CN111054830B - 一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法及装置，属于材料连接技术领域。将板材预先翻边与管材缩孔相结合，利用板材翻边部分发生塑性变形，实现板材与管材端部的塑性连接。该方法操作简单，能够采用现有的设备进行对应装置的构建，对动力源要求低，步骤简单，适合大批量生产，由模具保证成形精度，重复性高，生产效率高，且不污染环境。采用塑性变形的方式，使得整个连接过程无有害物质产生，对环境友好。实现该方法的装置，结构简单，设计合理，安装便捷，与常规设备兼容性好。

Description

一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法及装置
技术领域
本发明属于材料连接技术领域，具体涉及一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法及装置。
背景技术
在汽车、建筑等工程领域经常涉及到将板材连接到管材上或者将管材连接到板材上的应用场景。目前，实现管材与板材相连接的主要方法有焊接、胶粘、机械紧固或铆接等方式。但是，上述连接方式均有待优化：焊接方法生产效率较低，另外焊接过程产生的有害气体容易造成环境污染，且存在焊缝缺陷影响使用强度的问题；对管材与板材进行胶接的方法，由于连接强度有待提升，不能满足对于连接强度要求较高的场合。机械紧固采用螺栓或铆钉连接，需提前预制多个孔，在振动环境下使用，易出现螺栓脱落，连接失效的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法及装置，该方法模具结构简单，对动力源要求低，步骤简单，适合大批量生产，由模具保证成形精度，重复性高，生产效率高，且不污染环境。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法，包括板材翻边、管材缩口和板材与管材连接三道工序：
板材翻边：在板材上的拟连接部位预制圆孔，固定板材，在圆孔处进行翻边形成圆环状凸缘；
管材缩口：固定管材，在管材拟连接的一端进行缩口，缩口端的口径大于板材凸缘的外径；
板材与管材连接：将管材的缩口端套在板材的凸缘外侧，固定板材和管材，对板材的凸缘施加压力，使板材的凸缘产生折弯并紧贴管材的缩口端；对管材非连接端施加压力，使管材塑性失稳产生内凹的皱纹；固定板材并夹紧管材，继续施加压力至皱纹折叠并与板材凸缘产生的折弯紧密连接，完成板材与管材的连接。
优选地，在对板材的凸缘施加压力前，对板材的凸缘部位进行电磁感应加热。
优选地，在对管材非连接端施加压力前，对管材的待变形区域进行电磁感应加热。
优选地，缩口端的口径为板材凸缘的外径的105%~120%。
本发明公开了一种实现上述利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，包括板材翻边装置、管材缩口装置、板材凸缘折弯装置和管材塑性连接装置；
板材翻边装置，包括翻边凸模、压边圈和翻边凹模；压边圈和翻边凹模协同配合，用于板材的固定；翻边凸模用于板材的翻边；
管材缩口装置，包括缩口凹模、挡块和缩口凸模；缩口凹模和缩口凸模对应设置，用于管材的缩口；挡块与缩口凹模连接，挡块用于控制缩口端的口径；
板材凸缘折弯装置，包括固定上模、固定下模和压边凸模；固定上模和固定下模协同配合，用于板材和管材的固定；压边凸模用于对板材的凸缘施加压力；
管材塑性连接装置包括上模，固定外模和连接凸模；上模和固定外模协同配合，用于板材的固定；固定外模和连接凸模协同配合，用于管材的夹紧和对管材非连接端施加压力。
优选地，挡块与缩口凹模通过连接件可拆卸的连接。
优选地，翻边凸模和压边凸模的端部为球面或锥形面。
优选地，缩口凹模的底部为圆角。
优选地，翻边凹模的加工圆角的半径为板材厚度的2倍；缩口凹模的加工圆角的半径为管材厚度的2倍；压边凸模的加工圆角的半径为管材厚度的2倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法，将板材预先翻边与管材缩孔相结合，板坯凸缘折弯实现初步连接后，再利用管材在模具作用下发生塑性失稳，进一步压实皱纹，实现板材与管材端部的塑性连接。连接管发生塑性变形后，由于变形强化可提高连接部位的强度；连接部位形成锁扣结构，板坯被夹持在管坯的波纹状结构中，在限制轴向径向移动的同时，提高了抗剪切强度和抗拉强度。该方法操作简单，能够采用现有的设备进行对应装置的构建，对动力源要求低，步骤简单，适合大批量生产，由模具保证成形精度，重复性高，生产效率高，且不污染环境。采用塑性变形的方式，使得整个连接过程无有害物质产生，对环境友好。
