CN112324780A - 一种组合式管状自冲铆钉及基于其连接板材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械连接用铆钉技术领域，具体公开了一种组合式管状自冲铆钉，包括内铆钉和外铆钉，内铆钉和外铆钉螺纹连接；在内铆钉的外壁且位于中部预加工有外螺纹段，在内铆钉的两端部且位于外壁上加工有外倒角，外倒角和外螺纹段之间设有第一弧形段；在外铆钉的内壁且位于中部加工有内螺纹段，在外铆钉的两端且位于内壁上加工有内倒角，内倒角和内螺纹段之间设有第二弧形段；当内铆钉和外铆钉螺纹连接后，第一弧形段和第二弧形段形成U形槽。采用组合式管状铆钉可以获得内、外两个月牙形机械锁扣，抗剪强度和抗拉脱强度均显著提升，约为普通管状铆钉连接强度的2倍。本发明公开的连接方法，铆钉完全进入板料内部，板料表面平整，表面质量好。

Description

一种组合式管状自冲铆钉及基于其连接板材的方法
技术领域
本发明属于机械连接用铆钉技术领域，具体公开了一种组合式管状自冲铆钉及基于其连接板材的方法。
背景技术
在现代工业中，金属板材间的连接应用广泛。传统的连接工艺主要包括焊接、螺栓连接、胶接等，但不同的连接方式均存在待改进的地方：焊接工艺生产效率较低，对于厚板存在难以焊透的问题；胶接强度较低，不适用于对连接强度要求高的场合。近年来，以无铆连接、自冲铆接等为代表的塑性连接工艺得到了较快的发展，主要依靠材料塑性变形形成机械锁扣，实现板料间的连接。但是目前工艺对于材料塑性有一定要求，且连接部位表面存在凸出物或凹坑，影响连接件表面质量，限制其进一步应用。
专利号为CN101344109管状分瓣式自冲铆钉公开了一种板料间平整连接的方法，是一种不需要预先钻孔，连接后板料表面平整美观，光洁度较好的连接方法，可用于铝板与铝板铆接、钢板与钢板铆接，也可用于不同材料之间的铆接，甚至可在一些金属与非金属之间完成铆接。采用该铆钉连接板料的剪切强度较高，但是，其抗拉强度较低，不适用于对抗拉强度要求高的场合。另外，该铆钉形式单一，工艺柔性不足，连接强度主要由铆钉材料决定，导致适应范围较窄，影响了该方法的进一步应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式管状自冲铆钉及基于其连接板材的方法，解决了传统铆接方式表面凸起或凹陷和连接强度较低等问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种组合式管状自冲铆钉，包括内铆钉和外铆钉，内铆钉和外铆钉均为中空的管状结构，内铆钉和外铆钉螺纹连接；
在内铆钉的外壁且位于中部预加工有外螺纹段，在内铆钉的两端部且位于外壁上加工有外倒角，外倒角和外螺纹段之间设有第一弧形段；
在外铆钉的内壁且位于中部加工有内螺纹段，在外铆钉的两端且位于内壁上加工有内倒角，内倒角和内螺纹段之间设有第二弧形段；
当内铆钉和外铆钉螺纹连接后，第一弧形段和第二弧形段形成U形槽。
进一步，外倒角和内倒角为θ，30°≤θ≤60°。
进一步，内螺纹段和外螺纹段的高度为m，内铆钉和外铆钉的总高度为h，
Figure BDA0002787760480000021
进一步，U形槽的宽度为s，内铆钉和外铆钉的总高度为h，
Figure BDA0002787760480000022
进一步，内铆钉的孔径为d，内铆钉和外铆钉的总高度为h，2h≤d≤2.5h。
进一步，外铆钉的孔径为D，内铆钉和外铆钉的总高度为h，2h≤D≤3h。
进一步，内铆钉和外铆钉的材质为0Cr18Ni9、45钢或316L不锈钢。
本发明还公开了基于所述组合式管状自冲铆钉连接板材的方法，包括以下步骤：
S1、将内铆钉与外铆钉通过螺纹进行旋扭组成组合式管状铆钉；
S2、将下板料放在下模上，然后将组合式管状自冲铆钉放在下板料待铆接位置处，将上板料待铆接部位置于组合式管状自冲铆钉上方；
