CN110170583A - 一种异质板料无铆连接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异质板料无铆连接工艺，过程为：步骤1)，对第一板料进行预处理，做出危险截面，所述危险截面为环状危险截面、柱状危险截面或环状与柱状组合形成的危险截面；步骤2)，将预处理后的第一板料为下板料，第二板料为上板料，在第一板料上的危险截面处将第一板料和第二板料铆接；所述第一板料的强度大于第二板料的强度。通过该工艺能够实现强度力学性能差别较大板料之间的连接，采用该工艺还能够实现流水线自动化批量生产，极大地提升无铆连接工艺在异种板料连接领域中的应用。在实现产品轻量化的同时，还降低了制造成本，提高了生产效率，符合“安全、节能、环保＂的发展理念。

Description

一种异质板料无铆连接工艺

技术领域

本发明涉及一种异质板料无铆连接工艺，主要应用于强度差别较大的板料连接，如铝合金、镁合金等轻质金属和高强钢的连接。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们对于能源和环境保护的意识也在不断提高，这二者在很大程度上取决于交通运输业，汽车工业处于需要产业链条的中心地带，辐射范围非常广，理所当然的成为节能减排的重点行业。汽车轻量化作为实现这一目标的关键技术已逐渐成为汽车产品的重要标签，是评价汽车质量的一个重要标准。其中，轻质新材料的应用是汽车实现轻量化的关键。为了适应汽车轻量化的要求，一些新材料应运而生并扩大了应用范围。传统以钢为主的汽车用材结构，正向钢铝混合、全铝车身、塑料复合材料和镁合金等多种材料混合应用的趋势发展，多种材料混合应用已成为车用材料发展的必然趋势。新型轻量化材料的应用对汽车制造业中连接技术的应用提出了全新的挑战，异种材料的连接成为材料连接技术上的一大难点课题。因为异种金属板材在性能上差异较大，导致异种金属板材无铆连接时难以形成锁扣，阻碍其在工业领域的全面应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种异质板料无铆连接工艺，通过该工艺能够实现强度力学性能差别较大板料之间的连接，能够解决异种金属板材无铆连接时难以形成锁扣的问题，采用该工艺还能够实现流水线自动化批量生产，提升无铆连接工艺在异种板料连接领域中的应用。

本发明采用以下技术方案：

一种异质板料无铆连接工艺，包括如下步骤；

步骤1)，对第一板料进行预处理，做出危险截面，所述危险截面为环状危险截面、柱状危险截面或环状与柱状组合形成的危险截面；

步骤2)，将预处理后的第一板料为下板料，第二板料为上板料，在第一板料上的危险截面处将第一板料和第二板料铆接；

所述第一板料的强度大于第二板料的强度。

步骤1)中，当危险截面为环状危险截面时，危险截面的截面形状为圆弧形、V型或矩形。

步骤1)中，当危险截面为柱状危险截面时，危险截面的底部呈W状，底部的中部位置向端口部位凸起。

步骤1)中，当危险截面为环状与柱状组合形成的危险截面时，所预制的环状危险截面应分布在柱状危险截面底部的外缘。

环状危险截面的外径为铆接冲头直径的1～1.5倍；柱状危险截面的直径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；环状与柱状组合形成的危险截面中，环状部分的外径与柱状部分的直径相同，环状部分的外径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍。

危险截面的深度为第一板料和第二板料总厚度的12％～20％。

第一板料和第二板料采用铆接设备进行铆接，过程包括：

板料铆接定位阶段：将预处理后的第一板料为下板料，放置于铆接设备的铆接凸模和铆接凹模的中心位置，使第一板料上的危险截面处于加工位；将第二板料为上板料，放置于铆接凸模和铆接凹模的中心位置且叠放在第一板料上，铆接设备的压边圈对第二板料施加预紧力，以固定叠放后的第二板料和第一板料；

