CN110253900A - 双重附接自冲铆钉 - Google Patents

Abstract

根据本公开原理的一种连接顶部和底部材料层的方法包括提供具有头部和无头端的铆钉，其中有缘边缘从头部朝向无头端向下延伸，在顶层和底层之间施用粘合剂层并且使粘合剂层至少部分固化。该方法进一步包括在粘合剂层固化之后用铆钉的无头端刺穿顶层，用有缘边缘使顶层变形并用铆钉的无头端使底层变形，并且在顶层和底层的变形期间迫使铆钉的有缘边缘和无头端径向向外弯曲。

Description

双重附接自冲铆钉

技术领域

本公开涉及使用自冲铆钉连接聚合物基复合材料和其他材料的方法。

背景技术

提供的背景描述这里总体上是为了表示本公开的前后关系。在该背景技术部分以及说明书各方面中描述的当前指出姓名的发明人的工作所进行的程度并不表明其在本公开提交时作为现有技术，从未明示或暗示其被承认为本公开的现有技术。

碳纤维增强的热塑性塑料(CFRTP)诸如碳纤维增强的尼龙复合物具有高的强度重量比，这使得这些材料用于汽车应用是理想的。例如，为了降低车辆重量，这些材料已经被用于诸如进气歧管、空气过滤器壳体、谐振器、正时齿轮、散热器风扇和散热器箱的部件中。尽管有这些优点，但由于可用于连接CRFTP材料的当前方法，用于CRFTP材料的应用的数量是有限的。因此，需要用于连接CRFTP材料的改进方法。

发明内容

根据示例性实施例的方面，连接至少两个材料层(包括顶部和底部材料层)的第一示例方法。该方法包括提供具有头部和无头端的铆钉，其中有缘边缘从头部朝向无头端向下延伸。另一方面包括用铆钉的无头端刺穿顶层。并且又一方面包括用有缘边缘使顶层变形并用铆钉的无头端使底层变形。并且再一方面包括在顶层和底层的变形期间迫使铆钉的有缘边缘和无头端径向向外弯曲，以与顶层和底层形成机械互锁。应该明白，根据示范性实施例的方法可用于多个层(例如，3、4、5或更多层)，而不超出本发明的范围。

根据示例性实施例的进一步的方面，其中铆钉是自冲铆钉。并且进一步的方面包括用铆钉的无头端刺穿底层。又一方面包括在顶层和底层之间施用粘合剂层。并且另一方面包括使粘合剂层至少部分固化。再一方面包括在粘合剂层至少部分固化之后刺穿顶层。

根据示例性实施例的又一些方面包括在将粘合剂层施用在顶层和底层之间之后并且在用铆钉的无头端刺穿顶层之前将顶层和底层定位在模具上，并且由于铆接过程期间产生的力而使有缘边缘径向向外弯曲，以及使用形成在模具的底表面上的突起使铆钉的无头端径向向外弯曲。并且进一步的方面包括在管和模具之间夹紧顶层和底层；使用设置在管内的活塞来保持铆钉；以及朝向模具的底表面移动活塞，以迫使铆钉的无头端穿过顶层并至少部分地进入底层。并且又一方面，其中顶层和底层各自包括聚合物基复合材料。并且再一其他方面，其中顶层和底层中的一个包括聚合物基复合材料，顶层和底层中的另一个包括金属。

本公开的其它应用领域从详细描述、权利要求书和附图中将变得显而易见。详细描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

