CN118208470A - 刚性半空心内自锁铆钉及其机械-固相复合连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种刚性半空心内自锁铆钉及其机械‑固相复合连接方法，该内自锁铆钉，由上而下依次包括：铆钉盖、铆钉体和钉体端部，其中：钉体端部设有向内的内自锁凸台，铆钉盖、铆钉体与钉体端部合围构成铆接容腔。本发明可广泛应用于一般轻金属、高比强度轻金属、新型复合材料等诸多材料的连接；机械‑固相复合连接的接头属性，弥补了机械连接接头疲劳性能上的不足，通过一定范围的固相连接，获得了较好的综合力学性能；铆钉高速旋转带来的材料软化，减小了铆入过程的轴向力，降低了对设备刚度的要求，可以铆接更厚、更硬的材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种铆接领域的技术，具体是一种刚性半空心内自锁铆钉及其机械-固相复合连接方法
背景技术
在金属材料的板连接技术中，对于第一层板为钢、第二层板为较厚轻质合金的板材组合，由于下层轻质合金板材很厚，无法采用自冲铆接、流钻铆接等适用于薄板的机械连接方式，且钢板在上轻质合金在下的叠加方式，使得搅拌摩擦焊、摩擦单元焊等固相连接工艺无法应用，故此类板材组合主要采用螺栓连接工艺。
发明内容
本发明针对现有技术无法解决的上层板为高熔点金属(钢、钛合金等)、下层板为轻质合金(铝合金、铸铝、镁合金等)板材组合的非穿透可靠机械连接的问题，提出一种刚性半空心内自锁铆钉及其机械-固相复合连接方法，通过精确匹配工艺过程中挤入铆钉腔的截留金属体积与铆钉空腔体积，使得该半空心内自锁铆钉的适用性更广，可广泛应用于一般轻金属、高比强度轻金属、新型复合材料等诸多材料的连接；机械-固相复合连接的接头属性，弥补了机械连接接头疲劳性能上的不足，通过一定范围的固相连接，获得了较好的综合力学性能；铆钉高速旋转带来的材料软化，减小了铆入过程的轴向力，降低了对设备刚度的要求，可以铆接更厚、更硬的材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种内自锁铆钉，由上而下依次包括：铆钉盖、铆钉体和钉体端部，其中：钉体端部设有向内的内自锁凸台，铆钉盖、铆钉体与钉体端部合围构成铆接容腔。
所述的钉体端部的末端为与内自锁凸台配合的楔形结构。
所述的铆钉体内壁和/或外壁设有表面结构，该表面结构为光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
所述的铆接容腔的深度D，即铆钉盖内壁至钉体端部的距离为：其中：R1为铆钉体外径，R2为铆钉体内径，H为铆钉体高度，t1为第一层板厚度，k为修正系数。
所述的铆钉盖与铆钉体为一体化固连或可拆卸连接，具体为：
当铆钉盖与铆钉体为一体化固连时，铆钉盖的上端面设有用于驱动旋转的齿牙结构和定位凹槽，或铆钉盖上设有通孔；
当铆钉盖与铆钉体为可拆卸连接时，铆钉盖与铆钉体的接触部分设有螺纹结构，具体为：铆钉盖包括：螺帽和螺柱，铆钉体内部设有对应的内螺纹
所述的通孔的尺寸和位置与铆接容腔相匹配。
本发明涉及一种基于上述内自锁铆钉的机械-固相复合连接装置，包括：平底模具、用于驱动内自锁铆钉旋转的驱动头和压边圈，其中：上述内自锁铆钉与驱动头相接触并位于待连接板材上，压边圈设置于自锁铆钉外部，待连接板材设置于平底模具上。
所述的待连接板材，具体为：位于上方的第一层板和位于下方的第二层板，其中：第一层板上设有预制连接孔且密度大于第二层板。
所述的第二层板的厚度大于第一层板。
所述的第一层板优选为钢材，第二层板为轻质合金。
所述的预制连接孔的直径优选为铆钉外径的1.1-1.3倍。
所述的铆钉、驱动头、压边圈、上层钢板预制孔和平底模具为同轴设置。
所述的平底模具在待连接板材所在平面的截面尺寸大于铆钉在待连接板材所在平面的截面尺寸。
所述的用于驱动内自锁铆钉旋转包括：
a)驱动头通过凸起齿牙与半空心铆钉顶部下凹齿牙相匹配并共同位于待连接板材上方；b)驱动头中心的定位凸台与铆钉盖上的定位凹槽配合，用于铆钉的对中和定位。
所述的平底模具在被连接下层工件刚度较强时可以省略，以提升工艺的灵活性。
本发明涉及一种利用上述装置实现机械-固相复合连接的方法，包括以下步骤：
步骤1)将待连接板材装卡于平底模具上方，控制压边圈缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材；驱动头快速轴向进给至距离第一层板的表面5-10mm处，随后通过正反转寻帽动作，使得驱动头的凸起齿牙与铆钉盖顶部的下凹齿牙相啮合；