板料铆接初始成形阶段：铆接凸模向铆接凹模运动并接触第二板料，第二板料与铆接凸模圆角接触处发生变形，同时铆接凸模推动第一板料向铆接凹模运动并使第一板料与铆接凹模接触，第一板料在与铆接凹模圆角接触处发生变形，第一板料的材料流入铆接凹模的凹槽中；

板料铆接成形阶段：第二板料和第一板料持续向铆接凹模流入直到铆接凸模运动到下止点为止，第二板料颈部被拉伸变薄同时底部逐渐嵌入第一板料中，此时第二板料和第一板料相互咬合形成锁扣结构；

铆接接头保压阶段：铆接凸模在下止点停留预设时间，铆接凸模在停留期间，第二板料和第一板料完全填满铆接凹模；

退模阶段：铆接凸模退回并完成退模，在铆接凸模完全退回后，取下已连接完好的板料，完成整个无铆连接过程。

在板料铆接成形阶段，第二板料和第一板料相互咬合形成锁扣结构后，第一板料和第二板料在铆接部位的底部厚度为第一板料和第二板料总厚度的25％～40％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的异质板料无铆连接工艺通过对第一板料进行预处理，做出危险截面，能够使得在上板料和下板料铆接时发生有序变形，使得异种板材的无铆连接更易实现；同时还能够降低整个工艺对铆接凸模材料性能的要求。本发明的异质板料无铆连接工艺既能实现强度差异较大的板料之间的无铆连接，同时还解决了采用传统的无铆连接工艺进行异种金属板料的无铆连接时，由于上下板料的材料性能差异较大，需要很大的铆接力才能完成铆接，而在此过程中由于较大的铆接力可能会导致凸模的断裂，因此传统铆接工艺对凸模的材料性能要求很高；或者在下板料未充分发生变形时上板料已经出现断裂等缺陷从而导致铆接失败。综上所述，采用本发明的无铆连接工艺能够实现材料性能差异较大异种金属板材的连接，且能兼备产品所要求的连接强度，解决了传统无铆连接技术的不足，甚至能够实现多种金属板材的多层连接。同时本发明的无铆连接工艺易于实现自动化批量生产，大幅提高生产效率。将该无铆连接工艺应用在各个领域上的异种金属板材连接均可，尤其是应用于汽车车身连接。

附图说明

图1为本发明中强度较高的下板料预处理形成的危险截面形状(环状危险截面，危险截面的截面形状为圆弧形)；

图2为本发明中强度较高的下板料预处理形成的危险截面形状(环状危险截面，危险截面的截面形状为V型)；

图3为本发明中强度较高的下板料预处理形成的危险截面形状(环状危险截面，危险截面的截面形状为矩形)；

图4为本发明中强度较高的下板料预处理形成的危险截面形状(环状与柱状组合形成的危险截面)；

图5为本发明中强度较高的下板料预处理形成的危险截面形状(柱状危险截面，危险截面的底部呈W状，底部的中部向端口部位凸起)；

图6是本发明实施例中第一板料预处理阶段；

图7是本发明实施例中异种板料铆接定位阶段；

图8是本发明实施例中板料铆接初始成形阶段；

图9是本发明实施例中异种板料铆接成形阶段；

图10是本发明实施例中铆接接头保压阶段；

图11是本发明实施例中退模阶段；

图12是本发明实施例中Al6061-304不锈钢铆接应力应变云图；

图13是本发明实施例中接头剖面图；

图14是本发明实施例中剥离失效的情形；

图15是本发明实施例中剪切失效的情形。

图中，1-凸模，2-压边圈，3-第一板料，3-1-危险截面，4-凹模，5-铆接凸模，6-第二板料，7-铆接凹模。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

