CN110319097A - 内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，其中铆钉包括铆钉体(103)、内自锁凸台(104)、钉体端部(105)以及钉体头部组件；所述铆钉体(103)内部设置有铆钉腔体；所述铆钉腔体一端与钉体头部组件相连接，另一端与钉体端部(105)相连接；所述内自锁凸台(104)设置在铆钉腔体临近钉体端部(105)一侧；所述钉体端部(105)包括配合内自锁凸台(104)的楔形结构；所述铆钉体(103)内壁和/或外壁设置有表面结构，所述表面结构包括光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
Description
技术领域
本发明涉及材料连接领域，具体地，涉及一种内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，尤其涉及一种内自锁铆钉、内自锁铆钉机械-固相复合连接装置以及内自锁铆钉机械-固相复合连接方法。
背景技术
在金属材料的板连接技术中，对于第一层板(401)为钢、第二层板(402)为较厚轻质合金的板材组合，由于下层轻质合金板材很厚，无法采用自冲铆接、流钻铆接等适用于薄板的机械连接方式，且钢板在上轻质合金在下的叠加方式，使得搅拌摩擦焊、摩擦单元焊等固相连接工艺无法应用，故此类板材组合主要采用螺栓连接工艺。
如专利文件CN107013552B公开的一种主动侵入式螺栓连接防松结构，包括螺栓1、弹性防松环2、第一个被连接件3和第二个被连接件4，或者包括螺栓1、弹性防松环2、第一个被连接件3、第二个被连接件4、垫片11和螺母12；其特征在于：所述螺栓1上有螺栓外螺纹5、光杆7和螺栓环槽7，所述弹性防松环2为弹性开口环且有导向面10；第一个被连接件3的通孔上有光孔、螺纹孔和环槽；第二个被连接件4有螺纹盲孔或螺纹通孔。
上述现有技术的螺栓连接适合用来连接可拆卸结构部件，结构简单、连接可靠、拆卸方便。但是螺栓连接也存在诸多不足之处，釆用螺栓连接需要对各层被连接板材预先预钻孔、攻丝，不仅增加了螺栓连接工艺额外的加工步骤，而且各层板材预制螺孔在装卡过程中的对中性要求较高；螺栓连接中通常具有较长的螺杆结构，且需要螺母和垫片等其他零件的配合形成螺栓连接接头，这使得接头体积和质量很大，不仅使其应用局限性较大，而且造成了额外的增重，与结构轻量化的趋势相左；此外，螺栓-螺母配合的上下开放式结构，导致接头密封性差，降低了接头的耐腐蚀性能，限制了螺栓连接接头的服役范围。
因此，提供的一种内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法具有较高的实用价值和意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法。
根据本发明提供的一种内自锁铆钉，包括铆钉体、内自锁凸台、钉体端部以及钉体头部组件；
所述铆钉体内部设置有铆钉腔体；所述铆钉腔体一端与钉体头部组件相连接，另一端与钉体端部相连接；
所述内自锁凸台设置在铆钉腔体临近钉体端部一侧；所述钉体端部包括配合内自锁凸台的楔形结构；
所述铆钉体内壁和/或外壁设置有表面结构，所述表面结构包括光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
优选地，所述钉体头部组件包括铆钉盖；所述铆钉盖设置在铆钉体上，与铆钉腔体相连接；所述铆钉盖上设置有齿牙结构和定位凹槽。
优选地，适用于第一层板和设定部件的连接；
所述铆钉腔体的深度D通过如下第一公式根据铆钉尺寸和待连接板材厚度进行确定：
其中：R1为铆钉体外径；R2为铆钉体内径；D为铆钉体深度；H为铆钉体高度；t1为第一层板厚度；k为设定的修正系数。
优选地，所述铆钉盖上设置有通孔；所述通孔的尺寸和位置与铆钉腔体相匹配。
优选地，所述钉体头部组件包括螺栓；所述铆钉腔体与外界连通作为螺纹孔；所述铆钉腔体内壁设置有内螺纹作为螺纹结构；
所述螺栓包括螺帽和螺柱；所述螺柱外壁设置有与内螺纹匹配的螺纹结构。
根据本发明提供的一种铆钉复合连接装置，利用上述的内自锁铆钉作为铆钉，包括铆钉、驱动头以及压边圈；
所述驱动头包括与铆钉匹配的齿牙结构和/或与铆钉匹配的定位结构，所述驱动头与铆钉能够在匹配的齿牙结构作用下啮合并传递扭矩；
所述压边圈的内径大于铆钉的外径。
