CN114251339A - 带槽自冲铆钉 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了“带槽自冲铆钉”。提供了一种自冲铆钉(SPR)，所述自冲铆钉包括头部和从所述头部延伸的轴。所述轴限定中空孔和在所述中空孔周围的侧壁。所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃，并且所述SPR限定周向凹槽，所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。
Description
技术领域
本公开涉及紧固件，并且更具体地涉及自冲铆钉。
背景技术
本部分中的陈述仅提供了与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
自冲铆接已成为接合两个或更多个工件的流行技术。在自冲铆接中，不需要预留孔。自冲铆接连接通过使用铆钉和模具来实现。通过将工件放置在铆钉和模具之间并通过使用冲头将铆钉压靠在工件上，铆钉的插入端刺穿工件并使工件塑性变形。铆钉的插入端和工件的相邻部分在模具的型腔内部变形，从而形成铆接接头。
然而，冲压自冲铆钉(SPR)和工件的相邻部分并使它们变形使SPR的插入端经受高度局部应变，这可能导致SPR或工件破裂。此外，对于由某些材料制成的工件，SPR的插入端可能不会在模具的型腔内部正确地变形，并且不能实现期望的铆接接头。
本公开解决了与使用SPR接合工件相关的这些问题。
发明内容
本部分提供了对本公开的总体概述并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
在一种形式中，提供了一种自冲铆钉，所述自冲铆钉包括头部和从所述头部延伸的轴。所述轴限定中空孔和在所述中空孔周围的侧壁。所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃，并且周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。
在其他特征中，所述头部的直径大于所述轴的直径。所述头部是实心的。所述周向凹槽延伸到所述侧壁的厚度的至少5％中，并且围绕所述侧壁的整个周边延伸。
在另一种形式中，提供了一种结构总成，所述结构总成包括上基板、靠近所述上基板设置的下基板、和穿过所述上基板延伸到所述下基板的一部分中的自冲铆钉。所述自冲铆钉包括头部和轴，所述轴从所述头部延伸并包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁。所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度，以限定所述轴的远端尖端上的切削刃。周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。在安装所述自冲铆钉期间，所述周向凹槽自身塌缩并且引导所述自冲铆钉扩展到所述下基板中。
在其他特征中，所述自冲铆钉不延伸穿过所述下基板的底表面。在一种形式中，所述下基板的材料不流入所述周向凹槽中。然而，应当理解，在其他形式中，所述下基板的一些材料可以在所述周向凹槽自身完全塌缩之前流入所述周向凹槽中。在一种形式中，所述上基板包括钢材料，并且所述下基板包括铝铸件。所述结构总成还包括设置在所述上基板与所述下基板之间的至少一个附加基板。所述自冲铆钉的所述头部的直径大于所述轴的直径。所述自冲铆钉的所述周向凹槽限定所述侧壁的厚度的至少5％的宽度。所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
在又一种形式中，提供了一种结构总成，所述结构总成包括上基板、靠近所述上基板设置的下基板、和穿过所述上基板延伸到所述下基板的一部分中的自冲铆钉。所述自冲铆钉包括头部、轴部和周向凹槽。所述轴从所述头部延伸并且包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁。所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度，以限定所述轴的远端尖端上的切削刃。所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。在安装所述自冲铆钉期间，所述周向凹槽自身塌缩并且引导所述自冲铆钉扩展到所述下基板中。在一种形式中，所述自冲铆钉不延伸穿过所述下基板的底表面。在另一种形式中，所述下基板的材料不流入所述周向凹槽中。
在另外的其他特征中，所述上基板包括钢材料，并且所述下基板包括铝铸件。所述结构总成还包括设置在所述上基板与所述下基板之间的至少一个附加基板。所述自冲铆钉的所述头部包括大于所述轴的直径的直径。所述自冲铆钉的所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
根据本文中提供的描述，另外的适用领域将变得显而易见。应理解，描述和具体示例仅意图用于说明目的，并且不意图限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图通过举例的方式描述本公开的各种形式，在附图中：
