CN115846517A - 基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置及方法，带有冲头的铆接凸模与带有冲孔凹模的外铆接凹模相对设置，轻合金板和超高强钢板从上至下放置在铆接凸模与凹模之间，压边圈设置在轻合金板材上方压紧双层板材，冲孔凹模下方设有若干顶杆，顶杆上行时顶住冲孔凹模进行板料冲孔，顶杆下行时落下冲孔凹模形成铆接凹模进行板料铆接，外铆接凹模内设置有嵌环，嵌环纵截面为锥形，嵌环具有能够保证两板镶嵌锁扣量的内侧斜面和能够保证铆接板材脱模的外侧斜。本发明适合于超高强钢板与轻合金板无铆连接使用，能够拓展无铆连接技术的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材连接技术领域，具体涉及一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置及方法。
背景技术
无铆冲压连接是利用塑性变形使板材相互镶嵌产生机械互锁量而实现连接，可用于难焊接材料的连接。无铆冲压连接技术具有工艺简单、成本低、无热无烟、接头疲劳强度高、容易实现自动化和无应力集中等优点。无铆冲压连接的连接强度取决于互锁量和颈厚值，与模具几何形状、成形工艺参数，以及材料本身的塑性密切相关。近年来国内外学者采用数值模拟和实验方法，对无铆冲压连接互锁量和颈厚值的影响因素进行了大量的研究，并开发了一些新的模具结构使连接强度得到明显提高，但所有的研究均未考虑到屈服强度相差较大的超高强钢与轻合金板材的无铆连接技术。随着节能减排，特别是新能源汽车的发展，高强钢和铝合金等高强度低密度材料的应用更加普遍，高强钢与铝合金无铆冲压连接得到人们的重视。日本学者阿边等尝试通过优化模具形状尺寸来控制金属流动进行高强度钢和铝合金板的无铆冲压连接，结果显示随着钢屈服强度的提高，连接强度逐渐降低，当钢的屈服强度超过800MPa时，屈服强度相对太小的铝合金板极易发生大塑性应变，在铆接颈部区域导致颈部断裂，无法保证连接强度。柳本等通过对模具和板材辅助加热提高塑性，进行了不锈钢和铝合金板的无铆冲压连接，效果并不理想无法实现有效连接。
因此，面向汽车减排，特别是新能源汽车轻量化的需求，提出的超高强钢轻合金连接方法具有重要的实际应用价值。近些年，随着冲压技术快速发展，有关超高强钢板的冲孔和翻边等工艺已经成功研发，为本发明奠定了理论基础，但是这些技术并没有与无铆连接进行结合，也无人想到将冲压和翻边技术与传统无铆连接进行结合以提高板材连接性能。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置及方法，借鉴金属板材冲压工艺中复合模结构特点，基于冲孔与翻边两工步进行组合，通过铆接凸模一次压下完成无铆连接。其中冲孔工步为实现翻边变形做前期准备，以翻边形式为主的变形可以完成两板镶嵌互锁，同时也避开了传统无铆连接形式下对超高强钢板难以压薄变形的缺点。
具体地，本发明提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其包括带有冲头的铆接凸模、压边圈、冲孔凹模、外铆接凹模、嵌环以及顶杆，所述冲孔凹模设置在所述外铆接凹模内部；
所述带有冲头的铆接凸模与所述带有冲孔凹模的外铆接凹模相对设置，轻合金板和超高强钢板从上至下放置在铆接凸模与凹模之间，所述压边圈设置在轻合金板上方并压紧轻合金板和超高强钢板，所述冲孔凹模下方设置有能够上下移动的顶杆，所述外铆接凹模内设置有嵌环，所述嵌环纵截面为锥形，所述嵌环具有能够保证两板镶嵌锁扣量的内侧斜面和能够保证铆接板材脱模的外侧斜面；
在冲孔过程中，铆接凸模冲头底端面与冲孔凹模刃口承担冲裁作用；在铆接过程中，铆接凸模冲头柱面部分、冲孔凹模上表面与外铆接凹模及其内部嵌环组成铆接模具型腔，共同完成铆接成形。
优选地，所述嵌环为整体式结构或分体式结构，所述整体式结构为整体圆环，所述分体式结构包括两个相互拼接的半圆环。
优选地，所述外铆接凹模中间设有用于排除废料的通孔以及多个安装顶杆的圆孔。
优选地，所述冲孔凹模装配在所述外铆接凹模的定位槽中。
优选地，所述顶杆设置有两根或两根以上。
优选地，另一方面，本发明还提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置进行无铆连接的方法，其包括以下步骤：
