CN109746377A - 热辅助热熔自攻单面铆接装置及方法 - Google Patents

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闵峻英
张凯
王云庆
李永记
林建平
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Abstract

本发明提供一种热辅助热熔自攻单面铆接装置，包括底座、控制系统、平移组件、感应加热设备、加热控制器和热熔自攻单面铆接设备，感应加热设备上对着被连接工件的区域设有加热线圈，感应加热设备与加热控制器连接，加热控制器、热熔自攻单面铆接设备分别与控制系统连接。本发明还提供一种热辅助热熔自攻单面铆接方法。本发明通过设置感应加热设备，铆接前对被连接工件进行局部加热，从而提高被连接工件穿透部位的初始温度，进而提升材料塑性，避免孔壁破裂的缺陷发生。此外，本发明通过局部加热来软化材料，使铆钉以尽可能小的力穿透被连接工件，避免因被连接工件的弯曲变形而导致接头拉伸强度的下降。

Description

热辅助热熔自攻单面铆接装置及方法
技术领域
本发明涉及航空航天、汽车等制造领域，特别是涉及一种能够用于铝合金、镁合金以及复合材料等同种/异种材料之间连接加工的热辅助热熔自攻单面铆接装置及方法。
背景技术
近年来，随着航空航天、汽车等领域轻量化的要求越来越高，铝合金、镁合金等材料，以及封闭/半封闭零部件的应用越来越广泛。针对上述材料及零部件的连接，近年来出现了一些先进的连接技术如自冲铆接工艺(Self-piercing Riveting,SPR)、搅拌摩擦单面铆接工艺(Friction Stir Blind Riveting,FSBR)等。
SPR技术已经发展了三十多年，其利用位于工件两侧的铆模将铆钉压入被连接件，并利用铆钉被压入时所产生的塑性变形来锁住被连接件。SPR能够实现铝合金等同种/异种金属材料之间的连接，但无法实现封闭/半封闭零部件的连接、以及金属/非金属之间的高强度连接。相比而言，FSBR利用铆钉高速旋转并挤压穿透被连接件，然后通过拉拔铆钉的钉芯将被连接件锁紧，是一种无需预先钻孔、无模具磨损、可以实现封闭/半封闭零部件、异种金属之间以及金属和非金属之间连接的单面连接工艺。针对FSBR工艺的产业化应用，例如申请号为201380037503.X的中国发明专利公开的盲铆接装置和方法。
但是，FSBR工艺在连接高强度铝合金(如AA7075铝合金)时，由于材料的高强度、低塑性特点，在铆接过程中容易发生孔壁开裂，造成铆接失败。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种热辅助热熔自攻单面铆接装置，以克服现有技术的上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种热辅助热熔自攻单面铆接装置，包括底座和控制系统，所述底座上设有平移组件，所述平移组件上设有感应加热设备和热熔自攻单面铆接设备，所述感应加热设备、热熔自攻单面铆接设备可分别沿所述平移组件的长度方向移动，所述感应加热设备上对着被连接工件的区域设有加热线圈；还包括加热控制器，所述感应加热设备与所述加热控制器连接，所述加热控制器、所述热熔自攻单面铆接设备分别与所述控制系统连接。
优选地，所述感应加热设备上还设有用于测量被连接工件表面温度的温度测量装置，所述温度测量装置与加热控制器通讯连接。
优选地，所述感应加热设备和/或所述热熔自攻单面铆接设备上设有用于测量与被连接工件间距离的距离传感器，所述距离传感器与所述控制系统通讯连接。
优选地，还包括与底座连接的三维机械手，所述控制系统与所述三维机械手通讯连接。
优选地，所述感应加热设备上设有固定件，所述加热线圈连接在所述固定件上。
优选地，所述加热线圈中间设有冷却水板，冷却水板内设有冷却介质。
优选地，所述加热线圈为呈圆形的单匝线圈，由铜制成。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种热辅助热熔自攻单面铆接方法，包括如下步骤：