优选地，所述铆钉复合连接装置还包括平底模具；
所述平底模具在待连接板材所在平面的截面尺寸大于铆钉在待连接板材所在平面的截面尺寸。
根据本发明提供的一种铆钉复合连接方法，包括装卡步骤、压紧步骤、驱动头定位步骤、连接步骤以及驱动头退回步骤；
装卡步骤：将待连接板材装卡于平底模具上方；
压紧步骤：压边圈缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材；
驱动头定位步骤：驱动头快速轴向进给至距离待连接板材上表面附近，随后缓慢进给的同时通过正反转寻帽动作，使得驱动头的凸起齿牙与铆钉盖顶部的下凹齿牙相啮合；
连接步骤：驱动头与铆钉准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板，直至接触第二层板表面，随后驱动头驱动铆钉旋转并进给至设定位置，通过铆钉旋转产生并积累摩擦热，被连接工件温度升高，材料塑性显著增加并在铆钉体和下层平底模具的限制下流入半空心铆钉，当塑性材料填充至内部自锁凸台上方适当位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
驱动头退回步骤：当铆钉进给至预定深度，铆钉腔体充满后，驱动头反向快速回退至原位。
优选地，所述装卡步骤还包括在第一层板上设置适应铆钉尺寸的预制连接孔，预制连接孔直径为铆钉外径的1.1-1.3倍。
优选地，所述连接步骤中，所述驱动头与铆钉准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板的预制连接孔，接触第二层板表面。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的内自锁铆钉，具有结构简单、可靠性好、泛用性强的优点；
2、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，针对钢-厚板轻质合金的板材组合，通过控制待连接板材(4)的流动状态形成了一种基于特殊结构半空心/空心铆钉(1)的内自锁工艺，可以得到具有较高整体强度和刚度的接头，并在内自锁机械连接的基础上实现铆钉(1)与工件、工件与工件之间的固相连接，强化了接头的静、动态力学性能，解决了自冲铆接、流钻铆接等传统板材机械连接技术无法应用的困境；
3、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，由于只需要对第一层板(401)预制连接孔，解决了螺栓连接双层板开孔攻丝后对中性和装卡精度要求高的问题；
4、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，通过摩擦热积累实现待连接板材(4)的充分软化和良好的塑性流动状态，软化被连接板材，防止工艺过程中铆钉(1)镦粗和变形等缺陷，同时也降低了铆接力，减小对设备整体刚度的要求和零部件的损耗；
5、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，半空心/空心结构的铆钉(1)为挤出材料提供空间，防止挤入板材之间或塞积于接头表面附近，使得接头不会出现间隙和较大翘曲变形；半空心/空心钉体能够有效降低铆钉体(103)积和重量，解决了螺栓连接接头尺寸和重量大的问题，符合结构轻量化的趋势，且避免了螺栓连接上下开放式的接头结构，保证了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为半空心内自锁铆钉结构的示意图；
图2为本发明的主要工艺过程示意图；
图3为本发明工艺过程完成后得到的机械-固相复合接头示意图；
图4为铆钉盖中心为通孔的空心内自锁铆钉的结构示意图；
图5为改用带通孔的空心铆钉时的主要工艺过程示意图；
图6为改用空心铆钉时工艺过程结束后封胶处理得到的机械-固相复合接头示意图；
图7为去掉伞状铆钉盖的空心内螺纹铆钉结构和与内螺纹相配合的螺栓结构示意图；
图8为改用内螺纹空心铆钉时的主要工艺过程示意图；
图9为改用螺纹空心铆钉时工艺过程结束后螺纹紧固得到的机械-固相-螺纹复合接头示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
基础实施例：
根据本发明提供的一种内自锁铆钉，包括铆钉体103、内自锁凸台104、钉体端部105以及钉体头部组件；
