CN114233733B - 用于形成板材平底铆接的改进结构铆钉 - Google Patents
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Abstract
一种用于形成板材平底铆接的改进结构铆钉，该改进结构铆钉，包括：铆钉盖、铆钉肩部和铆钉体，其中：铆钉盖上设有用于驱动铆钉旋转的扭矩传递结构和定位结构；铆钉体包括：钉体内腔、钉体外壁、钉体端部。本发明能够实现接头底面与被连接材料表面平齐，便于后续在底面覆盖加工，减小接头的风阻系数，拓宽了工艺的应用范围。同时，通过铆钉体上的嵌合结构与被连接材料之间形成的机械嵌合，强化接头性能。此外，该方法能够根据实际需求实现可拆接头或不可拆卸接头两种形式，具有较好的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种用于形成板材平底铆接的改进结构铆钉。
背景技术
现有的点连接方法包括预制孔铆接和无预制孔铆接等工艺形式，但前者不仅增加了额外的工序，而且严重影响接头的密封性和抵抗电化学腐蚀的能力，而后者需要采用带有凹凸结构的支撑模具引导最下层被连接材料变形。最终获得的接头虽然底部未穿透，但接头底部凸出于被连接材料表面，无法实现底面平整。接头底部的凸起将影响风阻系数等指标，导致接头的服役性能大大降低。并且针对最下层材料为7系铝合金、镁合金、铸铝等室温下延展性较低的轻合金，或者是塑料、树脂基复合材料等难变形材料，以及厚度较薄的板材等连接场景，无预制孔铆接过程中的大塑性变形容易使材料发生开裂，严重影响接头服役性能。
此外，铆接接头为了获得理想的干涉互锁效果，需要施加较大冲压力使铆钉变形，对铆接设备的结构强度和刚度、冲压驱动机构的可靠性以及铆钉自身的强度要求极高且冲头和模具损耗严重。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN105728627A公开日20160706，公开了一种中心带有凸起的内翻式铆钉的板材平底冲铆连接工艺，平底冲铆连接开始前，用压边圈将上、下板料压在下模具上，下模具的上表面平整光滑，压边圈中心设有铆钉，铆钉的中心带有一个凸起，铆钉的底部呈内翻式，铆钉的上端接触与冲头接触；平底冲铆连接开始后，冲头将铆钉压入上板料中，使上、下板料发生变形，由于被压边圈压住，板料的材料无法向外流动，上、下板料在变形过程中，板料的材料将向铆钉内流动，下板料的材料流动会将上板料的材料挤入铆钉内，从而使下板料中间向上凸起形成一个内凸点并嵌入上板料中形成一个机械锁，使上、下板料连接在一起，下板料的下表面始终是平整的，但该技术在铆接时上层板需要大变形，应用于难变形材料铆接时，其无法解决大变形导致的材料开裂问题。
中国专利文献号CN112555254A公开日20210326，公开了一种陶瓷基复合材料的连接方法及铆钉结构，方法是先制备陶瓷基复合材料铆钉，陶瓷基复合材料铆钉包括铆钉外件和铆钉内件；然后将需要连接的第一、第二陶瓷基复合材料构件组合，第一、第二陶瓷基复合材料构件具有铆钉孔和沉头孔；再将铆钉外件装入第一、第二陶瓷基复合材料构件的铆钉孔；然后在铆钉外件的铆钉孔外圆柱面与第一、第二陶瓷基复合材料构件的铆钉孔缝隙填充碳化硅基体；再将铆钉内件旋入铆钉外件；然后在铆钉内件与铆钉外件的螺纹啮合缝隙中填充碳化硅基体；最后修整连接区域的型面，完成陶瓷基复合材料的连接；本发明可降低连接对构件表面形状的影响，同时提高了抗热失配和震动的能力，极大地提高了连接的强度和可靠性。但该技术铆接前需要预制孔，不仅增加了额外的工序，而且严重影响接头的密封性和抵抗电化学腐蚀的能力。
发明内容