从详细描述和附图中将更全面地理解本公开，其中：

图1A、1B、1C和1D是根据示例性实施例的多个方面在没有粘合剂的情况下连接至少两个材料层的示例自冲铆接系统的示意性剖视图；

图2A、2B和2C是根据示例性实施例的多个方面在有粘合剂的情况下连接至少两个材料层的示例自冲铆接系统的示意性剖视图；

图3是根据示例性实施例的多个方面没有粘合剂的示例铆接接头的实际剖视图；

图4是根据示例性实施例的多个方面有粘合剂的示例铆接接头的实际剖视图，其中在使粘合剂固化之后将自冲铆钉插入到两个材料层中；

图5是根据示例性实施例的多个方面有粘合剂的示例铆接接头的实际剖视图，其中在使粘合剂固化之前将自冲铆钉插入到两个材料层中；以及图6是示出了根据示例性实施例的多个方面使用自冲铆钉将至少两个材料层连接在一起的示例方法的流程图。

在附图中，附图标记可以重复使用以标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

一种用于连接CRFTP和其它材料的过程称为自冲铆接。在该过程中，将自冲铆钉插入到至少两个材料层(或工件)中以将各层连接在一起。铆钉包括头部和设计成刺穿材料的无头端或尾部。应当理解，该方法可以用于连接各种类型的材料，包括但不限于，将聚合物基复合材料连接到聚合复合材料，将聚合物基复合材料连接到金属材料、以及将金属连接到金属材料，而不超出本公开的范围。当铆钉向下插入层中时，尾部刺穿顶层，然后在不刺穿底层的情况下使底层变形。当尾部使底层变形时，头部被安置在顶层中并在顶层中变形。在铆接过程期间产生的力导致围绕铆钉头部的有缘边缘径向向外弯曲以与顶层形成互锁，并且模具使尾部径向向外弯曲，使得各层被夹紧在头部和尾部之间。根据示例性实施例，该过程提供了底部机械互锁，使得我们具有来自单个刺穿铆接过程的双重附接。

存在与铆钉和模具的设计有关的若干参数，该若干参数影响铆钉是否刺穿顶层和底层以及头部的有缘边缘和尾部是否向上弯曲以在刺穿工件之后产生机械互锁。此外，工件的规格(或厚度)和工件堆叠在彼此上的顺序在连接操作期间影响铆钉的行为。因此，可能需要详尽的试错测试来找到产生最大连接强度的最佳工艺参数，诸如铆钉和模具设计。

在一个示例中，当铆钉用于连接3毫米(mm)CRFTP材料层(其被堆叠在2mm CRFTP材料层的顶部上)时，铆钉和模具的设计可以被优化以产生最大的连接强度。然而，如果将2mm层堆叠在3mm层的顶部上，则铆钉和模具可能必须被重新设计以产生最大连接强度。因此，每当各层的堆叠顺序改变时，铆钉和模具可能必须被重新设计。

如上所示，在传统自冲铆接过程中，当铆钉向下插入两个CRFTP材料层中时，尾部刺穿顶层，然后在不刺穿底层的情况下使底层变形。

相反，如上所述，在根据本公开的自冲铆接过程中，当铆钉向下插入两个CRFTP材料层时，环绕头部的有缘边缘刺入材料的顶层，并且尾部刺穿底层。此外，有缘边缘和尾部径向向外和向上弯曲，以在铆钉和工件之间形成机械互锁。

现在参考图1A、图1B、图1C和图1D，示出了在没有粘合剂的情况下连接至少两个材料层的示例自冲铆接过程。在该过程中，材料的顶层10和材料的底层12定位在模具14上，该模具14在设置在铆钉插入工具16下方。顶层10和底层12可以是相对平坦的板片，并且模具14可以是具有中空内部或空腔18的圆柱体。铆钉插入工具16包括具有中空内部22的管20和可在管20的中空内部22内移动的活塞24。活塞24保持具有头部28的自冲铆钉26，其中有缘边缘33从头部朝向无头端或尾部30向下延伸，如图1A所示。尾部30构造成刺穿材料。例如，尾部30具有尖锐的远端31。可替代地，尾部30的远端31可以是钝的。同样，有缘边缘33的远端可以是尖锐的或钝的。