所述铆钉体103内部设置有铆钉腔体；所述铆钉腔体一端与钉体头部组件相连接，另一端与钉体端部105相连接；
所述内自锁凸台104设置在铆钉腔体临近钉体端部105一侧；所述钉体端部105包括配合内自锁凸台104的楔形结构；
所述铆钉体103内壁和/或外壁设置有表面结构，所述表面结构包括光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
所述钉体头部组件包括铆钉盖101；所述铆钉盖101设置在铆钉体103上，与铆钉腔体相连接；所述铆钉盖101上设置有齿牙结构和定位凹槽102。
适用于第一层板401和设定部件的连接；
所述铆钉腔体的深度D通过如下第一公式根据铆钉1尺寸和待连接板材4厚度进行确定：
其中：R1为铆钉体103外径；R2为铆钉体103内径；D为铆钉体103深度；H为铆钉体103高度；t1为第一层板401厚度；k为设定的修正系数。
所述铆钉盖101上设置有通孔106；所述通孔106的尺寸和位置与铆钉腔体相匹配。
所述钉体头部组件包括螺栓8；所述铆钉腔体与外界连通作为螺纹孔107；所述铆钉腔体内壁设置有内螺纹108作为螺纹结构；
所述螺栓8包括螺帽601和螺柱602；所述螺柱602外壁设置有与内螺纹108匹配的螺纹结构。
所述铆钉复合连接装置还包括平底模具5；
所述平底模具5在待连接板材4所在平面的截面尺寸大于铆钉1在待连接板材4所在平面的截面尺寸。
所述装卡步骤还包括在第一层板401上设置适应铆钉1尺寸的预制连接孔，预制连接孔直径为铆钉1外径的1.1-1.3倍。
所述连接步骤中，所述驱动头2与铆钉1准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板401的预制连接孔，接触第二层板402表面。
本发明优选例提供一种用于实现机械-固相复合连接的内自锁铆钉1，包括：一体连接的铆钉盖101、内部带自锁凸台的铆钉体103和楔形端部结构。
所述铆钉盖101顶部设有用于驱动头2啮合并传递扭矩的下凹齿牙，铆钉盖101顶部中心设有用于铆钉1对中的定位凹槽102。
所述的铆钉体103为半空心结构，内部设有环状自锁凸台，内、外壁可以根据具体应用设计为光滑结构或设有螺纹、凹槽等结构，端部结构可以设计为锥面或平面。
所述铆钉1用于带厚板轻质合金板材组合的机械-固相复合连接，因此铆钉1尺寸与传统铆接工艺的铆钉1，如自冲铆铆钉相比尺寸足够大，可采用机加工方式制造。
本发明优选例提供一种基于上述半空心内自锁铆钉1的机械-固相复合连接装置，包括：铆钉1、驱动头2、压边圈3和平底模具5。
其中：驱动头2通过凸起齿牙与半空心铆钉1顶部下凹齿牙相匹配并共同位于待连接板材4上方；驱动头2中心的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102配合，用于铆钉1的对中和定位；压边圈3在工艺过程开始前对待连接板材4预压紧，保证后续工艺过程的稳定性；平底模具5为直径大于铆钉1直径的圆形平面，位于工件下方用于限制下层工件变形，使整个工艺过程中塑性态材料均流入半空心铆钉体103内，形成有效机械内自锁。铆钉1、驱动头2、压边圈3、上层钢板预制孔和平底模具5五者同轴设置。
所述的平底模具5在被连接下层工件刚度较强时可以省略，以提升工艺的灵活性。
所述的驱动头2具有轴向直线运动以及周向旋转运动的能力。
本发明涉及一种利用上述装置实现机械-固相复合连接的方法，具体包括以下步骤：
将待连接板材4装卡于平底模具5上方，所述的被连接板材第一层板401为钢质板材，为满足工艺要求，需要设置适应铆钉1尺寸的预制连接孔，预制连接孔直径为铆钉1外径的1.1-1.3倍；
压边圈3缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材4；
驱动头2快速轴向进给至距离待连接板材4表面5-10mm处，随后通过正反转寻帽动作，使得驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101顶部的下凹齿牙相啮合；
驱动头2与铆钉1准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板401预制连接孔，直至接触第二层板402表面，随后驱动头2驱动铆钉1旋转并进给至下层待连接板材4，通过铆钉1旋转产生并积累摩擦热，被连接工件温度升高，材料塑性显著增加并在铆钉体103和下层平底模具5的限制下流入半空心铆钉1，当塑性材料填充至内部自锁凸台上方位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
