CN115143177B - 一种流钻螺钉及其紧固装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流钻螺钉及其紧固装置，所述流钻螺钉包括螺帽、螺杆，所述螺帽设有驱动部、承载部；所述螺杆外部设有螺纹耦合区、螺纹成型区和尾部锥面，所述尾部锥面和所述螺纹成型区平滑过渡，所述流钻螺钉内部沿着所述螺杆的轴线方向设有内通孔，所述内通孔贯穿所述螺帽和所述螺杆。本发明流钻螺钉简化的尾部锥面结构，减短了流钻螺钉的长度，从而适用于更小尺寸的封闭腔体不会产生干涉；内通孔和缩短的尾部结构进一步实现轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及流钻螺钉和热熔自攻连接工艺，具体为一种流钻螺钉及其紧固装置。
背景技术
流钻螺钉可以在单边完成异种材料的连接操作，在将多个部件连接后现场成型的过孔可保持密封性；热熔自攻工艺省去了在部件上预开孔、预置螺母或螺纹简化了制造工艺同时降低成本。基于以上优点流钻螺钉和热熔自攻工艺在钢铝混合车身、电池包托盘等产品中广泛应用。
流钻螺钉安装过程包括预热、热熔穿透、锥孔成型、螺纹成型、螺纹旋合、拧紧落座6个步骤，单个流钻螺钉操作时间约为3秒～6秒，尤其在穿透高硬度材料或较厚的材料时预热、热熔穿透、锥孔成型3个步骤所需的操作时间增加，对于大量使用流钻螺钉的产品将影响生产节拍。加大施加在流钻螺钉上的轴向力可以加速穿透，但会导致连接部件局部弯曲变形，从而在两层板件之间留有缝隙，不利于连接强度和密封可靠性。
现有流钻螺钉较长的钻头结构增加了重量并限制了较小腔体空间条件下的应用。
CN106870531B公开了一种缩短流钻螺钉操作周期的方法，通过在第一部件上预制具有侧壁的凹坑提高穿透效率；但制作凹坑特征带来额外的成本和时间耗费。
本公开旨在解决上述问题和下文描述的其他问题。
发明内容
本发明在于解决现有上述技术问题，提供一种全新的流钻螺钉；通过改进端头结构以及允许能量流通过的通孔，减少预热和热熔穿透所需要的时间，加速穿透工件的效率；同时缩短了端头至螺纹成型区的长度，从而实现轻量化并拓展了对腔体空间的适应性；
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
本发明一个目的在于提供一种流钻螺钉，
所述流钻螺钉包括螺帽、螺杆，所述螺帽设有驱动部、承载部；所述螺杆外部设有螺纹耦合区、螺纹成型区和尾部锥面，所述尾部锥面和所述螺纹成型区平滑过渡，所述流钻螺钉内部沿着所述螺杆的轴线方向设有内通孔，所述内通孔贯穿所述螺帽和所述螺杆。
可选的，所述驱动部的形貌特征设定为可以与通用或专用的拧紧工具匹配耦合，实现被通用或专用的拧紧工具机械驱动同步旋转。
可选的，所述内通孔在所述螺杆的所述尾部锥面端设有倒锥面，所述倒锥面与所述尾部锥面的交接区域构建成切削刃，所述切削刃被构造为锋利地，即所述倒锥面与所述尾部锥面的交接区域有较小的圆角过渡。
可选的，所述尾部锥面的圆锥角A为25°～30°，所述倒锥面的圆锥角B为15°～20°，所述内通孔33的直径C为1mm～1.5mm。
本发明的另一个目的在于提供一种流钻螺钉紧固装置，
所述紧固装置作用于上述流钻螺钉，所述紧固装置包括紧固驱动装置、加热装置和负压装置；所述紧固驱动装置设有壳体和驱动头并可被控制以设定的目标转速工作，所述驱动头的形状与流钻螺钉的驱动部形状耦合，耦合状态所述驱动头旋转可以带动所述流钻螺钉以相同的转速旋转；
所述加热装置设有控制模块和激光发射部，所述激光发射部用于发射激光束，所述控制模块用于激光束的功率、光斑直径工艺参数调制，所述紧固驱动装置的驱动头与流钻螺钉的驱动部耦合时，所述激光发射部对准流钻螺钉的内通孔，即所述激光发射部发射的激光束与所述内通孔同轴，实现激光发射部发射的激光束可以通过内通孔照射至工件的表面；