本发明针对现有铆接工艺获得的接头底部凸出于被连接材料表面，应用于外覆盖件连接时影响结构的气动性能；应用于内部构件连接时，凸起底部不利于后续工序的覆盖加工，提出一种用于形成板材平底铆接的改进结构铆钉，能够实现接头底面与被连接材料表面平齐，便于后续在底面覆盖加工，减小接头的风阻系数，拓宽了工艺的应用范围。同时，通过铆钉体上的嵌合结构与被连接材料之间形成的机械嵌合，强化接头性能。此外，该方法能够根据实际需求实现可拆接头或不可拆卸接头两种形式，具有较好的灵活性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于点连接工艺的用于形成板材平底铆接的改进结构铆钉，包括：铆钉盖、铆钉肩部和铆钉体，其中：铆钉盖上设有用于驱动铆钉旋转的扭矩传递结构和定位结构；铆钉体包括：钉体内腔、钉体外壁、钉体端部。
所述的铆钉体的长度L与待连接工件的厚度以及层数满足：
其中：ti为第i层待连接工件的厚度，n为待连接工件的层数，且n≥1，从而实现锁紧待连接工件，且铆钉不穿透下层工件的效果。
所述的待连接工件中第n层工件为铆接完成后要求表面平整的工件。
所述的待连接工件为层叠放置的板材、型材或铸件。
所述的钉体内腔深度h满足：h-L≤H，其中：H为铆钉盖厚度，D为钉体外壁直径，d为钉体内腔直径，从而实现在铆钉内腔容纳变形工件材料的效果。
所述的钉体内壁和钉体外壁之间优选设有钉体贯穿结构，该钉体贯穿结构为若干个通孔，用于在铆接过程中将截留于钉体内腔的待连接材料排出至铆钉体外侧，避免截留材料在填满钉体空腔后挤压待连接工件，导致工件间出现间隙，或接头底部产生变形。
所述的通孔优选3～6个，沿钉体圆周方向均匀分布，直径为钉体壁厚的0.8～1.2倍，该通孔在最终接头中被待连接工件材料填满，形成机械嵌合，提升接头的锁紧力，防止接头松动。
所述的铆钉肩部设有凹槽，用于容纳铆钉下压过程中被挤出的待连接工件材料，该凹槽的容积
D为钉体外壁直径，d为钉体内腔直径，L为铆钉体长度，h为钉体空腔深度，k1为修正系数且1.0＜k1≤1.2，从而实现所述凹槽完全容纳被铆钉体挤出的待连接工件材料的效果。
所述的铆钉肩部优选进一步设有加强筋，在最终接头中通过加强筋嵌入待连接工件实现接头在圆周方向的紧固。
所述的加强筋为沿圆周方向均匀离散分布的若干个加强筋或为以轴线为中心，圆环状分布的非连续加强筋。
所述的钉体外壁以及钉体内腔上优选设有嵌合结构，该嵌合结构为螺纹、环槽、竖槽、凸台或其组合，用于与被连接材料形成嵌合，防止接头松动。
本发明涉及一种基于上述改进结构铆钉的点连接装置，包括：驱动组件、压边圈和支撑机构，其中：半空心铆钉、驱动组件和压边圈同轴设置于待连接工件一侧且半空心铆钉位于压边圈内并与驱动组件啮合，支撑机构位于待连接工件另一侧；驱动组件驱动半空心铆钉进行轴向直线运动和/或周向旋转运动。
所述的支撑机构与第n层工件的接触面为平面，且接触面在铆钉轴线方向上的投影区域覆盖整个铆钉的投影区域。
本发明涉及一种基于上述点连接装置将改进结构铆钉形成底面平整不可拆卸接头的点连接方法，包括以下步骤：
1)工艺准备：待连接工件层叠放置于支撑机构上，待连接工件经压边圈压紧；
2)接触阶段：驱动机构轴向进给至铆钉的钉体端部位于待连接工件表面上方，驱动机构按照预定工艺参数驱动半空心铆钉同时沿轴向进给并旋转接近待连接工件，直至半空心铆钉与待连接工件接触；
3)切断阶段：半空心铆钉在轴向运动和旋转运动的作用下刺入待连接工件，切断除第n层待连接工件以外的所有工件，被切断的材料一部分沿钉体外壁流动至半空心铆钉外侧的待连接工件表面，另一部分容纳至钉体内腔中，形成截留材料。截留材料在填满钉体内腔后，沿钉体贯穿结构流至铆钉体外侧，降低因截留材料挤压导致待连接工件之间出现间隙或第n层待连接工件底部变形；
4)焊合阶段：半空心铆钉刺入第n层待连接工件，调节半空心铆钉的旋转与进给参数，控制摩擦产热大于热量阈值，截留材料在摩擦热的作用下与第n层待连接工件焊合，钉体内腔的截留材料与第n层待连接工件形成一个整体；