当铆钉1进给至预定深度，铆钉腔体充满后，驱动头2反向快速回退至原位。
在工艺过程结束并冷却后，铆钉1附近各界面间隙被消除，实现以下一个或多个界面处两侧材料的固相连接：
铆钉1内侧截留金属403与铆钉1内壁的界面；
铆钉1外侧工件材料与铆钉1外壁的界面；
铆钉1外侧上层工件与下层工件材料的界面。
根据具体应用条件，该工艺可以调整为其他变体：
对于下层为多层轻质合金叠加的板材组合或下层轻质合金板材强度较高，可以将工艺过程分为若干个子阶段，分段控制进给速率和旋转速度，实现对材料塑性流动的精细调控，从而获得最佳的连接效果，所有子阶段的进给深度之和为最终进给深度。
对于以下条件时，所述的铆钉1可以设计为空心结构，即铆钉盖101设置直径与铆钉体103内径相等的通孔106：
铆钉1的成本要求较低，需采用冷镦工艺加工；
结构轻量化要求较高，接头重量尽量降低；
与第一层板401相比，第二层板402板材相对较厚；
下层轻质合金板材强度较高，所需铆钉1刚度较高，铆钉体103设计为较厚的尺寸；
接头服役环境不易发生电化学腐蚀。
当铆钉1为空心结构时，需通过调整驱动头2中心凸起高度与铆钉1通孔106配合，限制截留金属403的流动，形成有效的内自锁接头。
当铆钉1为空心结构时，需在工艺过程结束后对接头顶部进行封胶7处理，以减轻开放式接头结构易发生腐蚀的问题。
3)进一步地，对于所述为通孔106结构的铆钉1，可以根据需求将铆钉体103内壁加工为螺纹结构，通过与之配合的螺栓8实现其他零部件与板材基体的可拆卸连接。
为满足空心螺纹铆钉1-螺栓8的连接方式，不再采用伞状铆钉帽结构，铆钉1顶部外径改为与铆钉体103外径相同，即整个铆钉1外部为一体的柱状结构。用于与驱动头2凸起齿牙啮合的下凹齿牙设置于铆钉1顶部环状端面。
本发明的优选例针对钢-厚板轻质合金的板材组合，提供了一种刚性半空心/空心内自锁铆钉1及其机械-固相复合连接方法，包括：半空心/空心铆钉1、驱动头2、压边圈3和平底模具5，其中：驱动头2通过凸起齿牙与半空心/空心铆钉1顶部下凹齿牙啮合并共同位于待连接板材4上方，模具5位于待连接板材4下方。本发明通过控制待连接板材4的流动状态形成了一种基于特殊结构半空心/空心铆钉1的内自锁工艺，可以得到具有较高整体强度和刚度的接头，并在内自锁机械连接的基础上实现铆钉1与工件、工件与工件之间的固相连接。本发明：1通过可控的热输入软化待连接板材4，降低了工艺过程中需要的铆接力，减小了对设备结构强度、刚度以及驱动系统能力的要求，同时减小了工艺过程对设备的损耗；2在形成有效内自锁机械连接的基础上实现了铆钉1与工件、工件与工件之间多个界面的固相连接，最终形成机械-固相复合连接接头，提高了接头的强度和刚度，优化了接头的静、动态力学性能；3半空心/空心的铆钉1结构，为被铆接材料挤出金属提供流动空间，有效防止接头产生较大变形和翘曲，提高了接头性能；4工艺过程和铆钉1形貌可根据材料、厚度组合和服役需求灵活调整，为更加复杂的结构设计、材料选择和工艺选用提供了便利；5半空心/空心铆钉1尺寸和重量较小，有利于实现结构轻量化的要求；6避免了上下开放式的接头形式，保证了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能。
本发明优选例针对现有技术存在的缺陷，提出了一种内自锁铆钉1及其机械-固相复合连接方法，通过协调控制铆钉1的旋转运动和进给运动，使铆钉体103无需发生变形，就能够实现内自锁机械连接效果，并在铆钉1与工件、工件与工件之间形成一定范围的固相连接，获得机械-固相复合接头6。
本发明优选例是通过以下技术方案实现的：
本发明优选例提供一种用于实现机械-固相复合连接的内自锁铆钉1，包括：一体连接的铆钉盖101、内部带自锁凸台的铆钉体103和楔形端部结构。
所述铆钉盖101顶部设有用于驱动头2啮合并传递扭矩的下凹齿牙，铆钉盖101顶部中心设有用于铆钉1对中的定位凹槽102。
所述的铆钉体103为半空心结构，内部设有环状自锁凸台，内、外壁可以根据具体应用设计为光滑结构或设有螺纹、凹槽等结构，端部结构可以设计为锥面或平面。
