CN109821992B - 一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置及控制方法 - Google Patents
一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置，包括：底部转台，其中部具有凹槽，所述底部转台可绕中心转动；凹模固定块，其为中空结构，一端匹配在所述凹槽内，另一端具有开口；弹性体，其同轴设置在所述凹模固定块内部；支撑底座，其同轴设置在所述弹性体内部；多个瓣膜，其一端沿圆周均匀设置在所述弹性体与所述支撑底座之间，另一端延伸至所述开口外；钢板，其同轴设置在所述瓣膜上方；铝合金板，其同轴设置在所述钢板上方；冲头，其同轴设置在所述铝合金板上方；超声波振动装置，其固定在所述底部转台上，包括超声波冲击头，所述超声波冲击头长度能够调节，设置在所述凹模固定块和所述钢板之间。
Description
技术领域
本发明涉及金属的无铆钉铆接领域，尤其涉及一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置及其控制方法。
背景技术
随着近年来汽车工业中对于节能减排、保护环境要求的提出，轻量化这一问题日益得到重视。除了采用轻质材料和对车身结构的改进这两种方法外，轻量化可以通过对制造工艺的改进来实现。无铆钉铆接工艺能实现能对多层板料、不同材料间的连接，不需要辅助材料，没有废气、废料的产生，并且连接过程不破坏板料涂层，极大地满足了轻量化的要求，被应用于车身部件的连接中。然而，在连接一些塑性较差、变形较困难的高强度材料，如高强钢时，钢板成形困难且容易开裂，铆接接头容易产生裂纹，降低疲劳强度和接头质量，通常可以考虑对板材加热的方法进行处理，但在异种材料的连接过程中，由于不同材料受温度影响不同，因此只采用加温的方式进行处理难以达到理想的效果。
在无铆钉铆接过程中，镦锻阶段对铆接质量的影响很大，在镦锻保压阶段冲头保持在下止点防止板料回弹，以确保上下板料与模具充分接触。在无铆钉铆接成形过程中要确保镦锻质量，避免产生应力集中，提高抗疲劳强度。
超声波强化技术可以应用于金属的塑性加工中，经过超声波处理过的接头的疲劳特性可以得到改善，同时起到减小残余应力和减少应力腐蚀的作用。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置，解决铆接接头的应力集中和开裂现象，有利于接头的成形和消除残余应力，提高接头的表面质量，实现成形与表面处理的一体化。
本发明还提供了一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，通过在铆接的保压阶段对材料和接头加温软化和超声波冲击的方式，提高了疲劳强度，改善了接头的质量。
本发明提供的技术方案为：一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置，包括：
底部转台，其中部具有凹槽，所述底部转台可绕中心转动；
凹模固定块，其为中空结构，一端匹配在所述凹槽内，另一端具有开口；
弹性体，其同轴设置在所述凹模固定块内部；
支撑底座，其同轴设置在所述弹性体内部；
多个瓣膜，其一端沿圆周均匀设置在所述弹性体与所述支撑底座之间，另一端延伸至所述开口外；
钢板，其同轴设置在所述瓣膜上方；
铝合金板，其同轴设置在所述钢板上方；
冲头，其同轴设置在所述铝合金板上方；
超声波振动装置，其固定在所述底部转台上，包括超声波冲击头，所述超声波冲击头长度能够调节，设置在所述凹模固定块和所述钢板之间。
优选的是，
安装孔，其同轴设置在所述支撑底座内部；
多个开槽，其沿所述支撑底座的径向均匀设置，并且，所述
开槽的一端与所述安装孔连通，另一端均匀设置在所述支撑底座侧面；
液压装置，其设置在所述安装孔内；
推杆，其水平设置在所述开槽内，一端固连所述液压装置；
推动块，其可滑动地设置在所述开槽内，一端固连所述推杆另一端；
支撑块，其设置在所述推动块另一端，所述支撑块能够在所述推动块的作用下滑动并挤压所述瓣膜。
优选的是，还包括：
弹簧，其两端分别固连所述推动块与所述支撑块。
优选的是，
所述推杆、所述推动块和所述弹簧外部套设套筒。
优选的是，还包括：
压边圈，其套设在所述冲头外部，下端抵靠所述铝合金板。
优选的是，还包括：
竖直连杆，其两端分别垂直固连所述底部转台和所述超声波振动装置。
优选的是，
所述瓣膜间具有间隙；
所述冲击头上具有撞针；
其中，所述撞针在所述冲击头的作用下进入所述间隙内撞击。