5)压紧阶段：铆钉肩部接触待连接工件，将挤出的材料容纳在铆钉肩部的凹槽中，并压紧待连接工件；
6)工艺结束：半空心铆钉达到预定深度，运动停止。驱动组件反向进给，回至原位。压边圈释放，底面平整且不可拆卸接头形成。
测量驱动头受到的反作用力(F)、反作用扭矩(M)，并记录工艺时间(Δt)，对总能量输入Q进行计算，当总能量输入Q大于预先设定的热量阈值(Q0)，即
时，F为驱动头受到的反作用力，M为驱动头受到的反作用扭矩，f为工艺过程第一阶段的铆钉进给速率，ω为工艺过程第一阶段的铆钉旋转速度，Δt为工艺时间；所述的焊合阶段和压紧阶段，钉体内壁在截留材料压力的作用下，可以发生膨胀变形，增强铆钉体与待连接工件之间的机械嵌合。
所述的底面平整且不可拆卸接头中，形成以下至少一种焊合：
a)钉体内腔的截留材料与第n层待连接工件形成焊合；
b)铆钉体外侧的待连接工件之间形成焊合；
c)铆钉体与待连接工件形成焊合。
所述的底面平整且不可拆卸接头中，形成以下至少一种机械嵌合：
a)钉体内腔的嵌合结构与待连接工件之间形成机械嵌合；
b)钉体外壁的嵌合结构与待连接工件之间形成机械嵌合；
c)钉体贯穿结构与待连接工件之间形成机械嵌合；
d)铆钉肩部的加强筋与待连接工件形成机械嵌合；
e)铆钉体膨胀变形，使铆钉体内径增加，铆钉体与待连接材料之间的机械嵌合。
本发明涉及一种基于上述点连接装置将改进结构铆钉形成底面平整可拆卸接头的点连接方法，包括以下步骤：
1)工艺准备：待连接工件层叠放置于支撑机构上，待连接工件经压边圈压紧；
2)接触阶段：驱动机构轴向进给至铆钉的钉体端部位于待连接工件表面上方，驱动机构按照预定工艺参数驱动半空心铆钉同时沿轴向进给并旋转接近待连接工件，直至半空心铆钉与待连接工件接触；
3)切断阶段：半空心铆钉在轴向运动和旋转运动的作用下刺入待连接工件，切断除第n层待连接工件以外的所有工件，被切断的材料一部分沿钉体外壁流动至半空心铆钉外侧的待连接工件表面，另一部分容纳至钉体内腔中，形成截留材料；
4)拧紧阶段：半空心铆钉刺入第n层待连接工件，调节半空心铆钉的旋转与进给参数，控制摩擦产热小于热量阈值；
5)压紧阶段：铆钉肩部接触待连接工件，将挤出的待连接工件材料容纳在铆钉肩部的凹槽中，并压紧待连接工件；
6)工艺结束：半空心铆钉达到预定深度，运动停止。驱动组件反向进给，回至原位。压边圈释放，底面平整且可拆卸接头形成。
所述的利用半空心铆钉形成底面平整且可拆卸接头的点连接方法采用的半空心铆钉可省去钉体贯穿结构和铆钉肩部的加强筋。
所述的利用半空心铆钉形成底面平整且可拆卸接头的点连接方法采用的半空心铆钉的钉体嵌合结构为以下任意一种：
a)钉体内腔的螺纹结构；
b)钉体外壁的螺纹结构。
所述的底面平整且可拆卸接头中，形成以下任意一种连接：
a)钉体内腔的螺纹结构与待连接工件之间形成的螺纹连接；
b)钉体外壁的螺纹结构与待连接工件之间形成的螺纹连接。
所述的底面平整且可拆卸接头，通过反向旋转铆钉可以实现拆卸功能。
技术效果
本发明通过具有若干个贯穿铆钉体的通孔的钉体贯穿结构，在铆接过程中将截留于钉体内腔的待连接材料排出至铆钉体外侧，避免截留材料在填满钉体空腔后挤压待连接工件，导致待连接工件之间出现间隙，或接头底部产生不平整变形。
与现有技术相比，本发明能够获得接头底面与被连接材料表面平齐的接头，减小了风阻系数，并便于后续在底面覆盖加工，拓宽了工艺的应用范围。通过铆钉体上的嵌合结构与被连接材料之间形成的机械嵌合，以及接头中铆钉与待连接工件之间的焊合提高了接头的整体强度与刚度。铆接完成后，接头底部未被穿透，保证了接头的密封性，提升抗腐蚀能力。本发明通过控制铆钉结构设计及旋转产生的摩擦热，能够实现可拆接头、不可拆卸接头两种形式，具有较好的应用灵活性。铆接过程中不需要通过铆钉的大变形实现机械互锁，因而能够大幅降低铆接力，减小冲头和模具的损耗，降低铆接工艺对铆接设备的结构强度和刚度的要求，能够提高设备寿命，并降低设备维护成本。
