CN117733058B - 一种spr自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，属于铆接设备技术领域。本发明装置包括送料本体、冲杆和导钉机构，导钉机构包括导向接头、导向筒和置于导向筒内的送钉嘴，送钉嘴的外壁周向开有若干用于安装柔性件的环形道，送钉嘴由若干瓣圆弧片拼接形成推送铆钉的导向通道，铆钉在冲杆的作用下向下冲压推入导向通道的末端与待铆接板固定连接，建立翻钉率与冲杆冲压力、送钉嘴的长度和瓣数、移动节拍、铆钉的尺寸和送钉嘴提供的环向抱紧应力的量化关系，对生产过程中的翻钉率提供明确、有效的指导。通过设置由若干瓣圆弧片拼接组成的送钉嘴对铆钉提供均匀的环向抱紧应力，适应铆钉发生倾斜或翻钉时产生的挤压变形，有效地降低翻钉率。

Description

一种SPR自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法

技术领域

本发明涉及铆接设备技术领域，具体而言，涉及一种SPR自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法。

背景技术

SPR（Self-piercing Rivet）自冲铆接是汽车实现轻量化、节能减排、增加新能源汽车续航里程的重要连接技术。自冲铆接是指SPR铆钉在外力作用下穿透板材，并在底层材料中进行流动和延展，形成一个相互镶嵌的塑性变形的铆钉连接过程，该铆接点具有较高的抗拉强度和抗剪强度，自冲铆接工艺解决了铝点焊技术不能满足连接性能要求的问题，克服了疲劳强度不够、铆钉涂层和铝材不相容等问题。其中保证铆接质量的一个重要控制指标为翻钉率，现有的SPR自冲铆接设备通过在送钉轨道上镶嵌间距为120°的可转动钢珠阵列，对铆钉提供支撑和导向作用，利用送钉导轨末端设置的吹气装置对铆钉形成反向作用力，使铆钉在钢珠的支撑力、气压和导杆冲击力的作用下保持稳定不翻钉。但此类装置的送钉导轨缺乏弹性，无法适应材料尺寸的误差和工艺的变化，吹气装置的气流大小及方向的精度难以控制，尤其对长径比较小的铆钉不友好，翻钉、斜钉的概率高达1/200，严重影响生产效率，铆接点质量不稳定。

因此，需要提供SPR自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SPR自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法，以解决上述现有技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种SPR自冲刺铆接设备送料装置铆钉防翻控制方法，用在SPR自冲刺铆接设备的送料装置上，所述送料装置包括送料本体、冲杆和导钉机构，所述送料本体内自上而下设有冲压通孔，所述冲杆穿设于所述冲压通孔，所述送料本体上端通过所述冲杆的顶端与铆接设备的动力头连接，所述送料本体下端内设有输送铆钉的横向通道，所述横向通道内穿设有用于输送铆钉的料带，竖向贯穿所述横向通道的所述冲压通孔末端与所述导钉机构连接；所述导钉机构包括导向接头、导向筒和置于所述导向筒内的送钉嘴，所述送钉嘴的外壁周向开有若干用于安装柔性件的环形道，所述送钉嘴由若干瓣圆弧片拼接形成推送铆钉的导向通道，所述送钉嘴的顶端凸出所述导向筒的顶端并通过所述导向接头与所述冲压通孔的末端对接；

所述铆钉防翻控制方法是根据铆钉在导向通道内的铆接姿态及受力情况来确定，在所述冲杆的末端在动力头提供动力的作用下对准料带上的铆钉向下冲压，对铆钉提供向下的冲压力E，将铆钉推入所述导向通道的末端与待铆接板固定连接；同时，若干瓣圆弧片拼成的送钉嘴对冲杆推进的铆钉提供夹持铆钉的环向抱紧应力δ，所述环向抱紧应力δ与所述柔性件的箍紧程度对应，设定送钉嘴的长度为L₁，所述送料嘴的圆弧片数量为N，设定料带上每颗铆钉的移动节拍为t，设定铆钉的钉帽直径为D和长度为L₂；

结合生产实践经验，并结合上述相关指标合理分析可知，铆钉在送料装置传输过程中，铆钉的翻转率即翻钉率与冲压力E、钉帽直径与长度比值为D/L₂、送钉嘴长度L₁等指标正向相关；即冲压力E越大越容易翻钉；钉帽直径与长度比值，即D/L₂越大越容易翻钉（也即长径比越大越稳定）；送钉嘴长度L₁越大说明滑道越长，随着送钉路径长度增长翻钉风险增加；