一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、将铝合金板和钢板固定于瓣膜上方，加热至300℃保温10min后停止加热；
步骤二、使冲头向下运动与板料接触直至铆接成形，此过程中瓣膜在冲头向下运动过程中挤压弹性体抵住凹模固定块形成內锁；
步骤三、冲头保持在下止点，液压装置驱动瓣膜进一步撑开留出间隙，底部转台转动带动超声波冲击装置进行旋转，同时带动撞针撞击接头间隙处的接头；
步骤四、退出冲头，取出铆接完的接头。
优选的是，所述步骤三中，
当底部转台带动超声波冲击装置进行旋转时，当底部转台转到撞针与所述瓣膜撑开的间隙同一直线时，发生短暂的停顿，同时所述超声波冲击装置开始工作。
优选的是，底部转台的旋转角速度ω满足：
其中，κ为校正系数，f为超声波冲击装置的震动频率，d为凹模固定块的直径，R为底部转台的半径，G为超声波冲击装置的重力，L为垂直连杆的长度。
本发明所述的有益效果：
1.本发明通过在铆接的保压阶段对材料和接头加温软化和超声波冲击的方式，解决了高强度材料在无铆钉铆接过程中成形困难，接头容易开裂的问题，减少应力腐蚀，提高了疲劳强度，改善了接头的质量；
2.本发明中铆接前对板材进行加热使材料软化，利于接头成形，超声波在铆接后板材冷却过程中有细化晶粒，均化组织成分的作用，能够有效消除接头表面的残余应力；
3.本发明所述不需要额外的转移工序，可以快速、高效、一体化地完成铆接的成形和接头质量的处理，节约了生产成本与生产空间，工艺所需时间较短，提高了生产的效率和效益；
4.本发明不需要额外的材料，同时无废气、废料的产生，费用低，重量轻，在满足轻量化的要求同时可以实现对异种材料和不同厚度板材的连接，不伤害板料的涂层，同时还可以多点连接提高接头的静力学强度；
5.本发明所述的超声波在高温无铆钉铆接保压过程中进行表面处理方法，兼顾了铆接接头成形与表面质量两个方面，通过内部控制完成铆接各环节，操作简单。
附图说明
图1为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置铆接前冲头在上止点的结构全剖图。
图2为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置保压阶段冲头在下止点的结构全剖图。
图3为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的所述凹模与底部转台的俯视图。
图4为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置带有可活动瓣膜的凹模固定块的轴测投影图。
图5为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的凹模固定块截面的剖视图。
图6为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的铆接前冲头在上止点的凹模固定块内结构图。
图7为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的保压阶段冲头在下止点的凹模固定块内结构图。
图8为本发明的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-5所示，本发明提供一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置，包括：底部转台100为圆盘形，中部具有凹槽，所述底部转台100可绕中心转动。凹模固定块200为中空结构，一端同轴匹配在所述凹槽内，另一端具有开口；在凹模固定块200内部同轴设置弹性体210，弹性体210的底部与凹模固定块200的内底面贴合，四周靠近凹模固定块200的内侧设置。在弹性体210的内部同轴设置支撑底座220。多个瓣膜230沿圆周均匀设置在弹性体210余支撑底座220之间，且一段延伸至开口外。钢板400同轴设置在瓣膜230上方，铝合金板500同轴设置在钢板400上方，且与钢板400贴合。在铝合金板500的上方同轴设置冲头300，冲头300具有拔模斜度，通过冲头的向下运动完成铆接的成形，在保压阶段保持在下止点。并且在冲头300的外部套设有压边圈310，压边圈310紧靠钢板400的上表面，压边圈310用于确定板料与模具的相对位置，对上板料有一定的预紧作用。超声波振动装置120固定在所述底部转台100上，包括可以伸缩的超声波冲击头和变幅杆，超声波冲击头设置在所述凹模固定块200和所述钢板400之间。