一旦顶层10和底层12定位在模具14上，铆钉插入工具16就沿向下方向17移动，直到铆钉插入工具16的管20接触顶层10，如图1B所示。在该位置，顶层10和底层12被夹紧在铆钉插入工具16的管20和模具14之间。然后使铆钉插入工具16的活塞24致动，以沿向下方向17朝向模具14的底表面32移动铆钉26。

当活塞24沿向下方向17移动铆钉26时，铆钉26的尾部30刺穿顶层10，如图1C所示。当活塞24继续沿向下方向17移动铆钉26时，有缘边缘33刺穿并使顶层10变形，并且铆钉26的尾部30刺穿并使底层12变形，如图1D所示。当有缘边缘33刺穿并使顶层10变形时，在插入过程期间产生的力使有缘边缘33沿径向向外并沿向上方向弯曲，从而导致顶层10内的机械互锁。同样地，当尾部30使底层12变形时，形成在模具14的底表面32上的半球形突起34使尾部30沿径向向外并沿向上方向35朝向顶层10弯曲。活塞24可以沿向下方向17移动，直到活塞24移动至少预定距离和/或直到由活塞24施加在铆钉26上的力大于或等于预定力。

当活塞24停止沿向下方向17移动时，铆钉26的头部28完全安置在顶层10中，其中有缘边缘33径向向外和向上弯曲，并且尾部30径向向外和向上弯曲，以便分别与顶部和底部材料层形成机械互锁。结果，顶层10和底层12被夹紧在铆钉26的头部28和铆钉26的尾部30之间，使得顶层10和底层12通过铆钉26连接在一起。然后铆钉插入工具16沿向上方向35上移动，使铆钉26留在顶层10和底层12中的适当位置。向下方向17和向上方向35可以称为轴向方向，并且尾部30沿其弯曲的径向向外方向部分地垂直于这些轴向方向。

尾部30可以仅部分地插入底层12中，或者尾部30可以完全插入穿过底层12。此外，尾部30可以朝向顶层10向上弯曲不同程度。例如，尾部30可以如图1D所示仅稍微向上弯曲，或者尾部30可以向上弯曲更大的程度，使得尾部30的远端指向顶层10。

与铆钉26和模具14的设计有关的若干参数可以被优化以确保有缘边缘33径向向外和向上弯曲到顶层材料10中，并且尾部30刺穿底层12，并且尾部30在刺穿顶层10和底层12之后朝向顶层10向上弯曲。这些设计参数可包括铆钉26的长度36、突起34的高度38、突起34的其他几何方面、模具14中的空腔18的深度40、空腔18的直径42、空腔18的体积，和/或前述参数中的两个或多个之间的关系。此外，这些设计参数中的一个或多个可以基于顶层10的顶部厚度44、底层12的底部厚度46、包含在顶层10和底层12中的材料的类型和/或包含在顶层10和底层12中的材料的强度来确定。

在一个示例中，铆钉26的长度36可以比顶部厚度44和底部厚度46的总和大至少40％。因此，如果顶部厚度44和底部厚度46各自为2.5mm，则铆钉26的长度36可以是至少7mm。在其他示例中，突起34的高度38可以在0mm至2mm的范围内，并且空腔18的深度40可以在0.5mm至2mm的范围内。

在图1B、1C和1D中，环绕突起34的模具14的底表面32的部分是平坦的。然而，在各实施方案中，模具14的底表面32可限定环形槽，该环形槽完全围绕突起34延伸且具有U形横截面。该槽可以接合底层12和/或尾部30以使尾部30沿向上方向35弯曲。

现在参考图2A、2B和2C，示出了在有粘合剂的情况下连接多层材料的示例自冲铆接过程。在该过程中，将粘合剂层48施用到顶层10和底层12中的至少一个，然后将顶层10放置到底层12上，使得粘合剂层48设置在顶层10和底层12之间。

粘合剂层48具有第三厚度50，其可以是顶层10和底层12的顶部厚度44和底部厚度46和/或顶层10和底层12的材料强度的函数。在一个示例中，第三厚度50可以在顶部厚度44和底部厚度46的总和的3％和30％之间。因此，如果顶部厚度44和底部厚度46各自为2.5mm，则第三厚度50可以在0.15mm和1.5mm之间。