附图说明
图1为实施例1半空心铆钉立体示意图及剖面示意图；
图中：半空心铆钉1、铆钉盖101、铆钉肩部102、铆钉体103、钉体内腔104、钉体外壁105、钉体端部106、凹槽107、钉体内腔螺纹108、钉体内壁109、楔形锥角110；
图2为实施例1点连接方法示意图；
图中：a为工艺准备阶段；b为接触阶段；c为切断阶段；d为拧紧阶段；e为压紧阶段；驱动组件2、压边圈3、支撑机构4、上层待连接工件5、下层待连接工件6、截留材料7、挤出材料8；
图3为实施例1效果示意图；
图中：可拆卸接头9、接头底面10；
图4为实施例1拆卸示意图；
图5为实施例2半空心铆钉立体示意图及剖面示意图；
图中：半空心铆钉11、铆钉盖201、铆钉肩部202、铆钉体203、钉体内腔204、钉体外壁205、钉体端部206、凹槽207、钉体内腔螺纹208、钉体内壁209、钉体贯穿结构210、加强筋211，楔形锥角212；
图6为实施例2点连接方法示意图；
图中：a为工艺准备阶段；b为接触阶段；c为切断阶段；d为焊合阶段；e为压紧阶段；驱动组件2、压边圈3、支撑机构4、上层待连接工件12、下层待连接工件13、截留材料14、挤出材料15、焊合区域16；
图7为实施例2效果示意图；
图中：不可拆卸接头17、接头底部18；
图8为实施例3示意图；
图中：半空心铆钉19、铆钉盖301、铆钉肩部302、铆钉体303、钉体内腔304、钉体外壁305、钉体端部306、凹槽307、钉体外壁螺纹308、钉体内壁309、加强筋310、楔形锥角311；
图9为实施例3点连接方法示意图；
图中：a为工艺准备阶段；b为接触阶段；c为切断阶段；d为焊合阶段；e为压紧阶段；驱动组件2、压边圈3、支撑机构4、上层待连接工件20、下层待连接工件21、截留材料22、挤出材料23、焊合区域24；
图10为实施例3效果示意图；
图中：不可拆卸接头25、接头底部26。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例中所采用的半空心铆钉1包括：铆钉盖101、铆钉肩部102和铆钉体103，其中：铆钉体103包括：钉体内腔104、钉体外壁105和钉体端部106。
所述的钉体端部106设有楔形锥角110，锥角顶点位于钉体内壁109与钉体外壁105之间，用于控制被切断材料向钉体内、外侧流动，避免材料在钉体内侧过度堆积，造成钉体或接头底部变形。
如图2所示，为本实施例涉及的一种利用上述半空心铆钉1形成底面平整且可拆卸接头的点连接方法，其中：上层待连接工件5为厚度3.5mm的铝合金6061-T6，下层待连接工件6为厚度3.5mm的镁合金AZ91D，本实施例具体包括以下步骤：
1)工艺准备：上层待连接工件5和下层待连接工件6层叠放置于支撑机构4上，经压边圈3压紧；
2)接触阶段：由两个伺服电机驱动且分别用于实现轴向进给运动和周向旋转运动的驱动机构2轴向进给直至钉体端部106距离上层待连接工件5的表面3mm处。
所述的轴向进给，其工艺参数为：铆钉顺时针旋转3000转/分钟、进给速度2mm/s驱动半空心铆钉1同时进给并旋转接近待连接工件5，直至半空心铆钉1与上层待连接工件5接触；
3)切断阶段：半空心铆钉1刺入并逐渐切断上层待连接工件5，上层待连接工件5变形后一部分沿钉体外壁105流动至半空心铆钉1外侧的上层待连接工件5表面形成挤出材料8，另一部分容纳至钉体内腔104中，形成截留材料7；
4)拧紧阶段：半空心铆钉1刺入下层待连接工件6，测量驱动机构2受到的反作用力(F)、反作用扭矩(M)，并记录工艺时间(Δt)，对总能量输入Q进行计算，