所述负压装置包括负压模块和密封件，所述密封件密封地安装于所述加热装置的激光发射侧的端面，所述加热装置内设有排气通道连通所述负压模块和激光发射侧的端面，所述紧固驱动装置的所述驱动头与流钻螺钉的所述驱动部耦合后，所述负压装置通过所述排气通道抽吸流钻螺钉的内通孔联通的空腔内容纳的空气，当流钻螺钉的切削刃嵌入工件的材料内部时，流钻螺钉的内通孔的尾部锥面端被工件的材料封堵，从而可以在流钻螺钉的内通孔建立设定的负压；紧固驱动装置带动流钻螺钉高速旋转并施加压力压紧工件表面，加热装置通过激光发射部发射激光穿过流钻螺钉的通孔加速软化或熔化流钻螺钉内通孔对应区域内的的工件材料，激光加热方式显然比现有技术通过流钻螺钉的尾部高速旋转与工件摩擦加热的方式更快捷地熔化穿透部位的工件材料，从而缩短预热和热熔穿透两个工艺步骤耗费的时间；同时由于激光辅助加热、不再依赖流钻螺钉与工件的摩擦产热使工件材料熔化，预热和热熔穿透两个步骤所需要的施加在流钻螺钉的轴向压力减小，安装过程对工件造成的弯曲变形也显著减小，这有利于提高连接强度和密封可靠性。
可选的，所述密封件设置为可被压缩的弹性体。
本发明有益效果
(1)本发明流钻螺钉简化的尾部锥面结构，减短了流钻螺钉的长度，从而适用于更小尺寸的封闭腔体不会产生干涉；内通孔和缩短的尾部结构进一步实现轻量化。
(2)本发明通过激光辅助加热加速了穿透工件的效率，缩短了安装时间。
(3)本发明通过辅助加热减小了流钻螺钉轴向压力需求，减小了对工件造成的弯曲变形，有利于提高连接强度和密封可靠性。
附图说明
图1为现有流钻螺钉的结构示意图。
图2为流钻螺钉安装过程示意图。
图3为现有流钻螺钉连接缺陷示意图。
图4、图5和图6为本发明流钻螺钉的实施例结构示意图。
图7为紧固装置和预热步骤示意图。
图8为热熔穿透步骤示意图。
图9为锥孔成型步骤示意图。
图10为螺纹成型步骤示意图。
图11为螺钉拧紧至落座状态示意图。
图12为紧固装置的工艺参数变化示意图。
图13为实施例连接状态截面视图。
附图标记说明：1-流钻螺钉，11-尾部结构，111-锥部，112-钻头，12-螺纹区，21-连接部件，22-部件，23-间隙，3-流钻螺钉，31-螺帽，311-驱动部，312-承载部，32-螺杆，321-螺纹耦合区，322-螺纹成型区，323-尾部锥面，33-内通孔，331-倒锥面，34-切削刃，4-紧固装置，41-紧固驱动装置，411-壳体，412驱动头，42-加热装置，421-控制模块，422-激光发射部，423-激光发射侧的端面，424-激光束，43-负压装置，431-负压模块，432-密封件，433-排气通道，51-工件，511-第一表面，512-第二表面，513-材料，514-法兰部，515-锥孔。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1示出了现有技术的流钻螺钉1的结构，螺杆由螺纹区12和尾部结构11组成，尾部结构11由锥部111和钻头112组成，钻头112为保证尖锐制作为细长状态；钻头112增加了尾部结构11和螺杆的附加长度，增加了流钻螺钉1的重量并且因机械干涉限制了流钻螺钉1在较小腔体空间条件下的应用。
图2示出了流钻螺钉1连接部件21和部件22的安装过程，包括预热步骤T1、热熔穿透步骤T2、锥孔成型步骤T3、螺纹成型步骤T4、螺纹旋合步骤T5、拧紧落座步骤T6。通常单个流钻螺钉1操作时间约为3秒～6秒，尤其在穿透高硬度材料或较厚的材料时预热步骤T1、热熔穿透步骤T2、锥孔成型步骤T3所需的操作时间增加，导致单个流钻螺钉1的操作时间超过6秒，对于大量使用流钻螺钉的产品将影响生产节拍。预热步骤T1、热熔穿透步骤T2通过流钻螺钉1的尾部结构11高速旋转与连接部件21摩擦产生的热量加热熔化穿透部位的连接部件21材料，部件22的强度大于800MPa的场景流钻螺钉1难以钻通，限制了流钻螺钉1在高强钢与铝合金的连接应用。
图3示出了流钻螺钉1连接部件21和部件22的截面，为了缩短操作时间，预热步骤T1、热熔穿透步骤T2加大施加在流钻螺钉1上的轴向力，导致了连接部件22局部弯曲变形，从而在部件21和部件22之间留有缝隙23，缝隙23不利于连接强度(如剪切强度、退钉力)和密封可靠性。