其翻钉率与送料嘴圆弧片数量N、环向抱紧应力δ、铆钉移动节拍t等指标反向相关，即圆弧片数量N越多，铆钉在导向筒内所受环向夹紧应力越均匀，铆钉姿态越稳定（即翻钉率越小）；环向抱紧应力δ越大，说明铆钉在导向筒内夹紧越充分，则铆钉移动姿态越稳定（即翻钉率越小）；铆钉移动节拍t越大说明送钉越慢，速度越慢越稳定；

综合上述考虑，铆钉防翻控制是对所述翻钉率的控制，应满足以下关系式：

式中，y为翻钉率，单位为‰；N为送钉嘴的圆弧片数量，无量纲；E为冲杆的冲压力，单位为kN；D为铆钉的钉帽直径，单位为mm；L₁为送钉嘴的长度，单位为mm；L₂为铆钉的长度，单位为mm；δ为环向抱紧应力，单位为MPa；t为料带上每颗铆钉的移动节拍，单位为s；k、α均为常数。

作为本发明的优选技术方案，所述送钉嘴的外壁周向开有至少两个用于安装柔性件的环形道。

作为本发明的优选技术方案，所述送钉嘴的外壁周向开有两个或三个用于安装柔性件的环形道，所述柔性件为o型圈，材质为丁晴橡胶，所述柔性件至少设置两个。

作为本发明的优选技术方案，所述送钉嘴由三瓣圆弧片拼接形成推送铆钉的导向通道。

作为本发明的优选技术方案，所述导向接头内壁具有上大下小的第一喇叭口，所述送钉嘴上端与所述第一喇叭口对接处内壁形成第二喇叭口，所述第一喇叭口的底端内径小于所述第二喇叭口的顶端内径。

作为本发明的优选技术方案，所述环向抱紧应力来自于送钉嘴的若干瓣圆弧片提供的侧向压力，所述侧向压力的大小相同、方向均水平指向所述铆钉顶端的中心，所述侧向压力的数量与所述圆弧片的数量相同。

本发明的有益效果是：

（1）导钉机构中的送钉嘴由若干瓣等分的圆弧片拼接而成，圆弧片对冲杆推进的铆钉提供均匀的环向抱紧应力，使铆钉在环向抱紧应力的作用下与送钉嘴接触面产生均匀的摩擦力，保持铆钉姿态平衡不发生偏移，避免铆钉因受力不均而发生翻转、倾斜或变形，减少了因受力问题导致的故障或质量问题。

（2）送钉嘴中圆弧片之间的缝隙可以适应铆钉发生倾斜或翻钉时产生的挤压变形，使送钉嘴具有一定的弹性变形能力，当铆钉发生倾斜或翻钉时，圆弧片受到铆钉的挤压而相对于圆心向外扩张，圆弧片之间的缝隙被扩大，通过圆弧片之间缝隙的形变进而吸收铆钉倾斜或翻钉时产生的能量，减少铆钉倾斜或翻转的幅度，从而稳定铆钉的位置和姿态，此时圆弧片反作用于铆钉，将铆钉从倾斜状态扶正至水平状态，有效地减少翻钉现象，提高铆接的准确性和成功率，相较于传统的铆接设备的刚性送钉嘴，本发明的一种SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法实现翻钉率从1/200下降至1/1000。

（3）圆弧片之间的缝隙使其具有一定的缓冲能力，圆弧片受到挤压时不会突然碰撞到一起，而是通过逐渐变形来适应力的作用，有效减少由于铆钉尺寸过大或者铆钉倾斜导致的对设备内部的冲击和磨损，降低了设备故障的风险，延长了设备的使用寿命。

（4）利用柔性件良好的弹性对由若干瓣圆弧片组成的送钉嘴提供一定的夹持力，使圆弧片紧密贴合，提高送钉嘴对铆钉夹持的稳定性。

（5）建立冲杆冲压力、送钉嘴的长度和瓣数、料带上每颗铆钉的移动节拍、铆钉的尺寸和送钉嘴提供的环向抱紧应力等参数与翻钉率的量化关系，数值拟合出翻钉率的控制公式，基于控制公式可以根据实际生产中的翻钉率提供明确、有效的指导，通过监测和调整相关参数进而调整翻钉率直至符合生产要求。