S1，将感应加热设备移动到铆接位置上方；
S2，控制感应加热设备开始工作，利用加热线圈加热被连接工件至目标温度；
S3，控制感应加热设备停止工作，移动感应加热设备离开铆接位置，移动热熔自攻单面铆接设备至铆接位置；
S4，控制热熔自攻单面铆接设备的铆钉抵达并穿透被连接工件，然后拉拔铆钉钉芯，实现被连接工件的连接。
优选地，在步骤S2中，利用加热线圈(41)以可控的加热速率将被连接工件(6)加热至目标温度。
优选地，所述步骤S4包括以下具体步骤：
S41，根据不同的被连接工件材料属性，确定相应的铆接参数，包括铆钉转速和铆钉进给速度；
S42，控制热熔自攻单面铆接设备的铆钉抵达并搅拌摩擦穿透被连接工件；
S43，对铆钉钉芯进行拉拔，完成对被连接工件的铆接。
如上所述，本发明涉及的热辅助热熔自攻单面铆接装置及方法，具有以下有益效果：
本发明通过设置感应加热设备，铆接前对被连接工件进行局部加热，从而提高被连接工件穿透部位的初始温度，进而提升材料塑性，避免孔壁破裂的缺陷发生。此外，实现单面连接的关键在于被连接件(特别是下板)在铆钉穿透过程中不产生弯曲变形，本发明通过局部加热来软化材料，使铆钉以尽可能小的力穿透被连接工件，避免因被连接工件的弯曲变形而导致接头拉伸强度的下降。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为加热线圈与固定件连接的结构示意图。
图3为电磁感应加热原理说明图。
图4为平移组件第一种实施例的剖视图。
图5为平移组件第二种实施例的俯视图。
图6为本发明铆接过程中各工艺阶段被连接工件表面的温度变化示意图。
元件标号说明
1 底座
2 控制系统
3 平移组件
31 滑块
32 容槽
33 丝杆
34 驱动电机
35 限位件
4 感应加热设备
41 加热线圈
411 冷却水板
42 温度测量装置
43 固定件
44 磁感线
45 涡流
5 热熔自攻单面铆接设备
6 被连接工件
7 加热控制器
8 距离传感器
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
传统的加热行业，普遍采用是的电阻丝和石英加热方式，电阻丝和石英主要是靠通电后，自身发热然后再把热量传递到料筒上，从而起到加热物品的效果，而这种传统的加热方式，其热效率比较低。如图3所示，本发明中涉及的感应加热设备4的电磁感应加热原理如下，电磁感应加热是将三相交流电转换成高频低压高电流电，然后使电流流过加热线圈41，产生高速变化的交变磁场。当用含铁质被连接工件6靠近加热线圈41时，被连接工件6表面即因切割交变磁感线而在内部产生交变的电流，即涡流45，涡流45使被连接工件6内部的载流子发生高速无规则运动，载流子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热被连接工件6的效果。
如图1和图2所示，本发明提供一种热辅助热熔自攻单面铆接装置，包括底座1和控制系统2，所述底座1上设有平移组件3，所述平移组件3上设有感应加热设备4和热熔自攻单面铆接设备5，所述感应加热设备4、热熔自攻单面铆接设备5可分别沿所述平移组件3的长度方向移动，所述感应加热设备4上对着被连接工件6的区域设有加热线圈41，所述感应加热设备4将三相交流电转换成高频低压高电流电，然后使电流流过加热线圈41，加热线圈41产生热量，从而对被连接工件6的局部表面加热软化。本发明还包括加热控制器7，所述感应加热设备4与所述加热控制器7连接，所述加热控制器7、所述热熔自攻单面铆接设备5分别与所述控制系统2连接，加热控制器7可采用控制柜，用于控制感应加热设备4并将温度等信号反馈给控制系统2，控制系统2控制热熔自攻单面铆接设备5工作。
如图1所示，优选地，所述感应加热设备4上还设有温度测量装置42，所述温度测量装置42与加热控制器7通讯连接，所述温度测量装置42用于测量被连接工件6的表面温度，所述温度测量装置42可选用欧普士热像仪，热像仪将热图像信号传给加热控制器7，加热控制器7进行分析，并将信号反馈给控制系统2，控制系统2进行下一步操作。