所述半空心结构的深度D通过如下第一公式根据铆钉1尺寸和待连接板材4厚度进行确定：
其中：R1为铆钉体103外径；R2为铆钉体103内径；D为铆钉体103深度；H为铆钉体103高度；t1为第一层板401厚度；k为修正系数，k＝0.8-1.2。
所述铆钉1用于带厚板轻质合金板材组合的机械-固相复合连接，因此铆钉1尺寸与传统铆接工艺的铆钉1如自冲铆铆钉1相比尺寸足够大，可采用机加工方式制造。
本发明优选例提供一种基于上述半空心内自锁铆钉1的机械-固相复合连接装置，包括：驱动头2、半空心内自锁铆钉1、压边圈3和平底模具5。
其中：驱动头2通过凸起齿牙与半空心铆钉1顶部下凹齿牙相匹配并共同位于待连接板材4上方；驱动头2中心的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102配合，用于铆钉1的对中和定位；压边圈3在工艺过程开始前对待连接板材4预压紧，保证后续工艺过程的稳定性；平底模具5为直径大于铆钉1直径的圆形平面，位于工件下方用于限制下层工件变形，使整个工艺过程中塑性态材料均流入半空心铆钉体103内，形成有效机械内自锁。半空心内自锁铆钉1、驱动头2、压边圈3、上层钢板预制孔和平底模具5五者同轴设置。
所述的平底模具5在被连接下层工件刚度较强时可以省略，以提升工艺的灵活性。
所述的驱动头2具有轴向直线运动以及周向旋转运动的能力。
本发明优选例提供一种利用上述装置实现机械-固相复合连接的方法，具体包括以下步骤：
1)将待连接板材4装卡于平底模具5上方，所述的被连接板材第一层板401为钢质板材，为满足工艺要求，需要设置适应铆钉1尺寸的预制连接孔，预制连接孔直径为铆钉1外径的1.1-1.3倍；
2)压边圈3缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材4；
3)驱动头2快速轴向进给至距离待连接板材4表面5-10mm处，随后通过正反转寻帽动作，使得驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101顶部的下凹齿牙相啮合；
4)驱动头2与铆钉1准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板401预制连接孔，直至接触第二层板402表面，随后驱动头2驱动铆钉1旋转并进给至下层待连接板材4，通过铆钉1旋转产生并积累摩擦热，被连接工件温度升高，材料塑性显著增加并在铆钉体103和下层平底模具5的限制下流入半空心铆钉1，当塑性材料填充至内部自锁凸台上方位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
5)当铆钉1进给至预定深度，铆钉腔体充满后，驱动头2反向快速回退至原位。
在各阶段工艺结束并冷却后，铆钉1附近各界面间隙被消除，实现以下一个或多个界面处两侧材料的固相连接：
1)铆钉1内侧截留金属403与铆钉1内壁的界面；
2)铆钉1外侧工件材料与铆钉1外壁的界面；
3)铆钉1外侧上层工件与下层工件材料的界面。
根据具体应用条件，该工艺可以调整为其他变体：
1)对于下层为多层轻质合金叠加的板材组合或下层轻质合金板材强度较高，可以将工艺过程分为若干个子阶段，分段控制进给速率和旋转速度，实现对材料塑性流动的精细调控，从而获得最佳的连接效果，所有子阶段的进给深度之和为最终进给深度。
2)对于以下条件时，所述的铆钉1可以设计为空心结构，即铆钉盖101设置直径与铆钉体103内径相等的通孔106：
a)铆钉1的成本要求较低，需采用冷镦工艺加工；
b)结构轻量化要求较高，接头重量尽量降低；
c)与第一层板401相比，第二层板402板材相对较厚；
d)下层轻质合金板材强度较高，所需铆钉1刚度较高，铆钉体103设计为较厚的尺寸；
e)接头服役环境不易发生电化学腐蚀。
当铆钉1为空心结构时，需通过调整驱动头2中心凸起高度与铆钉1通孔106配合，限制截留金属403的流动，形成有效的内自锁接头。
所述驱动头2中心凸台高度d通过第二公式由铆钉1尺寸和待连接板材4厚度进行确定：
其中：R1,R2,H,t1和k均与第一公式一致；d为驱动头2中心凸台高度；L为空心铆钉1总长度。
当铆钉1为空心结构时，需在工艺过程结束后对接头顶部进行封胶7处理，以减轻开放式接头结构已发生腐蚀的问题。
3)进一步地，对于所述为通孔106结构的铆钉1，可以根据需求将铆钉体103内壁加工为螺纹结构，通过与之配合的螺栓实现其他零部件与板材基体的可拆卸连接。