进一步地，在对板材的凸缘端部施加压力前，对板材的凸缘部位进行电磁感应加热，能够使板材翻边部分局部塑性软化，降低变形抗力，在端部力作用下实现精确省力的塑性失稳。尤其是对塑性较差的金属，如部分铝合金、镁合金，改善塑性变形的条件。
进一步地，在对管材非连接端施加压力前，对管材进行电磁感应加热，能够使管材部分局部塑性软化，降低变形抗力，在端部力作用下实现精确省力的塑性失稳。
进一步地，缩口端的口径为板材凸缘的外径的105%~120%，若二者间隙过小，会导致连接前装配困难或连接时缩口端划伤凸缘根部，导致后者破裂的风险。若二者间隙过大，连接后存在较大空隙，连接强度降低。
本发明公开的实现上述利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，结构简单，设计合理，安装便捷，与常规设备兼容性好，适合大批量生产。
进一步地，挡块与缩口凹模通过连接件可拆卸的连接，能够根据最终连接部分长度，更换不同直径的挡块，调节缩口后的管材直径，满足不同连接结构和强度的需求。
进一步地，翻边凸模和压边凸模的端部为球面或锥形面，极限翻边系数较小，更容易使孔口部产生塑变形，避免损伤。
进一步地，缩口凹模的底部为圆角，能够对缩口时的管材端部起到圆滑导向作用，提高缩口效率，避免损伤。
进一步地，翻边凹模的加工圆角的半径为板材厚度的2倍；缩口凹模的加工圆角的半径为管材厚度的2倍；压边凸模的加工圆角的半径为管材厚度的2倍，能够有效避免在连接过程中由于尖角导致连接管接触部位发生破裂或严重减薄。
附图说明
图1为板材圆孔翻边前的示意图；
图2为板材圆孔翻边后的示意图；
图3为管材端部缩口前的示意图；
图4为管材端部缩口后的示意图；
图5为板材凸缘折弯前的示意图；
图6为板材凸缘折弯后的示意图；
图7为管材塑性失稳前的示意图；
图8为管材塑性失稳后的示意图；
图9为最终获得的板材和管材连接件的结构示意图。
图中：1为翻边凸模，2为压边圈，3为板坯，4为翻边凹模，5为缩口凹模，6为连接件，7为挡块，8为管坯，9为缩口凸模，10为固定上模，11为固定下模，12为压边凸模，13为上模，14为固定外模，15为压边凸模。
具体实施方式
本发明的一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法，包括板材翻边、管材缩口和板材与管材连接三道工序：
板材翻边：在板材上的拟连接部位预制圆孔，固定板材，在圆孔处进行翻边形成圆环状凸缘；
管材缩口：固定管材，在管材拟连接的一端进行缩口，缩口端的口径大于板材凸缘的外径，缩口端的口径一般为板材凸缘的外径的105%~120%。
板材与管材连接：将管材的缩口端套在板材的凸缘外侧，固定板材和管材；当板材为塑性较差的金属，如部分铝合金、镁合金时，对板材的凸缘部位进行电磁感应加热，然后对板材的凸缘施加压力，使板材的凸缘产生折弯并紧贴管材的缩口端；对管材非连接端施加压力，使管材塑性失稳产生内凹的皱纹；固定板材并夹紧管材，当管材为塑性较差的金属，如部分铝合金、镁合金时，对管材的受力部位进行电磁感应加热，继续施加压力至皱纹折叠并与板材凸缘产生的折弯紧密连接，完成板材与管材的连接。
下面结合附图和一个具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
根据本发明的一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法构建一套装置，具体包括板材翻边装置、管材缩口装置、板材凸缘折弯装置和管材塑性连接装置。如图1、图2，板材翻边装置包括翻边凸模1，压边圈2和翻边凹模4，板坯3放置于压边圈2和翻边凹模4中间，翻边凸模1位于压边圈2内部，翻边凸模1底部与板坯3上表面接触。
如图3、图4，管材缩口装置包括缩口凹模5，连接件6，挡块7和缩口凸模9，连接件6采用螺钉，缩口凹模5和挡块7通过螺钉紧固连接，优选地，缩口凹模5的底部为圆角；缩口凸模9和缩口凹模5对应放置，管坯8上部外壁与缩口凹模5内壁接触，管坯8下部外壁与缩口凸模9内壁接触。
如图5、图6，板材凸缘折弯装置包括固定上模10，固定下模11和压边凸模12。板坯3放置于固定上模10和固定下模11中间，管坯8置于固定下模11和板坯3构成的内腔中，压边凸模12位于管坯8内部，其上部与板坯3翻边部分接触，其下部与管坯8内壁接触。
如图7、图8，管材塑性连接装置包括上模13，固定外模14和连接凸模15；上模13和固定外模14协同配合，用于板材的固定；固定外模14和连接凸模15协同配合，用于管材的夹紧和对管材非连接端施加压力。