S1、冲孔阶段：将双层板材放置在对应位置，冲孔凹模借助于顶杆上移到下层板材底面并顶住下层板材，随后带有冲头的铆接凸模下压对双层板材进行冲孔；
S2、铆接阶段：冲孔完成后顶杆下移，冲孔凹模快速下落至与外铆接凹模底面持平，并与所述嵌环共同组成铆接凹模，在铆接凸模持续冲压下完成双层钢板的无铆连接成形过程；
S3、保压阶段：铆接凸模继续保持一定时间压力，减小板材大幅度回弹，使板材充分填充型腔、镶嵌互锁和定型；
S4、顶件复位阶段：铆接凸模和压边圈依次上移复位，动力机构向上驱动顶杆，带动冲孔凹模顶出板材，并准备下一次铆接。
优选地，步骤S1中的双层板材为超高强钢板和轻合金板，双层板材的放置顺序为轻合金板在上，超高强钢板在下。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的无铆连接装置适合于超高强钢板与轻合金板无铆连接应用，能够保证超高强钢板与轻合金板的连接强度，能够拓展无铆连接技术的应用场景。在成形过程中，利用冲孔工步为实现翻边变形做前期准备，以翻边形式为主的变形能够完成两板之间相互的镶嵌与互锁，同时也解决了传统无铆连接形式下对超高强钢板难以压薄变形的缺陷，保证无铆连接的连接性能。
(2)本发明采用顶杆实现冲孔凹模精确定位，顶杆上端顶在冲孔凹模底部，下端通过设备上动力机构实现上下移动，另外，顶杆还有顶料作用，当无铆连接完成后，向上驱动顶杆，可以通过冲孔凹模顶出板材。
(3)本发明采用压边圈对两层金属板材起到压紧作用，能够防止板材发生翘曲和错移，保证板材的加工质量。
(4)本发明的外铆接凹模内部放置嵌环，与冲孔凹模共同组成铆接凹模型腔，承担成形载荷。外铆接凹模型腔内壁斜度比传统大一些，更有利于铆接后嵌环脱模。外铆接凹模中间设有通孔，用来排掉冲孔废料。外铆接凹模中还加工若干圆孔等结构，用来装配定位冲孔凹模与顶杆。在工作前嵌环放置在外铆接凹模中组成外铆接凹模，嵌环的纵截面设置为锥形，上宽下窄，嵌环内侧的斜面可保证两板镶嵌锁扣量，防止两板脱扣；嵌环外侧斜面用来保证铆接板材顺利脱模；嵌环还具有保护外铆接凹模磨损的作用。
(5)本发明的整体工艺方法在常温下就能够进行，不需要额外进行加热，也不需要增加其余工艺即能够完成成形及无铆连接，并且废料可及时回收，能够简化工艺，且不会对环境造成额外负担。
附图说明
图1为本发明基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置的冲孔前模具示意图；
图2为本发明的冲孔完成示意图；
图3为本发明的铆接前模具示意图；
图4为本发明的铆接保压结束示意图；
图5为本发明的模具中冲头和冲孔凹模尺寸示意图；
图6为本发明的嵌环结构示意图；
图7为超高强钢与铝合金板采用传统无铆连接的应变模拟图；
图8为超高强钢与铝合金板采用本发明方法无铆连接的应变模拟图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，如图1及图2所示，其包括带有冲头的铆接凸模1、压边圈2、冲孔凹模3、外铆接凹模4、嵌环5以及顶杆6，冲孔凹模3设置在外铆接凹模4内部，铆接凸模1的冲头与冲孔凹模3可共同配合为冲裁模具。
带有冲头的铆接凸模1与冲孔凹模3相对设置，轻合金板7和超高强钢板8依次设置在铆接凸模1与冲孔凹模3之间，压边圈2设置在轻合金板7上方并压紧轻合金板7和超高强钢板8，冲孔凹模3外部设置有外铆接凹模4，冲孔凹模3的下方设置有顶杆6，冲孔凹模3与外铆接凹模4之间设置有嵌环5，嵌环5放置在外铆接凹模4中与外铆接凹模4共同组成铆接凹模，嵌环5纵截面为锥形，嵌环5具有能够保证两板镶嵌锁扣量的内侧斜面和能够保证铆接板材脱模的外侧斜面。
在冲孔过程中，铆接凸模1的冲头底端面和冲孔凹模3刃口承担冲裁作用。在铆接过程中，铆接凸模1冲头柱面部分、冲孔凹模3上表面与外铆接凹模4组成铆接模具型腔，共同完成铆接成形，铆接凸模1和冲孔凹模3承担冲孔和铆接两个工步的工作。
采用顶杆6实现冲孔凹模3精确定位，顶杆6上端顶在冲孔凹模3底部，顶杆6下端通过设备上设置的动力机构实现上下移动，另外，顶杆6还具有顶料的作用，当无铆连接完成后，利用动力机构向上驱动顶杆，可以通过冲孔凹模3顶出板材，从而更加容易的完成脱模。在具体实施例中，根据需要，顶杆可以设置为两根或两根以上。