图4、图5和图6示出了本公开流钻螺钉3的实施例结构；流钻螺钉3包括螺帽31和螺杆32组成，所述螺帽31设有驱动部311、承载部312；驱动部311的形貌特征设定为可以与通用或专用的拧紧工具匹配耦合，实现被通用或专用的拧紧工具机械驱动同步旋转；可选地，驱动部311可以设有凸起的六角花形法兰。所述螺杆32外部设有螺纹耦合区321、螺纹成型区322和尾部锥面323，尾部锥面323和螺纹成型区322平滑过渡。如图1和图5所示，容易理解的是，尾部锥面323的相比现有技术的由锥部111和钻头112构造的尾部结构11减少了钻头112的长度，通常钻头112的长度约为4mm，因此本公开流钻螺钉3相比现有技术可以减短约4mm的长度；因减小了机械干涉范围扩展了流钻螺钉3在更小的腔体空间条件下的应用。流钻螺钉3内部沿着螺杆32的轴线方向设有内通孔33，所述内通孔33贯穿螺帽31和螺杆32，内通孔33在螺杆32的尾部锥面323端设有倒锥面331，倒锥面331与所述尾部锥面323的交接区域构建成切削刃34。如图5所示，优选地，尾部锥面323的圆锥角A为25°～30°，倒锥面331的圆锥角B为15°～20°；可选地，内通孔33的直径C为1mm～1.5mm。如图6所示，切削刃34被构造为锋利地，即倒锥面331与尾部锥面323的交接区域有较小的圆角过渡，优选地圆角半径D小于0.1mm。内通孔33允许外部高功率集中热源从螺帽31端输入通过并抵达工件的表面；结合图7，例如通过激光束424穿过内通孔33照射至工件51的第一表面511，加速内通孔33对应区域内的工件51的材料熔化。
图7示出了紧固装置4的结构及紧固装置4与流钻螺钉3配合状态；紧固装置4集成了紧固驱动装置41、加热装置42和负压装置43；所述紧固驱动装置41设有壳体411和驱动头412并可被控制以设定的目标转速工作，例如驱动装置41可以在1秒内从静止状态调整至7000r/min旋转。所述驱动头412的形状与流钻螺钉3的驱动部311形状耦合，耦合状态驱动头412旋转可以带动流钻螺钉3以相同的转速旋转；例如驱动装置41可以驱动流钻螺钉3在1秒内从静止状态调整至7000r/min旋转。可选地，驱动头412可以设有内凹的六角花形法兰特征与驱动部311的凸起的六角花形法兰耦合，从而稳定地实现机械能传递，即不会发生跳齿或打滑。所述加热装置42设有控制模块421和激光发射部422，所述激光发射部422用于发射激光束424，所述控制模块421用于激光束424的功率、光斑直径等工艺参数调制。紧固驱动装置41的驱动头412与流钻螺钉3的驱动部311耦合时，激光发射部422对准流钻螺钉3的内通孔33，即激光发射部422发射的激光束424与内通孔33同轴，实现激光发射部422发射的激光束424可以通过内通孔33照射至工件51的第一表面511；负压装置43包括负压模块431和密封件432，密封件432为可被压缩的弹性体；可选地，密封件432由三元乙丙橡胶构造。密封件432密封地安装于加热装置42的激光发射侧的端面423，例如密封件432通过粘接方式气密地与端面423连接。加热装置42内设有排气通道433连通负压模块431和激光发射侧的端面423。如图5和图7所示，紧固驱动装置41的驱动头412与流钻螺钉3的驱动部311耦合时，密封件432与流钻螺钉3的螺帽31的上表面313接合，紧固驱动装置41的驱动头412轴向压紧流钻螺钉3的过程中密封件432被压缩；容易理解的是，密封件432被施加适当的压缩量后可以对流钻螺钉3的螺帽31的上表面313进行密封；例如，密封件432由三元乙丙橡胶构造，密封件432的初始高度是5mm，安装状态密封件432被压缩至3.8mm，安装状态密封件432的压缩量为24％从而保证密封件432与流钻螺钉3的螺帽31的上表面313配合达成预期的密封性。紧固驱动装置41的驱动头412与流钻螺钉3的驱动部311耦合后，负压装置431通过上述排气通道433抽吸流钻螺钉3的内通孔33联通的空腔内容纳的空气，当流钻螺钉3的切削刃34嵌入工件51的材料内部时，流钻螺钉3的内通孔33的尾部锥面323端被工件51的材料封堵，从而可以在流钻螺钉3的内通孔33建立设定的负压。图7中箭头434示意性地描述了负压装置431通过排气通道433抽吸流钻螺钉3的内通孔33联通的空腔内容纳的空气状态的气体流向。可选地，紧固装置4集成的紧固驱动装置41、加热装置42和负压装置43机械连接，从而实现同步地旋转。