步骤2)驱动头与铆钉准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板预制连接孔，直至接触第二层板表面，随后驱动头驱动铆钉旋转并进给至下层待连接板材，通过铆钉旋转产生并积累摩擦热；
步骤3)当待连接板材温度升高至材料塑性显著增加，直至在铆钉体和下层平底模具的限制下流入半空心铆钉并填充至内自锁凸台上方位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
步骤4)当半空心铆钉进给至预定深度，铆接容腔充满后，驱动头反向快速回退至原位，在工艺过程结束并冷却后，半空心铆钉附近各界面间隙被消除，实现固相连接。
所述的固相连接，位于以下至少一个界面处两侧材料之间：
①半空心铆钉内侧截留金属与铆钉内壁的界面；
②半空心铆钉外侧工件材料与铆钉外壁的界面；
③半空心铆钉外侧上层工件与下层工件材料的界面。
附图说明
图1为半空心内自锁铆钉结构的示意图；
图2为本发明的主要工艺过程示意图；
图3为本发明工艺过程完成后得到的机械-固相复合接头示意图；
图4为铆钉盖中心为通孔的空心内自锁铆钉的结构示意图；
图5为改用带通孔的空心铆钉时的主要工艺过程示意图；
图6为改用空心铆钉时工艺过程结束后封胶处理得到的机械-固相复合接头示意图；
图7为去掉伞状铆钉盖的空心内螺纹铆钉结构和与内螺纹相配合的螺栓结构示意图；
图8为改用内螺纹空心铆钉时的主要工艺过程示意图；
图9为改用螺纹空心铆钉时工艺过程结束后螺纹紧固得到的机械-固相-螺纹复合接头示意图；
图10为铆接容腔的深度计算方法示意图；
图中：铆钉1、铆钉盖101、定位凹槽102、铆钉体103、内自锁凸台104、钉体端部105、通孔106、螺纹孔107、内螺纹108、驱动头2、压边圈3、待连接板材4、第一层板401、第二层板402、截留金属403、平底模具5、机械-固相复合接头6、螺帽601、螺柱602、封胶7、螺栓8。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的半空心铆钉1包括：一体连接的铆钉盖101和半空心铆钉体103，其中：铆钉盖101中心定位凸台102与铆钉体103同轴设置，铆钉盖101、铆钉体103与钉体端部105合围构成铆接容腔。
所述的铆接容腔的深度其中：修正系数/>如图10所示，l为剩余铆钉腔高度，为保证接头内自锁的可靠性，内自锁凸台104需完全插入下层板且截留金属高度应高于两层板之间的界面，即满足：/>以及t1-L+D-
H＜l＜t1+D-H，相应得到修正系数范围满足：
所述的铆钉体103其内径为10.0mm，外径为12.0mm，铆钉体103高度为12.0mm，底端设有楔形锥角105，外壁为光滑结构，内壁靠近锥角设有环形凸台104，凸台内径为8.0mm，凸台高度为1.0mm，半空心铆钉体103深度为13.0mm。
所述的铆钉1整体尺寸较大，可采用机加工方式制造。
如图2所示，本实施例连接装置包括：带中心定位凸台的驱动头2、压边圈3、待连接板材4、平底模具5，其中：带中心定位凸台的驱动头2通过凸起的齿牙与半空心铆钉盖101顶部下凹的齿牙咬合，定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102匹配，并共同位于待连接板材4的上方，压边圈3位于待连接板材4的上方，模具5位于待连接板材4的下方。
所述的带中心定位凸台的驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101中央的下凹齿牙通过咬合和驱动实现半空心铆钉1的轴向进给运动和旋转运动，驱动头2上的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102配合用于定位和对中。
所述的待连接板材4的第一层板401为2.0mm带预制孔的DP 600，预制孔直径为14.0mm，第二层板402为15.0mmAlSi10MgMn铸铝。
所述的平底模具5为光滑的圆形工具钢，用于限制第二层板402材变形，使软化的塑性态材料在铆钉体103端部的楔形锥面105的引导下流入铆钉腔内。
本实施例连接方法，具体包括：
1)将带预制孔的第一层板401材和第二层板402材紧密装卡，预制孔与驱动轴位置同轴；
2)通过驱动头2的凸起齿牙与铆钉盖101上的下凹齿牙相啮合，同时驱动头2上的定位凸台与铆钉盖101上的定位凹槽102相匹配，使半空心铆钉1与驱动头2同轴设置；