具体实施过程中，外铆接凹模4内部放置嵌环5，与冲孔凹模3共同组成铆接凹模的型腔，承担成形载荷。外铆接凹模4型腔内壁斜度可以比传统大一些，更有利于铆接后嵌环5脱模。外铆接凹模4中间设有通孔，用来排掉冲孔废料。外铆接凹模4中还加工若干圆孔等结构，用来装配定位冲孔凹模3与顶杆6。
具体实施过程中，如图6所示，嵌环5可设置为两种形式，分别为整体式结构和分体式结构，整体式结构做成整体环，整体环在铆接后与钢板凸起部分箍在一起，对超强钢板开裂失效具有抑制作用，该种结构的嵌环5可以用中碳钢等材料制作。分体式结构两个半环组成，铆接后可拆下继续使用，该种结构的嵌环5可以用模具钢材料制作。
优选地，外铆接凹模4中间设有用于排除废料的通孔以及多个安装圆孔。安装圆孔用于安装顶杆等其余部件。
本发明还提供一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置进行无铆连接的方法，其包括以下步骤：
S1、冲孔阶段：按照轻合金板7在上，超高强钢板8在下的顺序将双层板材放置在对应位置，冲孔凹模3借助于顶杆6上移到下层板材底面并顶住下层板材，此时带有冲头的铆接凸模1下压对双层板材进行冲孔。
S2、铆接阶段：冲孔完成后顶杆6下移，冲孔凹模3下落至与外铆接凹模4底面持平，并与嵌环5共同组成铆接凹模，在铆接凸模1持续冲压下完成双层金属板材的无铆连接成形过程。
S3、保压阶段：铆接凸模1继续保持一定时间压力，减小板材大幅度回弹，以保证板材充分填充型腔、镶嵌互锁和定型目的。
S4、顶件复位阶段：铆接凸模1和压边圈2依次上移返回，再由设备上动力机构向上驱动顶杆6，推动冲孔凹模3顶出板材，并准备下一次铆接。
在冲孔过程中，铆接凸模冲头底端面承担冲裁作用。在铆接过程中，铆接凸模冲头柱面部分与外铆接凹模4及内部嵌环5又合成铆接模具型腔，完成铆接成形，铆接凸模1承担冲孔和铆接两个工步的工作。同时，在冲孔过程中，冲孔凹模3刃口承担冲裁作用。在铆接过程中，冲孔凹模3上表面又参与组合外铆接凹模4功能，完成铆接成形，冲孔凹模3也承担冲孔和铆接两个工步的工作。
如图1所示，铆接凸模1和冲孔凹模3为冲孔用的两个关键件，除了嵌环5的其他模具零件对板材和冲孔凹模3均起到压紧和定位作用，其中冲孔凹模3工作中不能顶出外铆接凹模4中的定位槽，以保证冲孔凹模3水平定位。
如图3所示，冲孔完成后，冲孔凹模3立刻向下回落到外铆接凹模4的定位槽中，定位槽深度与冲孔凹模3高度相等，保证外铆接凹模4底面形成一个平面。
下面以具体实施例对本发明的方法及所达到的有益效果进行详细说明：
具体实施例
以DP980超高强钢和5083铝合金板材无铆连接为例说明本发明的工作过程。两板厚度均为1.5mm，铆接凸模下压速度1mm/s，嵌环为整环结构，嵌环材料45#，钢-铝摩擦系数0.4，钢-钢摩擦系数0.12，在常温下进行成形。图5为模具中冲头和冲孔凹模尺寸示意图，其中冲头高度d1为3.5mm，外铆接凹模高度d2为2.2mm，嵌环高度d3为1.8mm，冲头直径d4为2mm，外铆接凹模的外径d5为7.2mm。
具体地，通过下述方法对DP980高强钢和5083铝合金板材进行冲孔铆接，具体包括以下步骤：
S1、冲孔阶段：将双层板材按5083铝合金板材在上、DP980高强钢在下的位置顺序放置在对应位置，压边圈压紧两块板材，冲孔凹模借助于顶杆上移到下层板材底面并顶住下层板材，铆接凸模启动向下进给，铆接凸模的冲头对双层板材进行冲孔，冲孔行程约3.24mm。
S2、铆接阶段：冲孔完成后顶杆下移，冲孔凹模下落至与外铆接凹模底面持平，并与嵌环共同组成铆接凹模，在铆接凸模持续冲压下使金属充填型腔，完成双层钢板的无铆连接成形过程，铆接行程约4.48mm。
S3、保压阶段：铆接凸模保持压力约0.3s，该过程能够减小板材大幅度回弹，使板材充分填充型腔、镶嵌互锁和定型，保证板材的连接强度。
S4、顶件复位阶段：铆接凸模和压边圈依次上移返回原位，再由设备上设置的动力机构向上驱动顶杆，推动冲孔凹模顶出板材，完成脱模，并准备下一次铆接。当选用整体式嵌环时，脱模后嵌环箍在铆接凸出部的外侧面，并与板材固定连接为一体，对超高强钢板可能出现的微裂纹起到抑制开裂的作用；当选用分体式嵌环时，板材脱模后可将嵌环拆下，重复利用。
下面结合铝合金板应变示意图对传统无铆连接方法及本发明无铆连接方法的板材性能进行详细分析：
