔形锥角表面为①光滑结构或②内侧和/或外侧设有螺纹；
所述的无预制孔铆接装置包括：半空心铆钉、驱动头和平面支撑机构，其中：驱动头通过凸台与半空心铆钉顶部的定位凹槽相匹配并共同位于待连接板上方，平面支撑机构位于待连接板下方；
所述的平面支撑机构包括：高度可调节的中央靠模和支撑靠模，其中：中央靠模位于支撑靠模内侧，且中央靠模上表面位于支撑靠模上表面以下，支撑靠模与待连接板的下表面紧密接触以保证中央靠模的上表面与待连接板平行；
所述的支撑靠模为圆环状结构，对应中央靠模为圆柱体结构，二者通过螺纹相连；
所述的中央靠模的直径大于半空心铆钉的直径；
所述的中央靠模上表面与支撑靠模上表面的高度差，即平面支撑机构的工作距离H通过螺纹进行调节；
所述的工作距离H根据待连接板的总厚度确定，具体为：H= 0.285*(t+2)* k+0.658，其中：t为板材组合的总厚度，单位为mm；k为修正系数；
所述的铆接方法包括以下步骤：
1) 根据待连接板的厚度确定平面支撑机构的工作距离H，并根据H调整中央靠模的位置；
2) 将平面支撑机构放置于待连接板下方，与待连接板紧密接触，且在铆接过程中不发生移动，半空心铆钉位于中央靠模的直径范围内即可；
3) 通过铆钉盖上的定位凹槽与驱动头的凸台啮合，使半空心铆钉与驱动头同轴设置；
4) 驱动头轴向进给至距离待连接板表面2~5mm处；
5) 驱动头按照预定工艺参数驱动半空心铆钉同时沿轴向进给并旋转铆入待连接板，半空心铆钉的底端在待连接板的材料变形阻力作用下向外撑开，形成机械自锁，半空心铆钉与待连接板在摩擦产热的作用下形成固相连接，待连接板下方被半空心铆钉挤出的部分与平面支撑机构的中央靠模相接触，通过对挤出材料挤压以增强机械连接效果；
铆接过程中，通过优化热输入使得半空心铆钉空腔内截留的上层板金属与下层板之间形成固相连接，以增强固相连接效果；该热输入采用增加旋转速度或降低进给速度的方式实现。
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