在将粘合剂层48施用在顶层10和底层12之间之后，使粘合剂层48完全固化或至少部分固化。在一个示例中，使粘合剂层48完全固化包括将粘合剂层48暴露于室温达第一预定时间段(例如，60分钟至90分钟)。在另一示例中，使粘合剂层48完全固化包括将粘合剂层48加热到预定温度(例如，大约100摄氏度(℃))达底部预定时间段(例如，10分钟)。在另一示例中，使粘合剂层48至少部分固化包括将粘合剂层48暴露于室温达第一预定时间段的至少第一预定百分比(例如，10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。在另一示例中，使粘合剂层48至少部分地固化包括将粘合剂层48加热到预定温度达第二预定时间段的至少第二预定百分比(例如，10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。

一旦粘合剂层48被完全固化或至少部分固化，顶层10和底层12以及粘合剂层48就被定位在模具14上，如图2A所示。该过程的其余部分类似于参考图1B、1C和1D描述的过程。然而，与图1B、1C和1D的过程相比，铆钉26被插入到粘合剂层48以及顶层10和底层12中。

一旦顶层10和底层12定位在模具14上，铆钉插入工具16就沿向下方向17移动，直到铆钉插入工具16的管20接触顶层10，如图2A所示。在该位置，顶层10和底层12被夹紧在铆钉插入工具16的管20和模具14之间。然后使铆钉插入工具16的活塞24致动，以沿向下方向17朝向模具14的底表面32移动铆钉26。

当活塞24沿向下方向17移动铆钉26时，铆钉26的尾部30刺穿顶层10，如图2B所示。当活塞24继续沿向下方向17移动铆钉26时，头部28的有缘边缘33刺穿并使顶层变形，并且铆钉26的尾部30刺穿并使底层12变形，如图2C所示。当有缘边缘33使顶层10变形时，在插入过程期间产生的力使有缘边缘33径向向外和向上弯曲。当尾部30使底层12变形时，模具14的底表面32上的突起34使尾部30沿径向向外并沿向上方向35朝向顶层10弯曲。活塞24可以沿向下方向17移动，直到活塞24移动至少预定距离和/或直到由活塞24施加在铆钉26上的力大于或等于预定力。

当活塞24停止沿向下方向17移动时，铆钉26的头部28和有缘边缘完全安置在顶层10中，其中有缘边缘33径向向外和向上弯曲，并且尾部30径向向外和向上弯曲以便形成机械互锁。结果，顶层10和底层12被夹紧在铆钉26的头部28和铆钉26的尾部30之间，使得顶层10和底层12通过铆钉26连接在一起。然后铆钉插入工具16沿向上方向35上移动，使铆钉26留在顶层10和底层12以及粘合剂层48中的适当位置。

尾部30可以仅部分地插入底层12中，或者尾部30可以完全插入穿过底层12。此外，尾部30可以朝向顶层10向上弯曲不同程度。例如，尾部30可以如图2C所示仅稍微向上弯曲，或者尾部30可以向上弯曲较大程度，使得尾部30的远端指向顶层10。

与铆钉26和模具14的设计有关的若干参数可以被优化以确保尾部30刺穿底层12，并且尾部30在刺穿顶层10和底层12之后朝向顶层10向上弯曲。这些设计参数可包括铆钉26的长度36、突起34的高度38、突起34的其他几何方面、模具14中的空腔18的深度40、空腔18的直径42、空腔18的体积，和/或前述参数中的两个或更多个之间的关系。此外，这些设计参数中的一个或多个可以基于顶层10的第一厚度44、底层12的第二厚度46、包含在顶层10和底层12中的材料的类型，和/或包含在顶层10和底层12中的材料的强度来确定。