如图1所示，优选地，所述感应加热设备4和/或所述热熔自攻单面铆接设备5上设有用于测量与被连接工件6间距离的距离传感器8，即所述距离传感器8可以设置在所述感应加热设备4或所述热熔自攻单面铆接设备5上，也可以在所述感应加热设备4和所述热熔自攻单面铆接设备5上同时设置距离传感器8，所述距离传感器8与所述控制系统2通讯连接，通过设置距离传感器8能够实现加热线圈41与被连接工件6之间距离的准确测量，从而实现加热线圈与工件间相对位置的精确、稳定控制。
如图1所示，优选地，还包括与底座连接的三维机械手9，所述控制系统2与所述三维机械手9通讯连接，三维机械手9可以控制底座1在三维空间内移动，便于加热控制器7和热熔自攻单面铆接设备5靠近或远离所述被连接工件6。
如图2所示，优选地，所述感应加热设备4上设有固定件43，所述加热线圈41连接在所述固定件43上，能够实现工件的小直径范围加热，并且加热线圈41与固定件43可设置成可拆卸式，具备快速更换功能，从而能够根据需求来更换不同大小的加热线圈，更好地适应不同加热范围的需求，也降低了温度影响区。优选地，所述加热线圈41中间设有冷却水板，冷却水板内设有冷却介质，冷却水从加热线圈41中间通过，从而保护线圈不被高温损坏。优选地，所述加热线圈41为呈圆形的单匝线圈，由铜制成，局部加热性能较好。需要注意的是，加热设备不能够使用硅钢片进行加热，因为硅钢片加热范围较大，很难进行局部加热，对工件组织性能的影响范围也较大。
以下提供一种平移组件的优选实施例，如图4和图5所示，可以包含两套并排布置的驱动机构，每套驱动机构包括伺服电机34、丝杆33、滑块31和设置在所述平移组件3上的容槽32，伺服电机34与减速机连接，减速机与丝杆33连接，丝杆33穿过滑块31并与所述滑块31螺纹连接，感应加热设备4或热熔自攻单面铆接设备5工安装在所述滑块31上，滑块31可沿所述容槽32滑动，伺服电机还与控制系统2连接，通过控制系统2控制伺服电机动作。伺服电机驱动减速机工作，减速机工作从而带动丝杆33转动，从而驱动所述滑块31沿容槽32滑动。当然，平移组件也可采用现有技术中常见的驱动平移的方式，在此不再举例阐述。
本发明还提供一种热辅助热熔自攻单面铆接方法的优选实施例，本实施例连接对象为铝合金AA7075，两个被连接件6的板厚均为2mm，所用拉铆钉直径为6.4mm，加热线圈直径为10mm。
热辅助热熔自攻单面铆接方法包括如下步骤：
S1，控制系统2发出控制信号给三维机械手，通过三维机械手移动整个底座1，从而将感应加热设备4移动到铆接位置上方。
S2，控制系统2发出控制信号给控制加热控制器7，从而控制感应加热设备4开始工作，利用加热线圈41对被连接工件6的局部快速加热，温度测量装置42将信号实时传输给加热控制器7，使被连接工件6的局部以可控的加热速率快速加热至目标温度，并按照工艺需求在该目标温度下恒温加热预设时间，使被连接工件6的局部区域的内外温度均匀，快速加热时间可选3-8s，目标温度可选280-320℃，恒温时间可选4-6s。
S3，加热结束后，加热控制器7控制感应加热设备4停止工作，并将信号传输给控制系统2，控制系统2移动感应加热设备4迅速离开铆接位置，同时移动热熔自攻单面铆接设备5至铆接位置；
S4，控制热熔自攻单面铆接设备5的铆钉抵达并穿透被连接工件6，然后拉拔铆钉钉芯，实现被连接工件6的连接。
优选地，步骤S1主要包括以下几个小步骤：
步骤S11，在控制系统2控制的控制下，平移部件控制加热设备移动至连接位置上方10mm处；
步骤S12，控制系统2控制加热线圈精确移动定位到加工点上方2mm处，准备加热；
步骤S13，感应加热设备4以频率f＝60kHz，电流I＝80A作为初始工作参数，对被连接工件6进行加热。加热过程中，温度测量装置42将采集到的实际温度发送给加热控制器7，加热控制器7根据实际温度实时调整加热线圈41的工作电流I，经过t1＝6s时间将工件加热至目标温度T＝300℃；
步骤S14，到达目标温度后，根据工艺需求保温时间t2＝5s，以实现对工件材料性能的更好调控。
优选地，所述步骤S4包括以下具体步骤：
S41，根据不同的被连接工件6材料属性，确定相应的铆接参数，包括铆钉转速和铆钉进给速度，例如铆钉转速ω＝6000rpm、铆钉进给速度f＝60mm/min；