F为驱动头受到的反作用力，M为驱动头受到的反作用扭矩，f为工艺过程第一阶段的铆钉进给速率，ω为工艺过程第一阶段的铆钉旋转速度，Δt为工艺时间；当Q＝0.9Q0时，拧紧阶段结束；Q0为所述带连接材料形成固相连接所需的能量阈值，本实施例中Q0＝3.64J。
5)压紧阶段：铆钉肩部102接触上层待连接工件5，将挤出材料8容纳在凹槽107中，并压紧上层待连接工件5；直至半空心铆钉1达到预定深度5.5mm时运动停止，驱动组件2反向进给，回至原位。压边圈3释放，形成底面平整且可拆卸接头9。
如图3所示，通过上述工艺得到的底面平整且可拆卸接头9，钉体内腔螺纹108与上层待连接工件5和下层待连接工件6之间形成螺纹连接，接头底面无开裂、未穿透且与待连接工件表面平齐，提升了接头气动性能和抗腐蚀能力，拓宽了工艺的应用范围。
本实施例针对3.5mm厚的铝合金6061-T6与3.5mm厚的镁合金AZ91D的铆接过程中最大铆接力为6.6kN，与现有采用传统自冲铆接方法的铆接力42.5kN相比，降低了84.5％，有效减小了铆接设备的损耗；接头的最大拉剪力5.9kN，比现有自冲铆接工艺提升了43％；接头底部未被穿透，在5000MPa的压强下不漏气，突破了现有预制孔铆接技术密封性差的技术难题。
如图4所示，通过逆时针旋转半空心铆钉1即可实现拆卸功能，得到分离的上层待连接材料5、截留材料7、下层待连接材料6和半空心铆钉1，与现有铆接工艺不可拆卸的特性相比增加了工艺的灵活性。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1相比：铆钉肩部202设有沿圆周方向均匀分布的8个加强筋211，钉体203设有6个贯穿钉体的通孔210，用于在铆接过程中将截留于钉体内腔的待连接材料排出至铆钉体外侧，避免截留材料在填满钉体空腔后挤压待连接工件，导致工件间出现间隙，或接头底部产生不平整变。
如图6所示，为本实施例涉及一种利用半空心铆钉11形成底面平整且不可拆卸接头的点连接方法，其中：上层待连接工件12为厚度3.0mm的铝合金2219-T4，下层待连接工件13为厚度2.5mm表面经硅连耦合剂处理的树脂基碳纤维增强复合材料CFRP，本实施例具体包括以下步骤：
1)工艺准备：上层待连接工件12和下层待连接工件13层叠放置于支撑机构4上，经压边圈3压紧；
2)接触阶段：驱动机构2轴向进给直至钉体端部206距离上层待连接工件12的表面1mm处。
所述的轴向进给，其工艺参数为：铆钉顺时针旋转2000转/分钟、进给速度2mm/s驱动半空心铆钉11同时进给并旋转接近待连接工件12，直至半空心铆钉11与上层待连接工件12接触；
3)切断阶段：半空心铆钉11刺入并逐渐切断上层待连接工件12，被切断的材料一部分沿钉体外壁209流动至半空心铆钉11外侧的上层待连接工件12表面，形成挤出材料15另一部分容纳至钉体内腔204中，形成截留材料14。在截留材料14填满钉体内腔204后，截留材料14沿钉体贯穿结构210流至铆钉体外侧，降低因截留材料14挤压导致待连接工件12与13之间出现间隙或下层待连接工件13底部变形；
4)焊合阶段：半空心铆钉11刺入下层待连接工件13，通过调节半空心铆钉11的旋转与进给参数至4000转/分钟和速度1mm/s，提高摩擦产热量，截留材料14在摩擦热的作用下与下层待连接工件13焊合，钉体内腔204的截留材料14与下层待连接工件13形成结合区域16；
5)压紧阶段：铆钉肩部202接触上层待连接工件13，将挤出材料15容纳在凹槽207中，并压紧上层待连接工件12；直至半空心铆钉11达到预定深度4.5mm时运动停止，驱动组件2反向进给，回至原位。压边圈3释放，形成底面平整且不可拆卸接头17。
所述的焊合区域16为下层待连接工件13表面的硅连耦合剂与截留材料14之间的焊合以及下层待连接工件13与截留材料14之间因变形产生的机械嵌合。