S3、上模以恒定速度向下运动，挤压上板料，组合式管状自冲铆钉的内倒角和外倒角刺入上板料和下板料中，并在板料内弯曲变形，形成机械锁扣，直至上板料和下板料接触，板料连接过程完成。
进一步，内铆钉和外铆钉的总高度为h，
Figure BDA0002787760480000023
其中，t1为下板料厚度，t2为上板料的厚度。
进一步，第一弧形段和第二弧形段的圆角半径为R，
Figure BDA0002787760480000031
其中，t1为下板料厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种组合式管状自冲铆钉，由内铆钉和外铆钉通过螺纹连接组合而成，端部设有倒角，内铆钉外侧具有外螺纹特征，外铆钉内侧具有内螺纹特征，内外螺纹旋扭组成组合式管状自冲铆钉。采用组合式管状铆钉可以获得内、外两个月牙形机械锁扣，而普通管状铆钉仅能获得一个月牙形机械锁扣，采用本发明中的组合式管状铆钉的抗剪强度和抗拉脱强度均显著提升，约为普通管状铆钉连接强度的2倍，单独使用内铆钉和外铆钉时，通过压头(或压环)挤压板料流入螺纹中，其强度也明显提升；相较于相同形状的整体铆钉，采用内外螺钉组合的形式，降低了加工难度，大幅减小生产成本。普通管状铆钉铆接时，铆钉与板料间是线接触，容易出现铆钉滑动，最终导致位置歪斜，表面出现凹坑，而采用组合铆钉，铆钉与上、下板料间接触为两个圆，铆接过程中铆钉轴向保持垂直，上下表面不会有凸起、凹坑等现象。
进一步，外倒角和内倒角为θ，θ值是通过实验和模拟得到的，若太大则铆钉无法刺入板材，θ太小则铆钉因为太尖锐较难弯曲形成锁扣，对连接强度有较大的影响，最终设计为30°≤θ≤60°。
进一步，内螺纹段和外螺纹段的高度为m，内铆钉和外铆钉的总高度为h，m和h之间的关系是通过实验和模拟得到的，它体现的是铆钉高度和板料高度之间的关系。若铆钉高度太小或板料高度太大，则铆钉刺入板料深度不够，得到的接头连接强度不高。反之若铆钉高度太大或板料高度太小，铆钉容易刺出板料，影响板料连接的平整度，最终设计为
Figure BDA0002787760480000032
进一步，U形槽的宽度为s，U形槽宽度s与h的关系，体现了组合式铆钉在连接过程中铆钉的弯曲难易状况。若s太小或者h太大，铆钉在受压弯曲时，材料流入U形槽内的量太少而较难产生弯曲，反之若s太大或h太小，材料在U形槽弯曲时需要流入U形槽的量要更大，且对其产生的连接强度有较大的影响，最终设计为
Figure BDA0002787760480000041
进一步，内铆钉的孔径为d，外铆钉的孔径为D，d、D与h的关系是通过实验和模拟得到的，它体现了铆钉的高度和铆钉的直径之间的关系。若d、D太小或h太大，则铆钉在连接过程中因为h太大，d、D太小，而很难使得板料能够连接到一起，对接头强度有较大的影响，反之，若d、D太大或h太小，则铆钉在连接过程中因为h太小，d、D太大导致板料容易松脱，铆钉接头强度很小，最终设计结果为：2h≤d≤2.5h，2h≤D≤3h。
本发明公开的基于组合式管状自冲铆钉连接板材的方法，连接后，铆钉完全进入板料内部，板料表面平整，无凸起，表面质量好，可应用于对连接表面有特殊要求的场合。
附图说明
图1为本发明的内铆钉的结构示意图；
图2为外铆钉的结构示意图；
图3为本发明的组合式管状自冲铆钉结构示意图；
图4为图3的尺寸示意图；
图5为本发明内铆钉向内弯曲、外铆钉向外的组合式管状自冲铆钉连接板料过程图；(a)为初始状态，(b)为部分压入状态，(c)为完全压入状态；
图6为本发明的内铆钉连接板料过程图；(a)为初始状态，(b)为部分压入状态，(c)为完全压入状态，(d)为最终压入状态；
图7为本发明的外铆钉连接板料过程图；(a)为初始状态，(b)为部分压入状态，(c)为完全压入状态，(d)为最终压入状态；