优选地，翻边凸模1和压边凸模12的端部为球面或锥形面。
优选地，翻边凹模4的加工圆角的半径为板材厚度的2倍；缩口凹模5的加工圆角的半径为管材厚度的2倍；压边凸模12的加工圆角的半径为管材厚度的2倍。
采用该装置进行连接时，包括以下步骤：
1）将已预制圆孔D1的板坯3置于压边圈2和翻边凹模4中间，并对压边圈2施加力F1，对翻边凸模1施加速度V1，直至完成翻边；
2）将管坯8置于缩口凸模9和缩口凹模5内部，对缩口凹模5施加力F2的同时，对缩口凸模9施加速度V2，对管坯8端部进行缩口，至内径为D2；
3）将翻边后的板坯3与缩口后的管坯8置于板材凸缘折弯装置中，分别对固定上模10和固定下模11施加作用力F3和F4，使管坯8和板坯3在连接过程中保持不变，对压边凸模12施加向上的速度V3，使板坯3翻边部分发生折弯，并紧贴缩孔管坯8缩口部分；
4）将折弯后的连接件放置于管材塑性连接装置中，分别对上模13和固定外模14施加力F5和F6，使连接件在进一步塑性连接过程中保持位置不变，对连接凸模15施加向上的速度V4，管坯L1区域在端部受力条件下，发生塑性失稳，出现内凹的皱纹；
5）连接凸模15继续以速度V4向上运动，将L1区域皱纹压至折叠，并紧密连接在一起；
6）拆卸模具，取出板坯管坯连接件，如图9所示，完成一个连接过程。
需要注意的是，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法，其特征在于，包括板材翻边、管材缩口和板材与管材连接三道工序：
板材翻边：在板材上的拟连接部位预制圆孔，固定板材，在圆孔处进行翻边形成圆环状凸缘；
管材缩口：固定管材，在管材拟连接的一端进行缩口，缩口端的口径大于板材凸缘的外径；
板材与管材连接：将管材的缩口端套在板材的凸缘外侧，固定板材和管材，对板材的凸缘施加压力，使板材的凸缘产生折弯并紧贴管材的缩口端；对管材非连接端施加压力，使管材塑性失稳产生内凹的皱纹；固定板材并夹紧管材，继续施加压力至皱纹折叠并与板材凸缘产生的折弯紧密连接，完成板材与管材的连接；在对板材的凸缘施加压力前，对板材的凸缘部位进行电磁感应加热；在对管材非连接端施加压力前，对管材的待变形区域进行电磁感应加热。
2.根据权利要求1所述的利用管材塑性变形实现管材与板材连接的方法，其特征在于，缩口端的口径为板材凸缘的外径的105%~120%。
3.一种实现权利要求1~2任意一项所述利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，其特征在于，包括板材翻边装置、管材缩口装置、板材凸缘折弯装置和管材塑性连接装置；
板材翻边装置，包括翻边凸模（1）、压边圈（2）和翻边凹模（4）；压边圈（2）和翻边凹模（4）协同配合，用于板材的固定；翻边凸模（1）用于板材的翻边；
管材缩口装置，包括缩口凹模（5）、挡块（7）和缩口凸模（9）；缩口凹模（5）和缩口凸模（9）对应设置，用于管材的缩口；挡块（7）与缩口凹模（5）连接，挡块（7）用于控制缩口端的口径；
板材凸缘折弯装置，包括固定上模（10）、固定下模（11）和压边凸模（12）；固定上模（10）和固定下模（11）协同配合，用于板材和管材的固定；压边凸模（12）用于对板材的凸缘施加压力；
管材塑性连接装置包括上模（13），固定外模（14）和连接凸模（15）；上模（13）和固定外模（14）协同配合，用于板材的固定；固定外模（14）和连接凸模（15）协同配合，用于管材的夹紧和对管材非连接端施加压力。
4.根据权利要求3所述的实现利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，其特征在于，挡块（7）与缩口凹模（5）通过连接件（6）可拆卸的连接。
5.根据权利要求3所述的实现利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，其特征在于，翻边凸模（1）和压边凸模（12）的端部为球面或锥形面。
6.根据权利要求3所述的实现利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，其特征在于，缩口凹模（5）的底部为圆角。
7.根据权利要求3所述的实现利用管材塑性变形实现管材与板材连接方法的装置，其特征在于，翻边凹模（4）的加工圆角的半径为板材厚度的2倍；缩口凹模（5）的加工圆角的半径为管材厚度的2倍；压边凸模（12）的加工圆角的半径为管材厚度的2倍。
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