如图6所示，通过上述工艺得到的底面平整且不可拆卸接头17，钉体内腔螺纹208与上层待连接工件12和下层待料件工件13之间形成螺纹连接，钉体贯穿结构210与上层待连接工件12形成机械嵌合，铆钉体103与待连接工件12形成铝-铁固相连接，待连接工件12和13形成焊合。接头底面18为平面，且与下层待连接工件13平齐。
与现有技术相比，①本实施例针对3.0mm厚的铝合金2219-T4与2.5mm厚的CFRP，获得的接头底面CFRP无明显变形、无开裂、未穿透且与待连接材料表面平齐，提升了接头气动性能和抗腐蚀能力，且便于在接头底面覆盖加工，拓宽了工艺的应用范围；②通过螺纹、机械嵌合和焊合实现了铝合金与复合材料可靠连接，接头的最大拉剪力3.9kN，比现有自冲铆接工艺提升了27％；③接头中铆钉肩部加强筋嵌入上层待连接材料、钉体贯穿结构与待连接材料实现机械嵌合，避免接头在服役过程中发生松动，能够有效提升疲劳性能；④铆接过程的最大铆接力为4.9kN，与现有采用传统自冲铆接方法的铆接力41.2kN相比，降低了90.5％，有效降低了铆接设备的损耗。
实施例3
如图8所示，本实施例与实施例1相比：铆钉肩部302设有沿圆周方向均匀分布的6个加强筋310；钉体外壁305设有嵌合结构凹槽308，深度0.4mm，从钉体端部311起长度3.0mm。钉体内腔为通孔，从而实现在铆钉内腔容纳变形工件材料，避免过度挤压接头底部产生不平整变形。
如图9所示，为本实施例涉及一种利用半空心铆钉19形成底面平整且不可拆卸接头的点连接方法，其中上层待连接工件20为厚度3.0mm的铝合金铸件，下层待连接工件21为厚度1.8mm的铝合金板材5182-O，本实施例具体包括以下步骤：
1)工艺准备：上层待连接工件20和下层待连接工件21层叠放置于支撑机构4上，经压边圈3压紧；
2)接触阶段：驱动机构2轴向进给直至钉体端部306距离上层待连接工件20的表面1mm处。
所述的轴向进给，其工艺参数为：铆钉顺时针旋转3000转/分钟、进给速度3mm/s驱动半空心铆钉19同时进给并旋转接近待连接工件20，直至半空心铆钉19与上层待连接工件20接触；
3)切断阶段：半空心铆钉19刺入并逐渐切断上层待连接工件20，被切断的材料一部分沿钉体外壁305流动至半空心铆钉19外侧的上层待连接工件20表面，形成挤出材料23，另一部分容纳至钉体内腔304中，形成截留材料22；
4)焊合阶段：半空心铆钉19刺入下层待连接工件20，通过调节半空心铆钉19的旋转与进给参数至6000转/分钟和速度0.5mm/s，提高摩擦产热量；并采用热电偶测量下层待连接工件21底部中心的温度，当温度提升至150℃时，提升进给速度至2.0mm/s；通过该过程实现截留材料22与下层待连接工件21焊合，钉体内腔304的截留材料22与下层待连接工件21形成焊合区域24；
5)压紧阶段：铆钉肩部302接触上层待连接工件20，将挤出材料23容纳在凹槽307中，并压紧上层待连接工件20；直至半空心铆钉19达到预定深度3.5mm时运动停止，驱动组件2反向进给，回至原位。压边圈3释放，形成底面平整且不可拆卸接头25。
如图9所示，通过上述工艺得到的底面平整且不可拆卸接头25，钉体外壁螺纹308与上层待连接工件20和下层待料件工件21之间形成螺纹连接，铆钉体303与待连接工件20形成铝-铁固相连接，待连接工件20和21形成固相焊合。接头底面26为平面，且与下层待连接工件21平齐。
与现有技术相比，①本实施例针对3.0mm厚的铝合金铸件与1.8mm厚的铝合金板材5182-O，获得的接头底面无变形、无开裂、未穿透且与待连接材料表面平齐，提升了接头抗腐蚀能力，且便于在接头底面覆盖加工，拓宽了工艺的应用范围；②脆性铸造铝合金材料在铆接过程中摩擦热的软化下，变形能力提升，未发生开裂；③通过螺纹和固相焊合实现了铝合金铸件与板材的可靠连接，接头的最大拉剪力5.2kN，比现有自冲铆接工艺的4.3kN提升了21％；④得到的接头在2.6kN载荷下的高周拉-拉疲劳寿命为35万次，与采用传统自冲铆接接头在相同载荷下的疲劳寿命25万次相比，提升了40％。