在一个示例中，铆钉26的长度36可以比第一和第二厚度44和46的总和大至少40％。因此，如果第一和第二厚度44和46各自为2.5mm，则铆钉26的长度36可以是至少7mm。在其他示例中，突起34的高度38可以在0mm至2mm的范围内，并且空腔18的深度40可以在0.5mm至2mm的范围内。

上述自冲铆接过程可用于连接多层CRFTP材料，连接多层的其他类型材料，或者连接多层的不同材料。在一个示例中，顶层10和底层12中的每一个包括或由聚合物基复合材料诸如CRFTP组成。在另一示例中，顶层10和底层12中的一个包括或由聚合物基复合材料诸如CRFTP组成，顶层和底层中的另一个包括金属诸如不锈钢。在又一示例中，顶层10和底层12中的每一个包括或由金属诸如不锈钢组成。

在图3中示出了没有粘合剂的铆接接头52的示例，并且在图4中示出了具有粘合剂的铆接接头54的示例。铆接接头52是使用参照图1B、1C和1D描述的自冲铆接过程形成的。铆接接头54是使用参照图2A、2B和2C描述的自冲铆接过程形成的。在铆接接头52和54二者中，通过由不锈钢制成的自冲铆钉60将顶层56和底层58的CRFTP材料连接在一起。然而，仅铆接接头54包括粘合剂层62，该粘合剂层62施用在顶层56和底层58之间并允许在铆钉60插入到层56和58中之前固化。铆接接头52和54的测试显示了铆接接头52的剥离强度实际上小于铆接的接头54的剥离强度。因此，在顶层56和底层58之间施用粘合剂不仅减少了车辆应用所需的铆钉和模具设计的数量，而且还增加了铆接接头的剥离强度。

图5示出了具有粘合剂的铆接接头64，该铆接接头64是使用类似于参照图2A、2B和2C描述的自冲铆接过程形成的。然而，而不是在顶层56和底层58之间施用粘合剂层62并在将铆钉60插入到层56和58中之前使粘合剂固化，在粘合剂固化之前将铆钉60插入到层56和58中。该铆接接头的测试显示其剥离强度小于铆接接头54的剥离强度。该剥离强度的差异的原因是当铆钉60插入到层56和58中时，粘合剂被挤出图5的未固化接头。因此，仅少量的粘合剂留在层56和58之间以将层56和58保持在一起。因此，在将铆钉60插入到层62和64中之前使粘合剂完全固化或至少部分地固化提高了铆接接头的剥离强度。

此外，如同没有粘合剂的铆接接头52，当铆钉60插入到层56和58中时，铆接接头64中的层56和58的堆叠顺序影响铆钉60的行为。因此，如同铆接接头52，可能需要详尽的试错测试来找到产生最大连接强度的铆接接头64的最佳工艺参数，诸如铆钉和模具设计。因此，在将铆钉60插入到层56和58中之前使粘合剂完全固化或至少部分地固化避免该额外工作和相关成本。

现在参考图6，用于连接顶部和底部材料层的示例方法70开始于72。在74处，提供具有头部28和无头端30的铆钉，其中有缘边缘33从头部28朝向无头端30向下延伸。在76处，在顶层10和底层12之间施用粘合剂层48。在78处，使粘合剂层48完全固化或至少部分固化。在一个示例中，允许粘合剂层48完全固化包括将粘合剂层48暴露于室温达第一预定时间段(例如，60分钟至90分钟)。在另一示例中，使粘合剂层48完全固化包括将粘合剂层48加热到预定温度(例如，100℃)达第二预定时间段(例如，10分钟)。在另一示例中，使粘合剂层48至少部分地固化包括将粘合剂层48暴露于室温达第一预定时间段的至少第一预定百分比(例如，10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。在另一示例中，使粘合剂层48至少部分地固化包括将粘合剂层48加热到预定温度达第二预定时间段的至少第二预定百分比(例如，10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。