本发明的异质板料无铆连接工艺包括如下过程：

第一板料预处理阶段：对第一板料3进行预处理，在第一板料3的表面做出危险截面。危险截面的形状多样化如图1～图5所示，其中，图1、图2和图3分别显示的是当危险截面为环状危险截面时、其截面形状分别为圆弧形、V型和矩形时的情形；图4显示的是当危险截面为环状(截面形状为圆弧形)与柱状组合时、环状危险截面位于柱状危险截面底部的外缘的情形；图5显示的是当危险截面为柱状时、危险截面的底部呈W状，底部的中部向端口凸起的情形。危险截面可通过机加工或冲压获得，形成的危险截面为后期异质金属板料铆接做了铺垫，有助于强度较高的下板料3和第二板料6在冲压过程中发生有序塑性变形，从而促进铆接接头的成形；除此之外危险截面的设计更有利于上下板料的锁扣成形，提高接头质量。在实际应用中可根据实际情况对危险截面的大小做出调整，环状危险截面的外径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；柱状危险截面的直径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；环状与柱状组合形成的危险截面中，环状部分的外径与柱状部分的直径相同，环状部分的外径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；危险截面加工的最大深度依据两个异质板料的组合特征进行确定，危险截面的深度为上、下板料总板厚的12％～20％。以图5所示的危险截面为例，本发明对冲压工艺形成的危险截面进行详细说明：将第一板料3放置于凸模1和凹模4的中心处，凸模1向下运动对第一板料3进行冲压，在第一板料3上表面发生塑性变形压出压痕，形成危险截面，为板材铆接做准备。

异种板料铆接定位阶段：参照图7，将预处理后的第一板料3为下板料，放置于铆接凸模5和铆接凹模7的中心位置；将第二板料6为上板料，放置于铆接凸模5和铆接凹模7的中心位置且叠放在第一板料3上，压边圈2对第二板料6施加一定预紧力，固定叠放后的第二板料6和第一板料3。

板料铆接初始成形阶段：参照图8，铆接凸模5向下运动接触第二板料6，第二板料6与铆接凸模5圆角接触处发生变形，同时推动第一板料3向下运动与铆接凹模7接触，在铆接凹模7圆角接触处发生变形，第一板料3的材料流入铆接凹模7的凹槽中。

板料铆接成形阶段：参照图9，第二板料6和第一板料3持续向铆接凹模7流入直到铆接凸模5运动到下止点为止，第二板料6颈部被拉伸变薄同时底部逐渐嵌入第一板料3中，此时第二板料6和第一板料3相互咬合形成锁扣结构，此时板料底部厚度X(参照图13)一般达到组合厚度的25％～40％。

铆接接头保压阶段：参照图10，为了防止回弹，铆接凸模5在下止点停留一段时间。在此阶段第二板料6和第一板料3完全填满铆接凹模7，锁扣结构在凸模5的压力作用下变得更为牢固。

退模阶段：参照图11，铆接凸模5上行完成退模，在铆接凸模5运行到上止点以后，取下已连接完好的板料，完成整个无铆连接过程。

本发明的无铆连接工艺中对于下板料的预处理降低了整个工艺对凸模材料性能的要求，保证上下板料在无铆连接过程中发生有序变形，使得异种板材的无铆连接更易实现；同时预处理工序充分考虑了上下板料在强度上的差异，对强度高的板料预制出危险截面，保证异种板料在无铆连接过程中材料发生有序变形，避免了板料铆接时无法形成锁扣、连接强度不足、材料断裂等缺陷的出现；异种金属板材的铆接既实现了汽车轻量化，又可满足汽车车身相应结构件对多样性强度及刚度性能的要求。

以Al6061和304不锈钢为研究对象，下面结合具体过程对本发明的异质板料无铆连接工艺作进一步详细描述：

以2mm的Al6061作为上板料和2mm的304不锈钢作为下板料，采用本发明的上述异质板料无铆连接工艺进行无铆连接，并采用有限元分析(分析结果如图12所示)。

本实施例中，对强度较大的304不锈钢做出危险界面，以冲压方式在304不锈钢表面形成深度为组合板厚12.5％的一个圆形凹槽。有限元分析显示，总板厚为4mm的板料进行无铆连接底厚值X≈1mm时的得到最佳接头质量，除此之外，在相同的连接参数条件下，接头的直径越大连接强度越高，接头也就更加牢固，因此在铆接位置允许的情况下应尽可能选择大直径凸模。