附图说明

图1为本发明SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法的爆炸图；

图2为本发明SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法的剖面图；

图3为本发明导钉机构的剖面图；

图4为本发明送钉嘴结构示意图；

图5为图4的A局部放大图；

图6为本发明具体实施例的关于移动节拍与翻钉率的函数关系图；

图中，1－送料本体、10－冲压通孔、11－横向通道、2－导钉机构、21－导向接头、210－第一喇叭口、22－送钉嘴、220－圆弧片、221－第二喇叭口、222－环形道、223－导向通道、23－柔性件、24－导向筒、3－冲杆、4－料带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是此处所给出的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不能用来限制本发明。

需要注意的是，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以有其他实施方式以及其变形，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1和图2所示，本发明提供的一种SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，用在SPR自冲刺铆接设备的送料装置上，所述送料装置包括送料本体1、冲杆3和导钉机构2，送料本体1内自上而下设有冲压通孔10，冲杆3穿设于冲压通孔10，送料本体1上端通过冲杆3的顶端与铆接设备的动力头（图中未示）连接，送料本体1下端内设有输送铆钉的横向通道11，横向通道11内穿设有用于输送铆钉的料带4，竖向贯穿横向通道11的冲压通孔10末端与导钉机构2连接；

如图3所示，导钉机构2包括导向接头21、导向筒24和置于导向筒内的送钉嘴22，送钉嘴22的外壁周向开有若干用于安装柔性件23的环形道222，送钉嘴22由若干瓣圆弧片220拼接形成推送铆钉的导向通道223，送钉嘴22的顶端凸出导向筒24的顶端并通过导向接头24与冲压通孔10的末端对接；

所述铆钉防翻控制方法是根据铆钉在导向通道223内的铆接姿态及受力情况来确定，如图1和图2所示，在冲杆3的末端在动力头提供动力的作用下对准料带4上的铆钉向下冲压，提供向下的冲压力E，将铆钉推入导向通道223的末端与待铆接板（图中未示）固定连接；同时，若干瓣圆弧片220拼成的送钉嘴22对冲杆3推进的铆钉提供夹持铆钉的环向抱紧应力δ，环向抱紧应力δ与柔性件23的箍紧程度对应，设定送钉嘴22的长度为L₁，送料嘴的圆弧片数量为N，设定料带上每颗铆钉的移动节拍为t，设定铆钉的钉帽直径为D和长度为L₂；

分析上述相关作用力对铆钉姿态的影响可知，铆钉在送料装置传输过程中，铆钉的翻转率即翻钉率与冲压力E、钉帽直径与长度比值为D/L₂、送钉嘴长度L₁指标正向相关，还与送料嘴圆弧片数量N、环向抱紧应力δ、铆钉移动节拍t指标反向相关，因此，铆钉防翻控制是对所述翻钉率y的控制，应满足以下公式：

式中，y为翻钉率，单位为‰；N为送钉嘴22的圆弧片220数量，无量纲；E为冲杆3的冲压力，单位为kN；D为铆钉的钉帽直径，单位为mm；L₁为送钉嘴22的长度，单位为mm；L₂为铆钉的长度，单位为mm；δ为环向抱紧应力，单位为MPa；t为料带上每颗铆钉的移动节拍，单位为s；k、α均为常数。

结合当前汽车车身铝合金板材的加工水平和经验，常用规格尺寸为3mm、5mm的铆钉进行铆接双层或多层板材，根据待铆接板材的强度和厚度设置冲杆3的冲压力，常规设置为60kN或80kN，送钉嘴22的长度为25-155mm，料带4上每颗铆钉的移动节拍为1-3s。

根据当前铆接工艺要求，以铆接两层2.6mm厚的铝合金车身板材为例，采用规格尺寸为3mm的铆钉进行铆接，其直径为5.5mm、长度为7.2mm的铆钉进行铆接，送钉嘴22的圆弧片220设定为3瓣，送钉嘴22的长度设定为68.4mm，采用2个柔性件23对3瓣圆弧片220进行箍紧，送钉嘴22对铆钉提供的环向抱紧应力为10MPa，结合上述设计要求，设定冲杆3的冲压力为80kN，通过调整料带4移动节拍得到多组翻钉率的数据，见下表：