图1描绘了根据本公开的教导的将自冲铆钉(SPR)安装到工件中的各个步骤，其中：在步骤A处，将SPR设置在工件上方并且由安装工具固持；在步骤B处，致动安装工具的冲头以将SPR压靠在工件上；在步骤C处，SPR的插入端穿透到工件中以使工件的一部分和SPR的插入端变形到模具型腔中以形成铆钉接头；和在步骤D处，在形成铆钉接头之后提升冲头；
图2A为根据本公开的教导构造的自冲铆钉的透视图；
图2B是沿图2A的线2B-2B截取的剖视图；
图3A和图3B分别是来自常规SPR和根据本公开的教导构造的SPR的2D有限元模型(FEM)的轴对称剖视图，其中常规SPR和本公开的SPR被示出为定位在冲头与待接合工件之间；
图4A和图4B分别是来自常规SPR和根据本公开的教导构造的SPR的2D FEM的轴对称剖视图，其中SPR被示出为穿过上基板进入下基板的一部分中以使上基板和下基板以及SPR的插入部变形到模具型腔中；
图5A和图5B是对应于图4A和图4B的FEM预测的有效塑性应变分布，示出了下基板的各个部分处的应变；
图6A和图6B分别是来自常规SPR和根据本公开的教导构造的SPR的2D FEM的轴对称剖视图，其中SPR被示出为刺穿上基板进入下基板的一部分中以使上基板和下基板以及SPR的插入部变形到模具型腔中；
图7A和图7B是对应于图6A和图6B的预测的有效塑性应变分布，示出了下基板的各个部分处的应变；以及
图8A和图8B是示出根据本公开的教导的附加基板的示例性形式的剖视图。
本文中描述的附图仅用于说明目的，而非意图以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且不意图限制本公开、应用或用途。应当理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相似或对应的零件和特征件。
参考图1，根据本公开的教导构造的自冲铆钉(SPR)12用于接合工件，所述工件可以包括上基板14和下基板16。SPR 12通过包括模具26和冲头总成28的安装工具20安装到上基板14和下基板16。冲头总成28设置在上基板14和下基板16上方，并且包括冲头保持器30和可移动地接收在冲头保持器30内的冲头32。SPR 12设置在冲头保持器30内部并且在冲头32下方。模具26设置在上基板14和下基板16下方并且限定型腔34，其中SPR 12的一部分以及上基板14和下基板16的部分将在模具26的型腔34内部变形。
结合图1参考图2A和图2B，根据本公开的教导构造的SPR 12包括头部40和从头部42延伸的轴42。轴42是SPR 12的插入部，其用于刺穿工件并且在模具26的型腔34内部变形。轴42具有靠近头部40的近端部分44和远离头部42的远端部分46。轴42限定中空孔48和在中空孔48周围的侧壁50。周向凹槽52至少部分地围绕轴42设置并且在轴42的远端部分46附近延伸到侧壁50中。在一个示例中，周向凹槽52围绕侧壁50的整个周边延伸。如图1清楚地所示，头部40具有截头锥形状并且具有大于轴42的外径D2的外径D1。虽然头部40在附图中被示出为实心的，但是在不脱离本公开的范围的情况下，头部40可以是中空的。
如图2B中进一步示出，轴42的侧壁50具有朝向轴的远端部分46减小的厚度，以限定轴42的远端尖端49上的切削刃47。更具体地，可以观察到该切削刃47朝向远端部分46，在这里侧壁50的厚度减小并且SPR 12的端部通常成为在远端尖端49处的斜面。在一个示例中，周向凹槽52的深度“D”延伸到侧壁50的厚度“T”的至少5％中，并且宽度“W”是侧壁50的厚度“T”的至少5％。(即，D＝0.05x T，W＝0.05x T)应当理解，可以采用周向凹槽52的其他深度、宽度和形状，同时仍然在本公开的范围内。
返回参考图1，为了将SPR 12安装到工件中，工件包括在步骤A处放置在模具26与冲头保持器30之间的上基板14和下基板16。冲头保持器30和模具26共同形成夹子以将工件14、16夹在其间。作为一个示例，冲头保持器30和模具26可以成形在C形夹子(未示出)的相对端处。SPR 12被接收在冲头32下方的冲头保持器30内部。
在正确地定位上基板14和下基板16之后，在步骤B处致动冲头32以将SPR 12压靠在上基板14和下基板16上。在该步骤中，上基板14和下基板16显著变形。当冲头32继续将SPR 12压靠在上基板14和下基板16上时，SPR 12的轴42穿透上基板14，然后部分地穿透到下基板16中以在步骤C处形成机械互锁。上基板14和下基板16以及SPR 12的轴42在模具26的型腔34内部变形并且部分地或完全地填充模具26的型腔34以在步骤D处在模具26的型腔34中形成封闭的铆钉接头。
参考图3A和图3B，在安装之前，常规SPR 10和本公开的SPR12两者都以轴对称的2D有限元模型(FEM)示出。在本文的轴对称图示中，应当理解，仅示出了SPR的一半，这对于分析目的是常规的。