图13为铆接接头的剖面图，接头质量一般通过接头的底厚值X控制，当总板厚值范围在3～4mm时底厚值X≈1mm接头质量最佳；若底厚值X过大，则有可能导致镶嵌量t值过小，上下板料联锁失败导致接头剥离失效(如图14所示)，反之底厚值X过小，接头承受载荷主要为剪切应力，此时接头颈部产生很大应力，颈部产生大变形导致颈厚值n过小，当超过材料强度时接头出现剪切失效(如图15所示)；除此之外，镶嵌量t值还取决于无铆连接过程中的工艺设计参数、模具参数以及材料性能；颈厚值n则与上板料厚度及上下板料的材料性能有关。

上述仅本发明较佳可行的实施例而已，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所做各种组合连接变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (8)

1.一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，包括如下步骤；

步骤1)，对于强度不同的第一板料(3)和第二板料(6)，第一板料(3)的强度大于第二板料(6)，对第一板料(3)进行预处理，做出危险截面，所述危险截面为环状危险截面、柱状危险截面或环状与柱状组合形成的危险截面；

步骤2)，将预处理后的第一板料(3)为下板料，将第二板料(6)为上板料，在第一板料(3)上的危险截面处将第一板料(3)和第二板料(6)铆接。

2.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，步骤1)中，当危险截面为环状危险截面时，危险截面的截面形状为圆弧形、V型或矩形。

3.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，步骤1)中，当危险截面为柱状危险截面时，危险截面的底部呈W状。

4.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，步骤1)中，当危险截面为环状与柱状组合形成的危险截面时，环状危险截面分布于柱状危险截面底部的外缘。

5.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，环状危险截面的外径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；柱状危险截面的直径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍；环状与柱状组合形成的危险截面中，环状部分的外径与柱状部分的直径相同，环状部分的外径为铆接采用的铆接冲头直径的1～1.5倍。

6.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，危险截面的深度为第一板料(3)和第二板料(6)总厚度的12％～20％。

7.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，第一板料(3)和第二板料(6)采用铆接设备进行铆接，过程包括：

板料铆接定位阶段：将预处理后的第一板料(3)为下板料，放置于铆接设备的铆接凸模(5)和铆接凹模(7)的中心位置，使第一板料(3)上的危险截面处于加工位；将第二板料(6)为上板料，放置于铆接凸模(5)和铆接凹模(7)的中心位置且叠放在第一板料(3)上，铆接设备的压边圈(2)对第二板料(6)施加预紧力，以固定叠放后的第二板料(6)和第一板料(3)；

板料铆接初始成形阶段：铆接凸模(5)向铆接凹模(7)运动并接触第二板料(6)，第二板料(6)与铆接凸模(5)圆角接触处发生变形，同时铆接凸模(5)推动第一板料(3)向铆接凹模(7)移动并使第一板料(3)与铆接凹模(7)接触，第一板料(3)在与铆接凹模(7)圆角接触处发生变形，第一板料(3)的材料流入铆接凹模(7)的凹槽中；

板料铆接成形阶段：第二板料(6)和第一板料(3)持续向铆接凹模(7)流入直到铆接凸模(5)运动到下止点为止，第二板料(6)颈部被拉伸变薄同时底部逐渐嵌入第一板料(3)中，此时第二板料(6)和第一板料(3)相互咬合形成锁扣结构；

铆接接头保压阶段：铆接凸模(5)在下止点停留预设时间，铆接凸模(5)在停留期间，第二板料(6)和第一板料(3)完全填满铆接凹模(7)；

退模阶段：铆接凸模(5)退回并完成退模，在铆接凸模(5)完全退回后，取下已连接完好的板料，完成整个无铆连接过程。

8.根据权利要求1所述的一种异质板料无铆连接工艺，其特征在于，在铆接时，第一板料(3)和第二板料(6)在铆接部位的底部厚度为第一板料(3)和第二板料(6)总厚度的25％～40％。