3)驱动头2在伺服电机的作用下以50mm/s的线速度轴向进给至距离待连接板材4上表面8mm处，同时压边圈3缓慢下压于待连接板材4表面。随后驱动头2以5mm/s速度下降直至接触待连接板材4表面；
4)驱动头2驱动铆钉1以转速4000r/min，进给速率2.0mm/s铆入待连接板材402，通过铆钉体103与待连接板材402之间的摩擦作用产生热量，使待连接板材4温度升高，软化材料，降低铆入阻力，塑性态铝合金填充至凸台上方足够高度，开始形成机械内自锁；随后在铆钉1的挤压作用下，铆钉体103内、外侧与待连接板材401和402之间的间隙被消除。
5)当铆钉1进给至预定深度12.0mm时，铆钉腔被第二层板402挤出材料填满，形成有效机械内自锁。随后驱动头2以50mm/s反向进给，回至原位。
如图3所示，在最终形成的机械-固相复合接头6中，三个界面处形成了固相连接，包括：①铆钉1内侧截留金属403与铆钉体103内壁之间的界面；②铆钉体103外壁与下层工件402之间的界面；③上层工件401与下层工件402之间的界面。
与现有技术相比，本实施例连接的高强钢-厚板铸铝材料组合，通过形成一种新型的机械-固相复合连接接头，解决了螺栓8连接需上、第二层板402打孔攻丝，在装卡时对中性要求高的问题。本实施例形成了有效的机械内自锁，并在形成了一定范围的固相焊区域，从多方面保证了所得机械-固相复合接头6的静、动态力学性能。此外，由于本实施例使用的半空心铆钉体103积和重量均较小，解决了螺栓8连接体积和重量较大的问题，符合结构轻量化的趋势。
实施例2
如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例待连接板材4的第一层板401为10mm的45钢板，第二层板402为20mm的7075铝合金。
与实施例1相比，上下两层板总厚度较大，且考虑到上层覆盖件板材需可拆卸，便于维修更换，因此采用可拆卸连接的铆钉盖与铆钉体，即无伞状钉帽的内螺纹孔结构，并配合相应尺寸的螺栓8，其铆钉体103高度为20.0mm，外径12.0mm，内壁为M10的内螺纹108，内自锁凸台104内径为7.0mm，凸台高度为1.5mm。与内螺纹108配合的M10螺栓8帽直径为15.0mm。
与实施例1相比，与铆钉1通孔106直径相配合的驱动头2形貌需做出调整，通过调整驱动头2中心凸起高度与铆钉1通孔106配合，限制截留金属403的流动，形成有效的内自锁接头，因此驱动头2中心凸台高度其中：R1,R2,H,t1和k均与第一公式一致；d为驱动头2中心凸台高度；L为空心铆钉1总长度。
基于上述参数，本实施例中驱动头2凸台高度设置为8.0mm。
与实施例1相比，板厚增加，且7系铝合金强度较高，工艺后期铆钉1受到的阻力更大，因此可以将参数分段，工艺后期适当增大热输入以减小铆接力，防止铆钉体103镦粗变形。工艺参数第一阶段与实施例1相同，工艺后期旋转速度不变，进给速度降低至1.0mm/s。
本实施例中的其他参数和过程与实施例1相同，当铆钉1进给位移为12.0mm时，即铆钉1上端面与上层钢板上表面齐平时，工艺结束，随后将与内螺纹108相配合的螺栓8旋入螺纹孔107中，锁紧上层45钢覆盖件，最终形成的接头如图9所示。
本实施例进一步在工艺过程结束后对接头顶部进行封胶7处理，以减轻开放式接头结构易发生腐蚀的问题。
与现有技术相比，本实施例以简单的工艺过程实现了钢-厚板铝合金的机械-固相-螺栓8复合连接，解决了此类板材组合采用纯螺栓8连接工艺是的螺孔对中性和接头增重较大的问题，具有更广泛的应用前景。此外，本实施例可以根据板材种类和厚度的变化，灵活调整工艺过程，为更加复杂的结构设计和材料选择提供了便利。
1、本发明提供的内自锁铆钉，具有结构简单、可靠性好、泛用性强的优点；
2、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，针对钢-厚板轻质合金的板材组合，通过控制待连接板材(4)的流动状态形成了一种基于特殊结构半空心/空心铆钉(1)的内自锁工艺，可以得到具有较高整体强度和刚度的接头，并在内自锁机械连接的基础上实现铆钉(1)与工件、工件与工件之间的固相连接，强化了接头的静、动态力学性能，解决了自冲铆接、流钻铆接等传统板材机械连接技术无法应用的困境；
3、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，由于只需要对第一层板(401)预制连接孔，解决了螺栓连接双层板开孔攻丝后对中性和装卡精度要求高的问题；
4、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，通过摩擦热积累实现待连接板材(4)的充分软化和良好的塑性流动状态，软化被连接板材，防止工艺过程中铆钉(1)镦粗和变形等缺陷，同时也降低了铆接力，减小对设备整体刚度的要求和零部件的损耗；