在78处，方法70确定粘合剂层48是否完全固化或至少部分固化。在一个示例中，方法70可确定当粘合剂层48已被加热到预定温度达第二预定时间段时，粘合剂层48被完全固化。如果粘合剂层48完全固化或至少部分固化，则方法70在80处继续。否则，方法70在框78处循环，直到粘合剂层48被完全或至少部分地固化。

在80处，顶层10和底层12被定位在模具14上。在82处，铆钉26被插入穿过顶层10并且至少部分地进入底层12中。在84处，头部28的有缘边缘33刺穿并使顶层变形，并且铆钉26的尾部30刺穿和并使底层12变形。当有缘边缘33使顶层10变形时，在插入过程期间产生的力使有缘边缘33径向向外和向上弯曲。当尾部30使底层12变形时，模具14的底表面32上的突起34使尾部30沿径向向外并沿向上方向35朝向顶层10弯曲。方法70在86处结束。

前述描述在本质上仅仅是说明性的并且绝不是要限制本发明内容、其应用或用途。本公开的宽泛教导可以以各种形式来实施。因此，尽管本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应被限制于此，因为在研读了附图、说明书和以下权利要求之后，其它修改将变得显而易见。应当理解，方法内的一个或多个步骤可以以不同顺序(或同时)执行而不改变本公开的原理。进一步地，尽管实施例中的每一个描述为具有某些特征，但相对于本公开的任何实施例描述的这些特征中的任意一个或多个可以在其他实施例中的任意一个的特征中实现和/或与其他实施方式中的任意一个的特征组合，即使没有明确描述该组合。换句话说，所描述实施例并不相互排斥，一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。

使用各种术语描述各元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系，这些术语包括“连接”、“接合”、“联接”、“邻近”、“接近”、“在……顶部”、“上方”、“下方”，以及“设置”。除非明确地描述为“直接”，当在以上公开内容中描述顶部和底部元件之间的关系时，该关系可以是其中没有其他中介元件存在于顶部和底部元件之间的直接关系，但也可以是其中一个或多个中介元件存在于(空间地或功能地)顶部和底部元件之间的间接关系。如本文中所使用，短语“A、B和C中的至少一个”应该被理解为使用非排他性逻辑OR表示逻辑(A或B或C)，并且不应被理解为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

权利要求中所列举的元件都不是要作为35U.S.C.§112(f)的含义内的装置加功能元件，除非使用短语“用于……的装置”明确地列举了元件，或者在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求的情况下。

Claims (10)

1.一种连接至少两个材料层的方法，所述方法包括：

提供具有头部和无头端的铆钉，其中有缘边缘从所述头部朝向所述无头端向下延伸；

用所述铆钉的所述无头端刺穿顶层；

用所述有缘边缘使所述顶层变形并用所述铆钉的所述无头端使底层变形；以及

在所述顶层和底层的变形期间迫使所述铆钉的所述有缘边缘和所述无头端径向向外弯曲，以与所述顶层和底层形成机械互锁。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述铆钉是自冲铆钉。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用所述铆钉的所述无头端刺穿所述底层。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述顶层和底层之间应用粘合剂层。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括使所述粘合剂层至少部分固化。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括在所述粘合剂层至少部分固化之后刺穿所述顶层。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括在将所述粘合剂层施用在所述顶层和底层之间之后并且在用铆钉的所述无头端刺穿所述顶层之前将所述顶层和底层定位在模具上。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括由于在铆接过程期间产生的力而使所述有缘边缘径向向外弯曲，并且使用形成在所述模具的底表面上的突起使所述铆钉的所述无头端径向向外弯曲。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

在管和所述模具之间夹紧所述顶层和底层；

使用设置在所述管内的活塞来保持所述铆钉；以及

朝向所述模具的所述底表面移动所述活塞，以迫使所述铆钉的所述无头端穿过所述顶层并至少部分地进入所述底层。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述顶层和底层各自包括聚合物基复合材料。