图8为本发明组合式铆钉的内铆钉、外铆钉均向外弯曲的板料连接过程图；(a)为初始状态，(b)为完全压入状态；
图9为本发明组合式铆钉的内铆钉、外铆钉均向内弯曲的板料连接过程图；(a)为初始状态，(b)为完全压入状态；
图10为本发明组合式铆钉受压过程中铆钉的受力分析图，(a)为初始状态受力分析图，(b)为铆钉刚刺入板料的受力分析图，(c)为部分铆钉弯曲刺入板料时的受力分析图。
其中，1为内铆钉，2为外铆钉，3为外倒角，4为外螺纹段，5为第一弧形段，6为内倒角，7为内螺纹段，8为第二弧形段，9为下模，10为下板料，11为上板料，12为上模，13为压环，14为压头。
具体实施方式
下面结合具体的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。
如图1～3所示，本发明公开的一种组合式管状自冲铆钉，包括内铆钉1和外铆钉2，内铆钉1和外铆钉2均为中空的管状结构，内铆钉1和外铆钉2螺纹连接；在内铆钉1的外壁且位于中部预加工有外螺纹段4，在内铆钉1的两端部且位于外壁上加工有外倒角3，外倒角3和外螺纹段4之间设有第一弧形段5；在外铆钉2的内壁且位于中部加工有内螺纹段7，在外铆钉2的两端且位于内壁上加工有内倒角6，内倒角6和内螺纹段7之间设有第二弧形段8；当内铆钉1和外铆钉2螺纹连接后，第一弧形段5和第二弧形段8形成U形槽。
铆钉端部倒角尖部的开口方向不同，可以引起连接后横截面形状不同，从而实现不同的组合强度。采用不同的组合形式，可以提供不同的连接强度。
如图4所示，外倒角3和内倒角6为θ，θ值是通过实验和模拟得到的，若太大则铆钉无法刺入板材，θ太小则铆钉因为太尖锐较难弯曲形成锁扣，对连接强度有较大的影响，最终设计为30°≤θ≤60°。
内螺纹段7和外螺纹段4的高度为m，内铆钉1和外铆钉2的总高度为h，m和h之间的关系是通过实验和模拟得到的，它体现的是铆钉高度和板料高度之间的关系。若铆钉高度太小或板料高度太大，则铆钉刺入板料深度不够，得到的接头连接强度不高。反之若铆钉高度太大或板料高度太小，铆钉容易刺出板料，影响板料连接的平整度，最终设计为
Figure BDA0002787760480000061
U形槽的宽度为s，U形槽宽度s与h的关系，体现了组合式铆钉在连接过程中铆钉的弯曲难易状况。若s太小或者h太大，铆钉在受压弯曲时，材料流入U形槽内的量太少而较难产生弯曲，反之若s太大或h太小，材料在U形槽弯曲时需要流入U形槽的量要更大，且对其产生的连接强度有较大的影响，最终设计为
Figure BDA0002787760480000062
内铆钉1的孔径为d，外铆钉2的孔径为D，d、D与h的关系是通过实验和模拟得到的，它体现了铆钉的高度和铆钉的直径之间的关系。若d、D太小或h太大，则铆钉在连接过程中因为h太大，d、D太小，而很难使得板料能够连接到一起，对接头强度有较大的影响，反之，若d、D太大或h太小，则铆钉在连接过程中因为h太小，d、D太大导致板料容易松脱，铆钉接头强度很小。最终设计结果为：2h≤d≤2.5h，2h≤D≤3h。
内铆钉1和外铆钉2的总高度为h，
Figure BDA0002787760480000063
其中，t1为下板料10厚度，t2为上板料11的厚度。
第一弧形段5和第二弧形段8的圆角半径为R，
Figure BDA0002787760480000064
其中，t1为下板料10厚度。
采用上述的组合式管状自冲铆钉实现金属板料与板料连接的方法，包括以下步骤：
S1、将内铆钉1与外铆钉2通过螺纹进行旋扭组成组合式管状铆钉。
S2、将厚度为t1的下板料10放在下模9上，然后将高h的组合式管状自冲铆钉放在下板料10待铆接位置处，将厚度为t2的上板料11待铆接部位置于组合式管状自冲铆钉上方，如图5(a)所示。