为满足空心螺纹铆钉1-螺栓的连接方式，不再采用伞状铆钉帽结构，铆钉1顶部外径改为与铆钉体103外径相同，即整个铆钉1外部为一体的柱状结构。用于与驱动头2凸起齿牙啮合的下凹齿牙设置于铆钉1顶部环状端面。
图1示出：带下凹齿牙的铆钉盖101、中心定位凹槽102、半空心铆钉体103、铆钉体103内部的内自锁凸台104、用于引导截留金属403流动方向的钉体端部105；
图2示出：半空心铆钉1、带中心定位凸台的驱动头2、压边圈3、待连接板材4、平底模具5、最终形成的机械-固相复合接头6；图2中从左至右依次排列的abcd四步流程示意图具体为：a为驱动头2与半空心铆钉1同轴配合后开始接触待连接板材4时的示意图；b为工艺过程中塑性态材料填充至自锁凸台以上位置的示意图；c为工艺过程中塑性态材料充满半空心铆钉腔体的示意图；d为铆钉1进给至最终预定深度后形成的机械-固相复合接头6示意图；
图3示出：带预制孔的第一层板401、第二层板402、铆钉腔内截留金属403。
图4示出：通孔106，其余结构与图1所示的半空心铆钉1相同；
图5示出：空心铆钉1、带中心凸台压模的驱动头2，工艺结束后接头顶部用于防腐蚀的封胶7，最终形成的机械-固相复合接头6，其余结构与图2半空心铆钉1的工艺过程示意图相同；
图6示出：带预制孔的第一层板401、第二层板402、铆钉腔内截留金属403，防腐蚀封胶7。
图7示出：去掉伞状铆钉盖101的空心内螺纹108铆钉1结构示意图a，以及与内螺纹108相配合的螺栓b，即从左向右依次的2部分示意图为别记为a、b，其中包括螺纹孔107，内螺纹108，螺帽601，螺柱602，其余结构与图3所示的空心铆钉1相同。螺纹孔107与螺柱602匹配，即尺寸和螺纹形状完全相同；为保证可靠机械连接，螺帽601直径大于铆钉体103外径，即W＞2R1。
图8示出：内螺纹空心铆钉1，螺栓8，螺栓8紧固后形成的机械-固相-螺纹复合接头6，其余结构与图5空心铆钉1的工艺过程相同。最右侧的步骤示意图为工艺过程结束后为了紧固其他零件或板材将螺栓8拧至螺纹孔107中形成最终接头。
图9示出：改用螺纹空心铆钉1时工艺过程结束后螺纹紧固得到的机械-固相-螺纹复合接头示意图。
实施例1：
实施例1为基础实施例的优选例。
如图2所示，本实施例包括：半空心铆钉1、带中心定位凸台的驱动头2、压边圈3、待连接板材4、平底模具5，其中：带中心定位凸台的驱动头2通过凸起的齿牙与半空心铆钉盖101顶部下凹的齿牙咬合，定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102匹配，并共同位于待连接板材4的上方，压边圈3位于待连接板材4的上方，模具5位于待连接板材4的下方。
如图1所示，所述的半空心铆钉1包括：一体连接的铆钉盖101和半空心铆钉体103，其中：铆钉盖101中心定位凸台102与铆钉体103同轴设置。
所述的铆钉体103其内径为10.0mm，外径为12.0mm，铆钉体103高度为12.0mm，底端设有楔形锥角105，外壁为光滑结构，内壁靠近锥角设有环形凸台104，凸台内径为8.0mm，凸台高度为1.0mm，半空心铆钉体103深度为13.0mm。
所述铆钉1整体尺寸较大，可采用机加工方式制造。
所述带中心定位凸台的驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101中央的下凹齿牙通过咬合和驱动实现半空心铆钉1的轴向进给运动和旋转运动，驱动头2上的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102配合用于定位和对中。
所述的待连接板材4的第一层板401为2.0mm带预制孔的DP 600，预制孔直径为14.0mm，第二层板402为15.0mm AlSi10MgMn铸铝。
所述的平底模具5为光滑的圆形工具钢，用于限制第二层板402材变形，使软化的塑性态材料在铆钉体103端部的楔形锥面105的引导下流入铆钉腔内。
本发明涉及一种利用上述装置实现的机械-固相复合连接的方法，具体包括以下步骤：
1)将带预制孔的第一层板401材和第二层板402材紧密装卡，预制孔与驱动轴位置同轴；