如图6所示，根据上述表格数值进行拟合，得到关于料带4上每颗铆钉的移动节拍与翻钉率的函数关系拟合模型，确定常数k、α取值分别为0.099、-2.97，翻钉率满足以下公式：

可见，采用规格尺寸为3mm的铆钉进行铆接两层2.6mm厚的铝合金车身板材时，当料带4上每颗铆钉的移动节拍为2.3s，翻钉率低于1/1000，远远优于现有铆接设备中送钉嘴22的翻钉率1/200，大大减少由于翻钉问题导致生产过程中断和返工的现象，确保每个铆钉都能正确地完成铆接。对于不同强度和厚度板材的铆接工作，设定冲杆3的冲压力、选择合适的铆钉和柔性件23，根据翻钉率的设计要求确定合适的料带4上每颗铆钉的移动节拍，对本发明的一种SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法的防翻钉效果进一步优化，确保铆接设备的整体性能达到最优，翻钉率保持在较低水平。

上述送钉嘴22设计成由若干瓣圆弧片220拼接而成，通过柔性件23使其紧密贴合，提高送钉嘴22对铆钉夹持的稳定性，使其更好地贴合铆钉，减少送钉过程中的滑动和振动，将传统的刚性送钉嘴改良为具有一定弹性变形能力的送钉嘴22，通过圆弧片220之间缝隙的形变有效吸收铆钉倾斜或翻钉时产生的能量，减少铆钉倾斜或翻转的幅度，稳定铆钉的位置和姿态，适应一些轻微变形或尺寸偏差的铆钉，有效地减少翻钉现象，提高铆接的准确性和成功率。

如图1和图4所示，送钉嘴22的外壁周向开有至少两个用于安装柔性件23的环形道222，可以为两个环形道222，也可以为三个环形道222，其中柔性件23为o型圈，材质为丁晴橡胶，柔性件23至少设置两个，例如，当送钉嘴22的外壁周向开设有三个环形道222时，此时柔性件23可以设置两个，也可以设置三个。

上述送钉嘴22的长度L₁小于等于100mm时，在其外壁两端各设置一个柔性件23；当送钉嘴22的长度L₁大于100mm时，每增加50mm长度，则在送钉嘴22的外壁中部增设一个柔性件23以提高送钉嘴22中部的整体性能；上述柔性件23的弹性使送钉嘴22对铆钉具有一定的夹持力，保证铆钉在送料过程中的稳定性，减少因振动或滑动导致的位置偏移，提高铆接工作的精度和一致性。

如图5所示，送钉嘴22由三瓣圆弧片220拼接形成推送铆钉的导向通道223。

关于送钉嘴22的圆弧片220瓣数的设计，考虑实际生产误差的关系，送钉嘴22的圆弧片220内表面难以均匀的与铆钉钉帽外周表面接触，实际铆接过程中每瓣圆弧片220与铆钉之间仅有少量的接触点，从而对铆钉产生了不均匀的环向抱紧应力；当送钉嘴22的圆弧片220数量为2时，铆钉受到圆弧片220产生的两个同轴异向的侧压力，此时铆钉在垂直于送钉嘴22的平面方向上容易发生偏移或振动，防翻钉效果不明显；当送钉嘴22的圆弧片220数量为3时，铆钉受到圆弧片220产生的三个向心且大小相同的侧压力，由于三角形稳定性原理，铆钉在导向通道223中能够保持更好的稳定和平衡；故理论上而言送钉嘴22的圆弧片220瓣数越多，铆钉钉帽外周表面所获得的环向抱紧应力分布越均匀，但考虑到生产成本的控制，圆弧片220的数量不宜分割的过多，实际生产中应对上述两类矛盾的控制指标作出综合平衡的选择，由3片圆弧片组成的送钉嘴相对于由2片圆弧片组成的送钉嘴，其明显降低了翻钉率，相对于由4片及以上圆弧片组成的送钉嘴，其保持了相对较低的成本，所以结合功能性和经济性考虑，优选由3片圆弧片组成的送钉嘴。

如图3所示，导向接头21内壁具有上大下小的第一喇叭口210，送钉嘴22上端与所述第一喇叭210口对接处内壁形成第二喇叭口221，第一喇叭口210的底端内径小于第二喇叭口221的顶端内径。