如图6-7所示，在支撑底座220的中心内部同轴设置安装孔，安装孔的上方未连通至支撑底座220的外表面。在支撑底座的外圆周表面均匀设置多个开槽，开槽沿支撑底座220的径向均匀设置，一段与安装孔连通，另一端设置在支撑底座220的外表面。在安装孔内设置液压装置260。液压装置260的输出端驱动连接推杆262，推杆262水平设置开槽内，并且可在液压装置260的作用下载开槽内运动。推杆262的末端连接推动块263的一端，推动块263可在开槽内滑动。推动块263的另一端连接支撑块265，支撑块265在推动块263的推动作用下可沿着开槽的方形运动，并对瓣膜产生挤压作用。
在另一实施例中，在推动块263和支撑块265之间固连弹簧264。在推杆261、推动块263以及弹簧264的外部套设套筒261。
竖直连杆110的两端分别垂直固连所述底部转台100和所述超声波振动装置120。
所述瓣膜与水平面成圆弧过渡。在工作过程中，冲头挤压和液压驱动作用下，所述瓣膜230间具有多个间隙；所述冲击头上具有撞针；其中，所述撞针在所述冲击头的作用下进入所述间隙内撞击。
冲头300与铝合金板500接触的一端具有拔模斜度，有利于成形后退模。
如图6-7所示，不工作时，不工作时，瓣膜230在中间弹性体210的作用下向内聚拢，与整个凹模固定块200的水平面成一定的角度；铆接时，板料在冲头300的作用下发生变形挤入瓣膜230内部，将弹性体210撑开贴紧凹模固定块200的内壁，保压阶段进行表面处理时，瓣膜230在液压装置驱动作用下内部支撑块265的作用下进一步撑开，在不影响成形的前提下，留出一定间隙，为超声波振动装置120工作留出空间。
工作时，液压装置260驱动推杆向外运动，推杆端部的推动块运动压缩弹簧，使得支撑块向外运动将瓣膜230撑开间隙；工作结束时，弹簧鱼支撑块相连，在瓣膜230的回复作用下收缩回到开槽内部，推杆在弹簧的作用下回到原位置。
如图4所示，当底部圆台100开始旋转带动其上的超声波振动装置120进行工作时，在瓣膜230间的间隙处所对应的相对位置留有一定的停顿时间，使超声波振动装置120与瓣膜间的间隙对齐，开始撞击，进行表面处理。
如图8所示，本发明提供了一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：将切割好的铝合金板和钢板置于铆接装置的瓣膜上方中心，用压边圈进行预压；
步骤二：利用铆接的恒温箱进行加热至300℃保温10min，使材料发生软化，有利于钢板和铝合金板的塑性变形；
步骤三：停止加热，在板料完全冷却前，使冲头向下运动与板料接触直至铆接成形，在这一阶段冲头向下运动时推动板料运动，使其挤入可动的瓣膜内将其外部的弹性体撑开抵住凹模固定块的固定部分形成内锁；
步骤四：在镦锻保压阶段冲头保持在下止点防止板料回弹，瓣膜在液压装置驱动的内部支撑块的作用下继续向外进一步撑开留出间隙，超声波冲击装置开始工作，底部的底部转台带动超声波冲击装置进行旋转的同时，变幅杆带动撞针撞击接头表面；
步骤五：冲头向上运动，借助于冲头的拔模角，冲头能够顺利退出，将铆接好的接头取下。
在所述步骤四中，所述底部转台带动超声波冲击装置进行旋转时，当底部的底部转台转到振针(撞针)与凹模的瓣膜撑开的间隙同一直线时，发生短暂的停顿，同时所述超声波冲击装置开始工作。
所述步骤四中，底部转台的旋转角速度ω满足：
其中，κ为校正系数，取值0.86；f为超声波冲击装置的震动频率，单位kHz；d为凹模固定块的直径，单位mm；R为底部转台的半径，单位mm；G为超声波冲击装置的重力，单位N；L为垂直连杆的长度，单位mm。
所述超声波振动装置的工作过程包括：超声波动力源通过换能器超声波振动信号转换成机械振动，再通过变幅杆将机械振动的微小振幅放大，带动安装在振动工具头上的撞针对接头表面进行撞击。
以铝合金板和钢板的铆接为例，铝合金板和钢板利用超声波在高温无铆钉铆接保压过程中进行表面处理的具体步骤如下：
如图1所示，将切割好的165×35×1mm的铝合金板和165×35×1mm钢板置于铆接装置的凹模上方的中心处，冲头直径约为4.22mm，过渡圆角半径约为0.3mm，冲头行程为3.3mm，用直径为120mm压边圈进行预压，压边圈高200mm，内部通孔直径为80mm。
利用铆接的恒温箱进行加热至约使材料发生软化，考虑到铝合金的耐高温性能较差，加热温度约300℃，有利于钢板和铝板的塑性变形，且对模具材料性能无明显影响，为开始铆接做准备。
在达到要求温度后停止加热，冲头向下运动与板料接触直至铆接成形，在这一阶段冲头向下运动时推动板料运动，使其挤入可动的瓣膜内将其外部的弹性体撑开抵住凹模固定块形成内锁；可动瓣膜间围成的内径大小为6mm，凹模固定块总直径大小为12mm。