2)通过驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101上的下凹齿牙相啮合，同时驱动头2上的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102相匹配，使半空心铆钉1与驱动头2同轴设置；
3)驱动头2在伺服电机的作用下以50mm/s的线速度轴向进给至距离待连接板材4上表面8mm处，同时压边圈3缓慢下压于待连接板材4表面。随后驱动头2以5mm/s速度下降直至接触待连接板材4表面；
4)驱动头2驱动铆钉1以转速4000r/min，进给速率2.0mm/s铆入待连接板材402，通过铆钉体103与待连接板材402之间的摩擦作用产生热量，使待连接板材4温度升高，软化材料，降低铆入阻力，塑性态铝合金填充至凸台上方足够高度，开始形成机械内自锁；随后在铆钉1的挤压作用下，铆钉体103内、外侧与待连接板材401和402之间的间隙被消除。
5)当铆钉1进给至预定深度12.0mm时，铆钉腔被第二层板402挤出材料填满，形成有效机械内自锁。随后驱动头2以50mm/s反向进给，回至原位。
如图3所示，在最终形成的机械-固相复合接头6中，三个界面处形成了固相连接，包括：①铆钉1内侧截留金属403与铆钉体103内壁之间的界面；②铆钉体103外壁与下层工件402之间的界面；③上层工件401与下层工件402之间的界面。
与现有技术相比，本工艺连接的高强钢-厚板铸铝材料组合，通过形成一种新型的机械-固相复合连接接头，解决了螺栓8连接需上、第二层板402打孔攻丝，在装卡时对中性要求高的问题。本工艺形成了有效的机械内自锁，并在形成了一定范围的固相焊区域，从多方面保证了所得机械-固相复合接头6的静、动态力学性能。此外，由于本工艺使用的半空心铆钉体103积和重量均较小，解决了螺栓8连接体积和重量较大的问题，符合结构轻量化的趋势。
实施例2：
实施例2为基础实施例的优选例。
如图8所示，本实施例待连接板材4的第一层板401为10mm的45钢板，第二层板402为20mm的7075铝合金。
与实施例1相比，上下两层板总厚度较大，且考虑到上层覆盖件板材需可拆卸，便于维修更换，因此采用本发明的第三种变体，即无伞状钉帽的内螺纹108孔107铆钉1，并配合相应尺寸的螺栓8。铆钉体103高度为20.0mm，外径12.0mm，内壁为M10的内螺纹108，内自锁凸台104内径为7.0mm，凸台高度为1.5mm。与内螺纹108配合的M10螺栓8帽直径为15.0mm；
与实施例1相比，与铆钉1通孔106直径相配合的驱动头2形貌需做出调整，驱动头2与铆钉1啮合后，驱动头2凸台高度设置为8.0mm。
与实施例1相比，板厚增加，且7系铝合金强度较高，工艺后期铆钉1受到的阻力更大，因此可以将参数分段，工艺后期适当增大热输入以减小铆接力，防止铆钉体103镦粗变形。工艺参数第一阶段与实施例1相同，工艺后期旋转速度不变，进给速度降低至1.0mm/s。
本实施例中的其他参数和过程与实施例1相同，主要工艺过程示意图如图8所示，当铆钉1进给位移为12.0mm时，即铆钉1上端面与上层钢板上表面齐平时，工艺结束，随后将与内螺纹108相配合的螺栓8旋入螺纹孔107中，锁紧上层45钢覆盖件，最终形成的接头如图9所示。
与现有技术相比，本方法以简单的工艺过程实现了钢-厚板铝合金的机械-固相-螺栓8复合连接，解决了此类板材组合采用纯螺栓8连接工艺是的螺孔对中性和接头增重较大的问题，具有更广泛的应用前景。此外，本方法可以根据板材种类和厚度的变化，灵活调整工艺过程，为更加复杂的结构设计和材料选择提供了便利。
与现有技术相比本发明的优势在于：
1)通过可控的热输入软化待连接板材4，降低了工艺过程中需要的铆接力，减小了对设备结构强度、刚度以及驱动系统能力的要求，同时减小了工艺过程对设备的损耗；
2)在形成有效内自锁机械连接的基础上实现了铆钉1与工件、工件与工件之间多个界面的固相连接，最终形成机械-固相复合连接接头，提高了接头的强度和刚度，优化了接头的静、动态力学性能；
3)半空心/空心的铆钉1结构，为被铆接材料挤出金属提供流动空间，有效防止接头产生较大变形和翘曲，提高了接头性能；
4)工艺过程和铆钉1形貌可根据材料、厚度组合和服役需求灵活调整，为更加复杂的结构设计、材料选择和工艺选用提供了便利；
5)半空心/空心铆钉1尺寸和重量较小，有利于实现结构轻量化的要求；
6)避免了上下开放式的接头形式，保证了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种内自锁铆钉，其特征在于，包括铆钉体(103)、内自锁凸台(104)、钉体端部(105)以及钉体头部组件；