现在参考图4A和图4B，在安装之后，当SPR 12的轴42穿透上基板14然后部分地穿透下基板16时，周向凹槽52自身塌缩并且由于施加在轴42上的压缩力而闭合。随着周向凹槽52的塌缩，远端部分46在箭头A的方向上向外变形，并且因此引导SPR 12扩展到下基板16中。因为周向凹槽52闭合，所以下基板16的材料不会流入周向凹槽52中。因此，SPR 12限定使周向凹槽52在冲头32的压缩力下塌缩并在来自下基板16的任何大量材料可以进入周向凹槽52之前闭合的材料和几何形状。虽然周向凹槽52被设计成使得在周向凹槽52自身塌缩之前没有来自下基板16的材料可以进入，但是应当理解，下基板16的少量材料仍然可以进入周向凹槽52，不影响凹槽52的功能，同时仍然在本公开的范围内。
在一种形式中，SPR 12的轴42不延伸穿过下基板16的底表面16A。由于SPR 12的轴42的附加/定向扩展，与没有周向凹槽的常规SPR 10相比，变形的轴42与下基板16的底表面16A之间的距离增加。因此，SPR 12的轴42的扩展可以进一步防止轴42不期望地穿透SPR 12的底表面16A，从而允许更多的材料存在于变形的轴42与下基板16的底表面16A之间。如下文更详细描述的，这种增加的材料量降低了该位置处的应变，从而降低了下基板16的破裂概率。在一个示例中，由于SPR 12的增强的扩展，下基板16具有约33％的增加的厚度。
参考图5A和图5B，示出了与本公开的SPR 12相比使用常规SPR 10的下基板16的塑性应变。在SPR 12的轴42的增强的扩展的情况下，由于周向凹槽52自身塌缩，与安装没有任何周向凹槽的常规SPR的基板16'相比，下基板16经受更小的应变，特别是在变形的轴42的尖端47与下基板16的底表面16A之间的厚度减小区域16B中。在如图所示的一个示例中(上基板14是高强度钢并且下基板16是铝铸件)，使用本公开的SPR 12的下基板16的厚度减小区域16B中的最大应变与使用常规SPR 10的下基板的厚度减小区域16C中的应变相比小约21％。
参考图6A和图6B，这些图类似于图4A和图4B的那些图，不同之处在于上基板14和下基板16具有大致相同的厚度。在该示例中，材料是6000系列铝。由于下基板16的厚度减小，SPR 12的轴42的远端部分46在变形之后可以设置在更靠近下基板16的底表面16A的位置处，从而导致厚度减小区域16B处的更高应变。
参考图7A和图7B，尽管下基板16的厚度减小，但是与具有常规SPR 10的下基板16'中的应变相比，具有周向凹槽52的SPR 12的安装导致下基板16中的应变减小。下基板16的厚度减小区域16B中的应变与使用常规SPR 10时厚度减小区域16C中的应变相比小约25％。通过使用周向凹槽52来引导轴42进一步向外扩展，尽管下基板16的厚度减小，但是下基板16的厚度减小区域16B经受较低的应变和应力，从而增加接合总成60的完整性。有利地，下基板16的底层减薄减少约50％。此外，尽管下基板16的厚度减小并且SPR 12较少地穿透到下基板16中，但是SPR 12的扩展的轴42增加了扩展的轴42与下基板16之间的接触面积，从而提供了SPR 12与下基板16之间的更稳健/安全的连接。
返回参考图1，在将SPR 12安装到上基板14和下基板16中以形成接合的总成60之后，使冲头总成20远离上基板14和下基板16移动以完成SPR 12的安装。接合的总成60可以用于在汽车中形成车身和封闭件零件或用于包括两个或更多个工件的接合的任何应用中。
如图4B和图6B所示，接合的总成60包括上基板14、靠近上基板14设置的下基板16、和延伸穿过上基板14并进入下基板16的一部分中的SPR 12。如前所述，SPR 12包括头部40、从头部40延伸并包括中空孔48和在中空孔48周围的侧壁50的轴42，侧壁50具有朝向轴的远端部分减小的厚度以限定轴的远端尖端上的切削刃。周向凹槽52至少部分地围绕轴42设置并且在轴42的远端部分46附近延伸到侧壁50中。在安装SPR 12期间，周向凹槽52自身塌缩并且引导SPR 12扩展到下基板16中。在一种形式中，SPR 12不延伸穿过下基板16的底表面16A。并且如前所述，在本公开的一种形式中，下基板16的材料不会流入周向凹槽52中。作为一个示例，上基板14包括钢材料，并且下基板16包括铝铸件。然而，应当理解，其他材料可以用于上基板14和/或下基板16，同时仍然在本公开的范围内。
参考图8A和图8B，虽然本文仅示出了由SPR 12接合的两个基板，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在上基板14与下基板16之间包括附加基板。在这些示例中，为了清楚起见并为了展示在上基板14与下基板16之间存在附加基板，与常规SPR10一起示出了附加基板70(图8A)和80/90(图8B)。因此，可以采用任何数量的基板，同时仍然在本公开的范围内。
除非本文另有明确指示，否则指示机械/热性质、组成百分比、尺寸和/或公差或其他特性的所有数值在描述本公开的范围时应理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于各种原因期望进行这种修饰，所述原因包括：工业实践；材料、制造和组装公差；以及测试能力。
如本文所使用，短语A、B和C中的至少一个应被解释为使用非排他性逻辑或表示逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示A中的至少一个、B中的至少一个、以及C中的至少一个。
本公开的描述在本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本公开的实质的变型意图处于本公开的范围内。不应将此类变化视为脱离本公开的精神和范围。