S42，控制热熔自攻单面铆接设备5的铆钉抵达并搅拌摩擦穿透被连接工件6；
S43，对铆钉钉芯进行拉拔，完成对被连接工件6的铆接。
图6中还显示了铆接过程中各工艺阶段被连接工件表面的温度变化示意图，P1阶段为感应加热阶段；P2阶段为恒温加热阶段；P3阶段为感应加热设备离开，热熔自攻单面铆接设备移入阶段；P4为搅拌摩擦铆接阶段；P5为铆接完成阶段。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于，包括底座(1)和控制系统(2)，所述底座(1)上设有平移组件(3)，所述平移组件(3)上设有感应加热设备(4)和热熔自攻单面铆接设备(5)，所述感应加热设备(4)、热熔自攻单面铆接设备(5)可分别沿所述平移组件(3)的长度方向移动，所述感应加热设备(4)上对着被连接工件(6)的区域设有加热线圈(41)；还包括加热控制器(7)，所述感应加热设备(4)与所述加热控制器(7)连接，所述加热控制器(7)、所述热熔自攻单面铆接设备(5)分别与所述控制系统(2)连接。
2.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：所述感应加热设备(4)上还设有用于测量被连接工件(6)表面温度的温度测量装置(42)，所述温度测量装置(42)与加热控制器(7)通讯连接。
3.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：所述感应加热设备(4)和/或所述热熔自攻单面铆接设备(5)上设有用于测量与被连接工件(6)间距离的距离传感器(8)，所述距离传感器(8)与所述控制系统(2)通讯连接。
4.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：还包括与底座连接的三维机械手，所述控制系统(2)与所述三维机械手通讯连接。
5.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：所述感应加热设备(4)上设有固定件(43)，所述加热线圈(41)连接在所述固定件(43)上。
6.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：所述加热线圈(41)中间设有冷却水板(411)，冷却水板(411)内设有冷却介质。
7.根据权利要求1所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于：所述加热线圈(41)为呈圆形的单匝线圈，由铜制成。
8.一种热辅助热熔自攻单面铆接方法，利用权利要求1-7中任一项所述的热辅助热熔自攻单面铆接装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1，将感应加热设备(4)移动到铆接位置上方；
S2，控制感应加热设备(4)开始工作，利用加热线圈(41)加热被连接工件(6)至目标温度；
S3，控制感应加热设备(4)停止工作，移动感应加热设备(4)离开铆接位置，移动热熔自攻单面铆接设备(5)至铆接位置；
S4，控制热熔自攻单面铆接设备(5)的铆钉抵达并穿透被连接工件(6)，然后拉拔铆钉钉芯，实现被连接工件(6)的连接。
9.根据权利要求8所述的热辅助热熔自攻单面铆接方法，其特征在于：在步骤S2中，利用加热线圈(41)以可控的加热速率将被连接工件(6)加热至目标温度。
10.根据权利要求8所述的热辅助热熔自攻单面铆接方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下具体步骤：
S41，根据不同的被连接工件(6)材料属性，确定相应的铆接参数，包括铆钉转速和铆钉进给速度；
S42，控制热熔自攻单面铆接设备(5)的铆钉抵达并搅拌摩擦穿透被连接工件(6)；
S43，对铆钉钉芯进行拉拔，完成对被连接工件(6)的铆接。
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