所述铆钉体(103)内部设置有铆钉腔体；所述铆钉腔体一端与钉体头部组件相连接，另一端与钉体端部(105)相连接；
所述内自锁凸台(104)设置在铆钉腔体临近钉体端部(105)一侧；所述钉体端部(105)包括配合内自锁凸台(104)的楔形结构；
所述铆钉体(103)内壁和/或外壁设置有表面结构，所述表面结构包括光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
2.根据权利要求1所述的内自锁铆钉，其特征在于，所述钉体头部组件包括铆钉盖(101)；所述铆钉盖(101)设置在铆钉体(103)上，与铆钉腔体相连接；所述铆钉盖(101)上设置有齿牙结构和定位凹槽(102)。
3.根据权利要求2所述的内自锁铆钉，其特征在于，适用于第一层板(401)和设定部件的连接；
所述铆钉腔体的深度D通过如下第一公式根据铆钉(1)尺寸和待连接板材(4)厚度进行确定：
其中：R1为铆钉体(103)外径；R2为铆钉体(103)内径；D为铆钉体(103)深度；H为铆钉体(103)高度；t1为第一层板(401)厚度；k为设定的修正系数。
4.根据权利要求2所述的内自锁铆钉，其特征在于，所述铆钉盖(101)上设置有通孔(106)；所述通孔(106)的尺寸和位置与铆钉腔体相匹配。
5.根据权利要求1所述的内自锁铆钉，其特征在于，所述钉体头部组件包括螺栓(8)；所述铆钉腔体与外界连通作为螺纹孔(107)；所述铆钉腔体内壁设置有内螺纹(108)作为螺纹结构；
所述螺栓(8)包括螺帽(601)和螺柱(602)；所述螺柱(602)外壁设置有与内螺纹(108)匹配的螺纹结构。
6.一种铆钉复合连接装置，其特征在于，利用权利要求1至5种任一项所述的内自锁铆钉作为铆钉(1)，包括铆钉(1)、驱动头(2)以及压边圈(3)；
所述驱动头(2)包括与铆钉(1)匹配的齿牙结构和/或与铆钉(1)匹配的定位结构，所述驱动头(2)与铆钉(1)能够在匹配的齿牙结构作用下啮合并传递扭矩；
所述压边圈(3)的内径大于铆钉(1)的外径。
7.根据权利要求6所述的铆钉复合连接装置，其特征在于，所述铆钉复合连接装置还包括平底模具(5)；
所述平底模具(5)在待连接板材(4)所在平面的截面尺寸大于铆钉(1)在待连接板材(4)所在平面的截面尺寸。
8.一种铆钉复合连接方法，其特征在于，包括装卡步骤、压紧步骤、驱动头定位步骤、连接步骤以及驱动头退回步骤；
装卡步骤：将待连接板材(4)装卡于平底模具(5)上方；
压紧步骤：压边圈(3)缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材(4)；
驱动头定位步骤：驱动头(2)快速轴向进给至距离待连接板材(4)上表面附近，随后缓慢进给的同时通过正反转寻帽动作，使得驱动头(2)的凸起齿牙与铆钉盖(101)顶部的下凹齿牙相啮合；
连接步骤：驱动头(2)与铆钉(1)准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板(401)，直至接触第二层板(402)表面，随后驱动头(2)驱动铆钉(1)旋转并进给至设定位置，通过铆钉(1)旋转产生并积累摩擦热，被连接工件温度升高，材料塑性显著增加并在铆钉体(103)和下层平底模具(5)的限制下流入半空心铆钉(1)，当塑性材料填充至内部自锁凸台上方适当位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
驱动头退回步骤：当铆钉(1)进给至预定深度，铆钉腔体充满后，驱动头(2)反向快速回退至原位。
9.根据权利要求8所述的铆钉复合连接方法，其特征在于，所述装卡步骤还包括在第一层板(401)上设置适应铆钉(1)尺寸的预制连接孔，预制连接孔直径为铆钉(1)外径的1.1-1.3倍。
10.根据权利要求9所述的铆钉复合连接方法，其特征在于，所述连接步骤中，所述驱动头(2)与铆钉(1)准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板(401)的预制连接孔，接触第二层板(402)表面。
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