S3、上模12以恒定速度V1向下运动，挤压上板料11，组合式管状自冲铆钉的内倒角6和外倒角3刺入上板料11、下板料10并在板料内弯曲变形，如图5(b)所示，形成机械锁扣，直至铆钉完全刺入板料中，上下板料接触，完成板料连接过程，如图5(c)所示。最后移开上模12，取出连接件。
本发明的组合式管状自冲铆钉，在对强度要求不高的场合下，可单独用内铆钉1或外铆钉2实现板材与板材的连接。如图6所示，以内铆钉1为例，包括以下步骤：
S1、将厚度为t1的下板料10放在下模9上，然后将高度为h的内铆钉1放在下板料10的待铆接位置处，将厚度为t2的上板料11待铆接部位置于内铆钉1上方，如图6(a)所示。
S2、如图6(b)所示，上模12以速度V2向下运动，挤压上板料11，使得具有θ角度的内铆钉1的外倒角3刺入板料并在板料内弯曲，进而形成机械锁扣。
S3、如图6(c)所示，上模12继续下行，直至内铆钉1完全刺入板料。
S4、更换模具，采用压环13以速度V3向下挤压已经初步连接的工件螺纹处，板料内部受压发生材料流动，使得板料流入内铆钉1的螺纹内，如图6(d)所示，完成板料连接过程。最后移开上模12，取出连接件。
优选地，下板料10的材质为碳钢、铝合金、铜合金或镁合金，上板料11的材质为铝合金、铜合金或镁合金，铆钉材质为0Cr18Ni9、45钢、316L不锈钢。铆钉材质的强度大于上板料11和下板料10，使得铆钉更容易刺入板料内部。
对于连接强度不高的场合，可采用内铆钉1或外铆钉2进行板料连接，以外铆钉2连接过程为例，外铆钉2连接过程图如图7，包括以下步骤：
S1、将厚度为t1的下板料10放在下模9上，然后将内铆钉1放在下板料10上。
S2、将厚度为t2的上板料11放在内铆钉1上，同时使得下板料10、内铆钉1、上板料11重心重合，如图7(a)所示。
S3、上模12以速度V2向下运动，挤压上板料11，使得具有θ角度的内铆钉1弧形倒角刺入板料，如图7(b)所示，进而形成机械锁扣。
S4、上模12继续下行，直至内铆钉1完全刺入板料，如图7(c)所示，至此换上模12为压环13。
S5、压环13以速度V3向下挤压已经完成板料连接的工件，使得板料内部发生材料流动，使得板料流入内铆钉1的螺纹内，如图7(d)所示，完成板料连接过程。
本发明的组合式管状铆钉的板料连接方法包含：内铆钉1、外铆钉2均向内弯曲(如图9所示)以及内铆钉1、外铆钉2均向外弯曲(如图8所示)2种方法，该方法的连接步骤与上述的板料连接步骤相同，在此不再说明。
如图8所示，为内铆钉1和外铆钉2均向外弯曲的板料连接过程图，和以上过程雷同，图8(a)所示的状态为初始状态，图8(b)所示的状态为完全压入状态。
如图9所示，为内铆钉1和外铆钉2均向内弯曲的板料连接过程图，和以上过程雷同，图9(a)所示的状态为初始状态，图9(b)所示的状态为完全压入状态。
内铆钉1与外铆钉2组合而成的组合式管状铆钉向内弯曲或向外弯曲的原因根据内铆钉1两端的倒角方向和外铆钉2两端倒角方向而定。当内铆钉1倒角与外铆钉2倒角方向一致且均为朝内时，则该组合式管状铆钉受压过程是向内弯曲；当内铆钉1与外铆钉2倒角方向一致且均为朝外时，则该组合式管状铆钉受压过程是向外弯曲。对组合式铆钉来讲有两种新的连接方式，因此才会有一种是向内弯曲(图9)，一种是向外弯曲(图8)的结果。
如图10所示，为本发明组合式铆钉受压过程中铆钉的受力分析图，该受力分析图是对图(5)铆钉连接过程的受力分析，图(a)为初始状态受力分析图，图(b)为铆钉刚刺入板料的受力分析图，图(c)为部分铆钉弯曲刺入板料时的受力分析图。取铆钉外倒角3与上板料11接触部分的受力为例进行分析，铆钉倒角部分刚接触板料时，受到垂直方向的力。随着铆钉倒角刺入板料，如外倒角3受到Fa的力，可分解为垂直于板料的力Fay和径向力Fax，力Fay使得倒角进一步刺入板料，径向力Fax使得铆钉进一步发生径向朝外的弯曲变形。