根据本发明，提供了一种自冲铆钉，其具有：头部；轴，所述轴从所述头部延伸并且包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁，所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃；和周向凹槽，所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。
根据一个实施例，所述头部包括大于所述轴的直径的直径。
根据一个实施例，所述头部是实心的。
根据一个实施例，所述周向凹槽延伸到所述侧壁的厚度的至少5％中。
根据一个实施例，所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
根据本发明，提供了一种结构总成，其具有：上基板；下基板，所述下基板靠近所述上基板设置；和自冲铆钉，所述自冲铆钉延伸穿过所述上基板并进入所述下基板的一部分中，所述自冲铆钉包括：头部；轴，所述轴从所述头部延伸并且包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁，所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃；和周向凹槽，所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并延伸到所述侧壁中，其中在安装所述自冲铆钉期间，所述周向凹槽自身塌缩并引导所述自冲铆钉扩展到所述下基板中。
根据一个实施例，所述自冲铆钉不延伸穿过所述下基板的底表面。
根据一个实施例，所述下基板的材料不流入所述周向凹槽中。
根据一个实施例，所述上基板包括钢材料，并且所述下基板包括铝合金。
根据一个实施例，本发明的特征还在于设置在所述上基板与所述下基板之间的至少一个附加基板。
根据一个实施例，所述自冲铆钉的所述头部包括大于所述轴的直径的直径。
根据一个实施例，所述自冲铆钉的所述周向凹槽限定所述侧壁的厚度的至少5％的宽度。
根据一个实施例，所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
根据一个实施例，一种车辆包括所述结构总成。
根据本发明，提供了一种结构总成，其具有：上基板；下基板，所述下基板靠近所述上基板设置；和自冲铆钉，所述自冲铆钉延伸穿过所述上基板并进入所述下基板的一部分中，所述自冲铆钉包括：头部；轴，所述轴从所述头部延伸并且包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁，所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃；和周向凹槽，所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并延伸到所述侧壁中，其中在安装所述自冲铆钉期间，所述周向凹槽自身塌缩并引导所述自冲铆钉扩展到所述下基板中，并且其中所述自冲铆钉不延伸穿过所述下基板的底表面，并且所述下基板的材料不流入所述周向凹槽中。
根据一个实施例，所述上基板包括钢材料，并且所述下基板包括铝合金。
根据一个实施例，本发明的特征还在于设置在所述上基板与所述下基板之间的至少一个附加基板。
根据一个实施例，所述自冲铆钉的所述头部包括大于所述轴的直径的直径。
根据一个实施例，所自冲铆钉的所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
根据一个实施例，一种车辆包括所述结构总成。
Claims (11)
1.一种自冲铆钉，其包括：
头部；
轴，所述轴从所述头部延伸并且包括中空孔和在所述中空孔周围的侧壁，所述侧壁具有朝向所述轴的远端部分减小的厚度以限定所述轴的远端尖端上的切削刃；和
周向凹槽，所述周向凹槽至少部分地围绕所述轴设置并且延伸到所述侧壁中。
2.如权利要求1所述的自冲铆钉，其中所述头部包括大于所述轴的直径的直径。
3.如权利要求1所述的自冲铆钉，其中所述头部是实心的。
4.如权利要求1所述的自冲铆钉，其中所述周向凹槽延伸到所述侧壁的厚度的至少5％中。
5.如权利要求1所述的自冲铆钉，其中所述周向凹槽围绕所述侧壁的整个周边延伸。
6.一种结构总成，其包括：
上基板；
下基板，所述下基板靠近所述上基板设置；和
如权利要求1所述的自冲铆钉，所述自冲铆钉延伸穿过所述上基板并进入所述下基板的一部分中，
其中在安装所述自冲铆钉期间，所述周向凹槽自身塌缩并且引导所述自冲铆钉扩展到所述下基板中。
7.如权利要求6所述的结构总成，其中所述自冲铆钉不延伸穿过所述下基板的底表面。
8.如权利要求6所述的结构总成，其中所述下基板的材料不流入所述周向凹槽中。
9.如权利要求6所述的结构总成，其中所述上基板包括钢材料，并且所述下基板包括铝合金。
10.如权利要求6所述的结构总成，其还包括设置在所述上基板与所述下基板之间的至少一个附加基板。
11.一种车辆，其包括如权利要求6所述的结构总成。
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