在镦锻保压阶段冲头保持在下止点防止板料回弹，由于可动瓣膜部分突出于凹模固定块的表面，且在内部支撑块的作用下可进一步撑开留出间隙，露出部分接头表面。
可动瓣膜与转盘停顿位置的对应关系为：当底部转台开始以2.1r/s(根据底部转台的角速度公式计算得到)的角速度旋转带动其上的超声波振动装置进行工作时，在三个瓣膜间的间隙处所对应的相对位置停顿1s，使超声波振动装置与瓣膜间的间隙对齐，可伸缩振动工具头带动撞针开始撞击，进行表面处理，超声波发生器所发出的超声波震荡信号为30kHz，通过变幅杆将振幅放大至80μm，撞针直径为1mm，呈竖排布置，对于每一次铆接，底部转台旋转两圈，超声波振动装置工作六次，处理区域主要分为三个大部分，使受冲击力均匀。
铆接以及表面强化处理工艺结束后，冲头向上运动，借助于冲头的拔模角，冲头能够顺利退出，将铆接好的接头取下。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，所述超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置，包括：
底部转台，其中部具有凹槽，所述底部转台可绕中心转动；
凹模固定块，其为中空结构，一端匹配在所述凹槽内，另一端具有开口；
弹性体，其同轴设置在所述凹模固定块内部；
支撑底座，其同轴设置在所述弹性体内部；
多个瓣膜，其一端沿圆周均匀设置在所述弹性体与所述支撑底座之间，另一端延伸至所述开口外；
钢板，其同轴设置在所述瓣膜上方；
铝合金板，其同轴设置在所述钢板上方；
冲头，其同轴设置在所述铝合金板上方；
超声波振动装置，其固定在所述底部转台上；
其中，所述超声波振动装置包括超声波冲击头，其长度能够调节，并且设置在所述凹模固定块和所述钢板之间；
安装孔，其同轴设置在所述支撑底座内部；
多个开槽，其沿所述支撑底座的径向均匀设置，并且，
所述开槽的一端与所述安装孔连通，另一端均匀设置在所述支撑底座侧面；
液压装置，其设置在所述安装孔内；
推杆，其水平设置在所述开槽内，一端固连所述液压装置；
推动块，其可滑动地设置在所述开槽内，一端固连所述推杆的另一端；
支撑块，其设置在所述推动块的另一端，所述支撑块能够在所述推动块的作用下滑动并挤压所述瓣膜；
所述瓣膜间具有间隙；以及
所述冲击头上具有撞针；
其中，所述撞针在所述冲击头的作用下进入所述间隙内撞击；
所述超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，包括：
步骤一、将铝合金板和钢板固定于瓣膜上方，利用铆接的恒温箱对所述铝合金板和钢板进行加热，加热至300℃保温10min后停止加热；
步骤二、使冲头向下运动与板料接触直至铆接成形，此过程中瓣膜在冲头向下运动过程中挤压弹性体抵住凹模固定块形成內锁；
步骤三、冲头保持在下止点，液压装置驱动瓣膜进一步撑开留出间隙，底部转台转动带动超声波冲击头进行旋转，同时带动撞针撞击接头间隙处的接头；
步骤四、退出冲头，取出铆接完的接头。
2.根据权利要求1所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，还包括：
弹簧，其两端分别固连所述推动块与所述支撑块。
3.根据权利要求2所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，
所述推杆、所述推动块和所述弹簧外部套设套筒。
4.根据权利要求3所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，还包括：
压边圈，其套设在所述冲头外部，下端抵靠所述铝合金板。
5.根据权利要求1所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，还包括：
竖直连杆，其两端分别垂直固连所述底部转台和所述超声波振动装置。
6.根据权利要求5所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，所述步骤三中，
当底部转台带动超声波冲击头进行旋转时，当底部转台转到撞针与所述瓣膜撑开的间隙同一直线时，发生停顿，同时所述超声波冲击头开始工作。
7.根据权利要求6所述的超声波与高温作用下的无铆钉铆接成形装置的控制方法，其特征在于，底部转台的旋转角速度ω满足：
其中，κ为校正系数，f为超声波冲击头的震动频率，d为凹模固定块的直径，R为底部转台的半径，G为超声波冲击头的重力，L为竖直连杆的长度。
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