如图7、图8、图12所示，紧固驱动装置41带动流钻螺钉3高速旋转并施加压力F压紧工件51的第一表面511，预热步骤T1加热装置42通过激光发射部422发射激光束424穿过流钻螺钉3的内通孔33抵达工件51的第一表面511；
优选地紧固驱动装置41带动流钻螺钉3加速至5000r/min，激光束424功率由2000W，压力F增加至约500N，负压装置431建立负压使流钻螺钉3的内通孔33内的压强约为-15kPa～-20kPa。
如图8、图12所示，激光束424的辅助加热快速软化或熔化流钻螺钉3内通孔33对应区域内的的工件51的材料513，热熔穿透步骤T2流钻螺钉3在高速旋转和压力F的作用下，流钻螺钉3的切削刃34穿透至工件51的第二表面512；优选地紧固驱动装置41带动流钻螺钉3加速至6000r/min～7000r/min，激光束424功率由2000W降低至约1000W，压力F增加至约1500N，负压装置431建立负压使流钻螺钉3的内通孔33内的压强约为-22kPa～-28kPa；由于内通孔33内负压作用，由熔化状态逐渐冷却的材料513被吸入流钻螺钉3的内通孔33内，激光束424停止加热材料513后被吸入流钻螺钉3的内通孔33内熔化的材料513冷却固化，且熔化的材料513由零转速状态在冷却固化过程中被流钻螺钉3的倒锥面331施加的摩擦力作用下加速至与流钻螺钉3相同的转速，熔化的材料513固化后即与流钻螺钉3的内通孔33的倒锥面331摩擦焊接从而将流钻螺钉3的内通孔33封堵。上述激光加热方式比现有技术通过摩擦加热的方式更快捷地熔化工件51穿透部位的材料513，从而缩短预热步骤T1和热熔穿透步骤T2两个工艺步骤耗费的时间。同时由于激光束424辅助加热、不再依赖流钻螺钉3与工件51的摩擦产热使工件材料513熔化，预热和热熔穿透两个步骤所需要的施加在流钻螺钉3的轴向压力F减小，例如最大压力F由5000N降低至1500N；由于轴向压力F减小使得安装过程对工件51造成的弯曲变形也显著减小，这有利于提高连接强度和密封可靠性。
如图9、图12所示，锥孔成型步骤T3在持续被施加压力F并保持高速旋转的流钻螺钉3的尾部锥面323继续挤压并扩大工件51上的锥孔515，流钻螺钉3进一步深入地钻入工件51，同时将工件51的材料往第二表面512方向挤压形成法兰部514。优选地紧固驱动装置41带动流钻螺钉3转速由约7000r/min降低至4600r/min，激光束424的功率在锥孔成型步骤T3开始即快速降低至0、即激光发射部422停止发射激光束424，压力F保持1500N使流钻螺钉3高效地钻入工件51并扩大锥孔515，负压装置431将流钻螺钉3的内通孔33内的压强调整为-10kPa。
如图10、图12所示，螺纹成型步骤T4紧固驱动装置41带动流钻螺钉3转速降低至约1200r/min，压力F由1500N逐步降低至600N，负压装置431将流钻螺钉3的内通孔33内的压强调整为与大气压相等；流钻螺钉3的螺纹成型区322与工件51的锥孔515的内表面耦合并在工件51的锥孔515的内表面攻制内螺纹。
如图11、图12所示，螺纹旋合步骤T5紧固驱动装置41带动流钻螺钉3转速降低至约600r/min，压力F由600N逐步降低至80N，流钻螺钉3的螺纹耦合区321的外螺纹与上述工件51的锥孔515的内螺纹啮合；拧紧落座步骤T6紧固驱动装置41根据扭矩变化状态降低流钻螺钉3的转速，压力F由80N逐渐降低至50N，当流钻螺钉3的扭矩值7Nm时停止旋转，流钻螺钉3安装完成。