5、本发明提供的内自锁铆钉、铆钉复合连接装置以及连接方法，半空心/空心结构的铆钉(1)为挤出材料提供空间，防止挤入板材之间或塞积于接头表面附近，使得接头不会出现间隙和较大翘曲变形；半空心/空心钉体能够有效降低铆钉体(103)积和重量，解决了螺栓连接接头尺寸和重量大的问题，符合结构轻量化的趋势，且避免了螺栓连接上下开放式的接头结构，保证了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能。
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 (10)
1.一种内自锁铆钉，其特征在于，由上而下依次包括：铆钉盖、铆钉体和钉体端部，其中：钉体端部设有向内的内自锁凸台，铆钉盖、铆钉体与钉体端部合围构成铆接容腔；
所述的钉体端部的末端为与内自锁凸台配合的楔形结构；
所述的铆钉体内壁和/或外壁设有表面结构，该表面结构为光滑结构、螺纹结构以及凹槽结构中的任一种或任多种组合。
2.根据权利要求1所述的内自锁铆钉，其特征是，所述的铆接容腔的深度D，即铆钉盖内壁至钉体端部的距离为：其中：R1为铆钉体外径，R2为铆钉体内径，H为铆钉体高度，t1为第一层板厚度，k为修正系数。
3.根据权利要求1所述的内自锁铆钉，其特征是，所述的铆钉盖与铆钉体为一体化固连或可拆卸连接，具体为：
当铆钉盖与铆钉体为一体化固连时，铆钉盖的上端面设有用于驱动旋转的齿牙结构和定位凹槽，或铆钉盖上设有通孔；
当铆钉盖与铆钉体为可拆卸连接时，铆钉盖与铆钉体的接触部分设有螺纹结构，具体为：铆钉盖包括：螺帽和螺柱，铆钉体内部设有对应的内螺纹。
4.根据权利要求1所述的内自锁铆钉，其特征是，所述的通孔的尺寸和位置与铆接容腔相匹配。
5.一种基于权利要求1-4中任一所述内自锁铆钉的机械-固相复合连接装置，其特征在于，包括：平底模具、用于驱动内自锁铆钉旋转的驱动头和压边圈，其中：上述内自锁铆钉与驱动头相接触并位于待连接板材上，压边圈设置于自锁铆钉外部，待连接板材设置于平底模具上。
6.根据权利要求5所述的机械-固相复合连接装置，其特征是，所述的待连接板材，具体为：位于上方的第一层板和位于下方的第二层板，其中：第一层板上设有预制连接孔且密度大于第二层板。
7.根据权利要求5所述的机械-固相复合连接装置，其特征是，所述的第二层板的厚度大于第一层板。
8.根据权利要求5所述的机械-固相复合连接装置，其特征是，所述的第一层板优选为钢材，第二层板为轻质合金。
9.根据权利要求5所述的机械-固相复合连接装置，其特征是，所述的用于驱动内自锁铆钉旋转包括：
a)驱动头通过凸起齿牙与半空心铆钉顶部下凹齿牙相匹配并共同位于待连接板材上方；b)驱动头中心的定位凸台与铆钉盖上的定位凹槽配合，用于铆钉的对中和定位。
10.一种利用权利要求6-9中任一所述装置实现机械-固相复合连接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将待连接板材装卡于平底模具上方，控制压边圈缓慢下降，预压紧装卡好的待连接板材；驱动头快速轴向进给至距离第一层板的表面5-10mm处，随后通过正反转寻帽动作，使得驱动头的凸起齿牙与铆钉盖顶部的下凹齿牙相啮合；
步骤2)驱动头与铆钉准确啮合后缓慢下降，穿过第一层板预制连接孔，直至接触第二层板表面，随后驱动头驱动铆钉旋转并进给至下层待连接板材，通过铆钉旋转产生并积累摩擦热；
步骤3)当待连接板材温度升高至材料塑性显著增加，直至在铆钉体和下层平底模具的限制下流入半空心铆钉并填充至内自锁凸台上方位置时，开始形成有效机械内自锁效果；
步骤4)当半空心铆钉进给至预定深度，铆接容腔充满后，驱动头反向快速回退至原位，在工艺过程结束并冷却后，半空心铆钉附近各界面间隙被消除，实现固相连接；
所述的固相连接，位于以下至少一个界面处两侧材料之间：
①半空心铆钉内侧截留金属与铆钉内壁的界面；
②半空心铆钉外侧工件材料与铆钉外壁的界面；
③半空心铆钉外侧上层工件与下层工件材料的界面。
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2022
- 2022-12-15 CN CN202211618460.1A patent/CN118208470A/zh active Pending
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