如图3所示，环抱预紧应力来自于送钉嘴22的若干瓣圆弧片220提供的侧向压力，侧向压力的大小相同、方向均水平指向铆钉顶端的中心，侧向压力的数量与圆弧片220的数量相同。

上述铆钉在环抱预紧应力作用下与送钉嘴22接触面产生均匀的摩擦力，该摩擦力保持铆钉姿态平衡不发生偏移，并沿着送钉嘴22的导向通道223稳定输送至待铆接板。

需要理解的是，上述实施例为本发明的一个或多个实施例，基于本发明还有很多其他实施例及其变形；本行业的普通技术人员在没有作出开拓性的创新的时候，通过本发明进行的变形和修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，用在SPR自冲刺铆接设备的送料装置上，所述送料装置包括送料本体、冲杆和导钉机构，所述送料本体内自上而下设有冲压通孔，所述冲杆穿设于所述冲压通孔，所述送料本体上端通过所述冲杆的顶端与铆接设备的动力头连接，所述送料本体下端内设有输送铆钉的横向通道，所述横向通道内穿设有用于输送铆钉的料带，竖向贯穿所述横向通道的所述冲压通孔末端与所述导钉机构连接；所述导钉机构包括导向接头、导向筒和置于所述导向筒内的送钉嘴，所述送钉嘴的外壁周向开有若干用于安装柔性件的环形道，所述送钉嘴由若干瓣圆弧片拼接形成推送铆钉的导向通道，所述送钉嘴的顶端凸出所述导向筒的顶端并通过所述导向接头与所述冲压通孔的末端对接；

其特征在于：所述铆钉防翻控制方法是根据铆钉在导向通道内的铆接姿态及受力情况来确定，在所述冲杆的末端在动力头提供动力的作用下对准料带上的铆钉向下冲压，对铆钉提供向下的冲压力E，将铆钉推入所述导向通道的末端与待铆接板固定连接；同时，若干瓣圆弧片拼成的送钉嘴对冲杆推进的铆钉提供夹持铆钉的环向抱紧应力δ，所述环向抱紧应力δ与所述柔性件的箍紧程度对应，设定送钉嘴的长度为L₁，所述送钉嘴的圆弧片数量为N，设定料带上每颗铆钉的移动节拍为t，设定铆钉的钉帽直径为D和长度为L₂；

分析上述相关作用力对铆钉姿态的影响可知，铆钉在送料装置传输过程中，铆钉的翻转率即翻钉率与冲压力E、钉帽直径与长度比值为D/L₂、送钉嘴长度L₁指标正向相关，还与送钉嘴圆弧片数量N、环向抱紧应力δ、铆钉移动节拍t指标反向相关，因此，铆钉防翻控制是对所述翻钉率的控制应满足以下关系式：

式中，y为翻钉率，单位为‰；N为送钉嘴的圆弧片数量，无量纲；E为冲杆的冲压力，单位为kN；D为铆钉的钉帽直径，单位为mm；L₁为送钉嘴的长度，单位为mm；L₂为铆钉的长度，单位为mm；δ为环向抱紧应力，单位为MPa；t为料带上每颗铆钉的移动节拍，单位为s；k、α均为常数。

2.根据权利要求1所述的SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，其特征在于：所述送钉嘴的外壁周向开有至少两个用于安装柔性件的环形道。

3.根据权利要求2所述的SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，其特征在于：所述送钉嘴的外壁周向开有两个或三个用于安装柔性件的环形道，所述柔性件为o型圈，材质为丁晴橡胶，所述柔性件至少设置两个。

4.根据权利要求1至3中任意所述的SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，其特征在于：所述送钉嘴由三瓣圆弧片拼接形成推送铆钉的导向通道。

5.根据权利要求1所述的SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，其特征在于：所述导向接头内壁具有上大下小的第一喇叭口，所述送钉嘴上端与所述第一喇叭口对接处内壁形成第二喇叭口，所述第一喇叭口的底端内径小于所述第二喇叭口的顶端内径。

6.根据权利要求1所述的SPR自冲刺铆接设备送料装置的铆钉防翻控制方法，其特征在于：所述环向抱紧应力来自于送钉嘴的若干瓣圆弧片提供的侧向压力，所述侧向压力的大小相同、方向均水平指向所述铆钉顶端的中心，所述侧向压力的数量与所述圆弧片的数量相同。