本发明的组合式管状自冲铆钉较普通铆钉具有更强的工艺适应性，可根据连接强度的需求，采用以下五种组合形式：①内、外铆钉2倒角尖部同时向内，②内、外铆钉2倒角尖部同时向外，③内铆钉1倒角尖度向内和外铆钉2倒角尖度向外，④内铆钉1单独使用，⑤外铆钉2单独使用，不同的组合形式可以获得不同的连接强度，进而适应于不同的场合。

Claims (10)

1.一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，包括内铆钉(1)和外铆钉(2)，内铆钉(1)和外铆钉(2)均为中空的管状结构，内铆钉(1)和外铆钉(2)螺纹连接；
在内铆钉(1)的外壁且位于中部预加工有外螺纹段(4)，在内铆钉(1)的两端部且位于外壁上加工有外倒角(3)，外倒角(3)和外螺纹段(4)之间设有第一弧形段(5)；
在外铆钉(2)的内壁且位于中部加工有内螺纹段(7)，在外铆钉(2)的两端且位于内壁上加工有内倒角(6)，内倒角(6)和内螺纹段(7)之间设有第二弧形段(8)；
当内铆钉(1)和外铆钉(2)螺纹连接后，第一弧形段(5)和第二弧形段(8)形成U形槽。
2.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，外倒角(3)和内倒角(6)为θ，30°≤θ≤60°。
3.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，内螺纹段(7)和外螺纹段(4)的高度为m，内铆钉(1)和外铆钉(2)的总高度为h，
Figure FDA0002787760470000011
4.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，U形槽的宽度为s，内铆钉(1)和外铆钉(2)的总高度为h，
Figure FDA0002787760470000012
5.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，内铆钉(1)的孔径为d，内铆钉(1)和外铆钉(2)的总高度为h，2h≤d≤2.5h。
6.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，外铆钉(2)的孔径为D，内铆钉(1)和外铆钉(2)的总高度为h，2h≤D≤3h。
7.根据权利要求1所述的一种组合式管状自冲铆钉，其特征在于，内铆钉(1)和外铆钉(2)的材质为0Cr18Ni9、45钢或316L不锈钢。
8.基于权利要求1～7任意一项所述组合式管状自冲铆钉连接板材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将内铆钉(1)与外铆钉(2)通过螺纹进行旋扭组成组合式管状铆钉；
S2、将下板料(10)放在下模(9)上，然后将组合式管状自冲铆钉放在下板料(10)待铆接位置处，将上板料(11)待铆接部位置于组合式管状自冲铆钉上方；
S3、上模(12)以恒定速度向下运动，挤压上板料(11)，组合式管状自冲铆钉的内倒角(6)和外倒角(3)刺入上板料(11)和下板料(10)中，并在板料内弯曲变形，形成机械锁扣，直至上板料(11)和下板料(10)接触，板料连接过程完成。
9.权利要求8所述基于组合式管状自冲铆钉连接板材的方法，其特征在于，内铆钉(1)和外铆钉(2)的总高度为h，
Figure FDA0002787760470000021
其中，t1为下板料(10)的厚度，t2为上板料(11)的厚度。
10.权利要求8所述基于组合式管状自冲铆钉连接板材的方法，其特征在于，第一弧形段(5)和第二弧形段(8)的圆角半径为R，
Figure FDA0002787760470000022
其中，t1为下板料(10)厚度。
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