如图13所示，对本实例流钻螺钉3按照图12所示工艺参数连接铝合金板件61和铝合金板件62，截面可见在铝合金板件61和铝合金板件62未出现明显缝隙；由于轴向压力F减小使得安装过程对铝合金板件62造成的弯曲变形也显著减小，这有利于提高连接强度和密封可靠性。
将本发明规格为M5的流钻螺钉和阿诺德的型号为AFF5x28的热熔自攻螺钉对比例分别连接2层2mm厚度的材料为6061-T6的铝板，对比操作时间和剪切力结果如下：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 | |
| 操作时间(s) | 2.3 | 2.1 | 2.2 | 2.1 | 1.9 | 3.4 | 4.2 | 4.1 | 3.6 | 4.9 |
| 剪切力(N) | 8119 | 7976 | 7840 | 8061 | 7813 | 6832 | 6955 | 6916 | 6668 | 6584 |
通过以上描述本领域的专业技术人员可以清晰地理解以下有益效果：
1.流钻螺钉实施例简化的尾部锥面结构，减短了流钻螺钉的长度，从而适用于更小尺寸的封闭腔体不会产生干涉；
2.内通孔和缩短的尾部结构进一步实现轻量化；
3.激光辅助加热加速了穿透工件的效率，缩短了安装时间；
4.辅助加热减小了流钻螺钉轴向压力需求，减小了对工件造成的弯曲变形，有利于提高连接强度和密封可靠性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种流钻螺钉，其特征在于，
所述流钻螺钉包括螺帽、螺杆，所述螺帽设有驱动部、承载部；所述螺杆外部设有螺纹耦合区、螺纹成型区和尾部锥面，所述尾部锥面和所述螺纹成型区平滑过渡，所述流钻螺钉内部沿着所述螺杆的轴线方向设有内通孔，所述内通孔贯穿所述螺帽和所述螺杆；
所述内通孔在所述螺杆的所述尾部锥面端设有倒锥面，所述倒锥面与所述尾部锥面的交接区域构建成切削刃，所述切削刃被构造为锋利地，即所述倒锥面与所述尾部锥面的交接区域有较小的圆角过渡；
所述内通孔允许外部高功率集中热源从所述螺帽端输入通过并抵达工件的表面。
2.根据权利要求1所述的一种流钻螺钉，其特征在于，
所述驱动部的形貌特征设定为可以与通用或专用的拧紧工具匹配耦合，实现被通用或专用的拧紧工具机械驱动同步旋转。
3.根据权利要求1所述的一种流钻螺钉，其特征在于，
所述尾部锥面的圆锥角A为25°～30°，所述倒锥面的圆锥角B为15°～20°，所述内通孔的直径C为1mm～1.5mm。
4.一种流钻螺钉紧固装置，其特征在于，
所述紧固装置作用于如权利要求1-3所述的流钻螺钉，所述紧固装置包括紧固驱动装置、加热装置和负压装置；所述紧固驱动装置设有壳体和驱动头并可被控制以设定的目标转速工作，所述驱动头的形状与流钻螺钉的驱动部形状耦合，耦合状态所述驱动头旋转可以带动所述流钻螺钉以相同的转速旋转；
所述加热装置设有控制模块和激光发射部，所述激光发射部用于发射激光束，所述控制模块用于激光束的功率、光斑直径工艺参数调制，所述紧固驱动装置的驱动头与流钻螺钉的驱动部耦合时，所述激光发射部对准流钻螺钉的内通孔，即所述激光发射部发射的激光束与所述内通孔同轴，实现激光发射部发射的激光束可以通过内通孔照射至工件的表面；
所述负压装置包括负压模块和密封件，所述密封件密封地安装于所述加热装置的激光发射侧的端面，所述加热装置内设有排气通道连通所述负压模块和激光发射侧的端面，所述紧固驱动装置的所述驱动头与流钻螺钉的所述驱动部耦合后，所述负压装置通过所述排气通道抽吸流钻螺钉的内通孔联通的空腔内容纳的空气，当流钻螺钉的切削刃嵌入工件的材料内部时，流钻螺钉的内通孔的尾部锥面端被工件的材料封堵，从而可以在流钻螺钉的内通孔建立设定的负压。
5.根据权利要求4所述的一种流钻螺钉紧固装置，其特征在于，
所述密封件设置为可被压缩的弹性体。
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