如图7所示为超高强钢与铝合金板采用传统无铆连接的应变模拟图，铝合金板颈部区域最大应变达到7.5，图中可以看出，此时，划分单元已发生开裂，无法继续铆接模拟。如图8所示为采用本发明方法无铆连接的应变模拟图，铝合金板颈部区域最大应变仅为2.9，不会产生开裂，铆接模拟能够顺利完成。两者比较可见，采用本发明的铆接方法采用合理工艺参数，得到的板材塑性应变明显减小，能够保证铝合金板颈部不发生断裂等缺陷。
如图4所示，采用本发明方法无铆连接后的板材，测得镶嵌量L1约为0.25mm，颈部厚度为0.2mm，符合无铆连接质量要求。理论上镶嵌量和颈部厚度两参数互相影响，只要能够获得合理模具尺寸参数，就能够得到镶嵌量和颈部厚度最优值，实际工作中，可以根据具体需要进行设定。
通过上述分析可以得知，本发明的无铆连接方法能够大幅度降低屈服强度相对较低的轻合金板塑形应变，轻合金板铆接颈部不易断裂，满足超高强钢板与轻合金板的铆接使用要求，对进一步轻量化汽车等产品和节能减排具有一定的现实意义。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：其包括带有冲头的铆接凸模、压边圈、冲孔凹模、外铆接凹模、嵌环以及顶杆，所述冲孔凹模设置在所述外铆接凹模内部；
所述带有冲头的铆接凸模与所述带有冲孔凹模的外铆接凹模相对设置，轻合金板和超高强钢板从上至下放置在铆接凸模与凹模之间，所述压边圈设置在轻合金板上方并压紧轻合金板和超高强钢板，所述冲孔凹模下方设置有能够上下移动的顶杆，所述外铆接凹模内设置有嵌环，所述嵌环纵截面为锥形，所述嵌环具有能够保证两板镶嵌锁扣量的内侧斜面和能够保证铆接板材脱模的外侧斜面；
在冲孔过程中，铆接凸模冲头底端面与冲孔凹模刃口承担冲裁作用；在铆接过程中，铆接凸模冲头柱面部分、冲孔凹模上表面与外铆接凹模及其内部嵌环组成铆接模具型腔，共同完成铆接成形。
2.根据权利要求1所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：所述嵌环为整体式结构或分体式结构，所述整体式结构为整体圆环，所述分体式结构包括两个相互拼接的半圆环。
3.根据权利要求1所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：所述外铆接凹模中间设有用于排除废料的通孔以及多个安装顶杆的圆孔。
4.根据权利要求1所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：所述冲孔凹模装配在所述外铆接凹模的定位槽中。
5.根据权利要求1所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：所述双层板材为超高强钢板和轻合金板。
6.根据权利要求1所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置，其特征在于：所述顶杆设置有两根或两根以上。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置进行无铆连接的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、冲孔阶段：将双层板材放置在对应位置，冲孔凹模借助于顶杆上移到下层板材底面并顶住下层板材，使带有冲头的铆接凸模下压对双层板材进行冲孔；
S2、铆接阶段：冲孔完成后顶杆下移，冲孔凹模快速下落至与外铆接凹模底面持平，并与所述嵌环共同组成铆接凹模，在铆接凸模持续冲压下完成双层钢板的无铆连接成形过程；
S3、保压阶段：铆接凸模继续保持一定时间压力，减小板材大幅度回弹，使板材充分填充型腔、镶嵌互锁和定型；
S4、顶件复位阶段：铆接凸模和压边圈依次上移复位，动力机构向上驱动顶杆，带动冲孔凹模顶出板材，并准备下一次铆接。
8.根据权利要求7所述的基于冲孔与嵌环的双层板材无铆连接装置进行无铆连接的方法，其特征在于：步骤S1中的双层板材为超高强钢板和轻合金板，双层板材的放置顺序为轻合金板在上，超高强钢板在下。
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- 2022-11-29 CN CN202211517921.6A patent/CN115846517A/zh active Pending
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