与现有技术相比，本发明显著降低了最大铆接力、减小了铆接设备的损耗、提高接头的最大拉剪力、提升接头的密封性、消除了接头底部的不平整变形。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种基于改进结构铆钉的点连接装置，将改进结构铆钉形成底面平整可拆卸接头的点连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)工艺准备：待连接工件层叠放置于支撑机构上，待连接工件经压边圈压紧；
2)接触阶段：驱动机构轴向进给至铆钉的钉体端部位于待连接工件表面上方，驱动机构按照预定工艺参数驱动半空心铆钉同时沿轴向进给并旋转接近待连接工件，直至半空心铆钉与待连接工件接触；
3)切断阶段：半空心铆钉在轴向运动和旋转运动的作用下刺入待连接工件，切断除第n层待连接工件以外的所有工件，被切断的材料一部分沿钉体外壁流动至半空心铆钉外侧的待连接工件表面，另一部分容纳至钉体内腔中，形成截留材料；
4)拧紧阶段：半空心铆钉刺入第n层待连接工件，调节半空心铆钉的旋转与进给参数，控制摩擦产热小于热量阈值；
5)压紧阶段：铆钉肩部接触待连接工件，将挤出的待连接工件材料容纳在铆钉肩部的凹槽中，并压紧待连接工件；
6)工艺结束：半空心铆钉达到预定深度，运动停止；驱动组件反向进给，回至原位；压边圈释放，底面平整且可拆卸接头形成；
所述的改进结构铆钉的点连接装置，包括：驱动组件、压边圈和支撑机构，其中：半空心铆钉、驱动组件和压边圈同轴设置于待连接工件一侧且半空心铆钉位于压边圈内并与驱动组件啮合，支撑机构位于待连接工件另一侧；驱动组件驱动半空心铆钉进行轴向直线运动和/或周向旋转运动；
所述的支撑机构与第n层工件的接触面为平面，且接触面在铆钉轴线方向上的投影区域覆盖整个铆钉的投影区域；
所述的改进结构铆钉，包括：铆钉盖、铆钉肩部和铆钉体，其中：铆钉盖上设有用于驱动铆钉旋转的扭矩传递结构和定位结构；铆钉体包括：钉体内腔、钉体外壁、钉体端部；
所述的钉体内腔深度h满足：h-L≤H，其中：H为铆钉盖厚度，D为钉体外壁直径，d为钉体内腔直径；
所述的铆钉体的长度L与待连接工件的厚度以及层数满足：
其中：ti为第i层待连接工件的厚度，n为待连接工件的层数，且n≥1。
2.根据权利要求1所述的底面平整可拆卸接头的点连接方法，其特征是，所述的拧紧阶段和压紧阶段，形成以下至少一种连接或嵌合，并通过反向旋转实现拆卸：
a1)钉体内腔的螺纹结构；
b1)钉体外壁的螺纹结构；
a2)钉体内腔的螺纹结构与待连接工件之间形成的螺纹连接；
b2)钉体外壁的螺纹结构与待连接工件之间形成的螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的底面平整可拆卸接头的点连接方法，其特征是，所述的铆钉肩部设有凹槽，用于容纳铆钉下压过程中被挤出的待连接工件材料，该凹槽的容积
D为钉体外壁直径，d为钉体内腔直径，L为铆钉体长度，h为钉体空腔深度，k1为修正系数且1.0＜k1≤1.2。
4.根据权利要求1所述的底面平整可拆卸接头的点连接方法，其特征是，所述的铆钉肩部进一步设有加强筋，在最终接头中通过加强筋嵌入待连接工件实现接头在圆周方向的紧固。
5.根据权利要求1所述的底面平整可拆卸接头的点连接方法，其特征是，所述的钉体外壁以及钉体内腔上设有嵌合结构，用于与被连接材料形成嵌合，防止接头松动。
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