用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统技术方案

一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统，所述铆钉包括：半空心铆钉体以及铆钉盖，其中：铆钉盖的下表面与半空心铆钉体相连，半空心铆钉体的底端设有楔形锥角，铆钉盖上端边缘设有用于装卸的倒角及旋转驱动结构，铆钉盖的中心设有定位结构，其中旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面；定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面。本发明专利技术通过铆钉与驱动系统配合使用可以提高自冲摩擦铆焊过程中铆钉的驱动刚度与定位精度，解决半空心铆钉高速旋转过程中稳定性差以及铆钉轴线与旋转轴线不重合的问题，降低接头失效概率，避免铆钉与板材之间产生隙等问题，保证自冲摩擦铆焊工艺在连接钢、铝、镁、复合材料，以及异质材料时的工艺可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种汽车板材连接领域的技术，具体是一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统。
技术介绍
随着汽车车身轻量化发展的趋势，高强钢、铝合金、镁合金等轻合金以及复合材料正在得到越来越广泛的应用。然而，铝、镁等轻合金因其具有极强的氧化能力、较小的电阻率、较大的导热系数、比热容和线膨胀系数以及易形成气孔等特性，使其难以用传统电阻点焊工艺进行连接。而复合材料和塑料因为不导电，根本无法采用焊接方法实现连接。针对上述轻量化材料的连接问题，国内外提出了自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)，搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)以及搅拌摩擦塞铆(Friction Bit Joining,简称FBJ)等机械或固相连接方法。其中SPR可以有效避免异种材料熔化焊时的一系列问题，但是在铆接高强钢等高强度难变形材料时，由于材料的变形抗力大，铆钉易发生镦粗甚至断裂现象，难以穿透板材形成有效的机械自锁，从而使连接失效。在铆接铸铝、镁、复合材料等低韧性的材料时容易产生裂纹甚至脆裂，致使连接失效，严重影响接头的动静态力学性能。FSSW是通过搅拌头的搅拌运动产生摩擦热导致连接板件之间分子扩散从而实现固相连接的一种工艺，可以有效控制金属间化合物的厚度。然而，该工艺会在接头中残留工艺孔，大大影响接头强度。FBJ方法通过铆钉的高速旋转软化难变形材料并穿透上层板，从而与下层板间实现摩擦焊连接，将上层板材料锁在铆钉盖和下层板的摩擦焊界面间实现机械连接。通过实心刚性铆钉替代搅拌摩擦点焊的搅拌针，可以消除搅拌摩擦点焊的工艺孔，而且具有较好的柔性。然而，作为一种实心铆钉，其重量相对较大，同时因为要完全排开顶层金属，会产生较大的局部变形，需要更大的铆接力、更长的铆接时间，对设备提出了较高的要求，增加了设备成本，并导致连接效率降低。同时，摩擦焊过程中需要较多的摩擦热以保证铆钉与下层高熔点、高强度板之间产生足够的结合强度，容易使接头附近温度过高，导致接头中轻金属材料软化严重，降低接头力学性能。针对SPR和FBJ工艺面临的问题，国内提出了自冲摩擦铆焊(Friction-SelfPiercing Riveting，简称F-SPR)方法，该方法通过使半空心铆钉在轴向运动的同时沿周向做高速旋转运动，从而产生摩擦热软化有色合金或高强钢等材料，提高被铆材料的塑性，通过铆钉切断上层工件并与下层工件形成机械自锁连接的同时，铆钉高速旋转产生的摩擦热在铆钉和被铆材料之间形成固相连接，实现机械-固相双重连接。然而，现有的F-SPR方法采用半空心铆钉，对铆钉及工艺过程提出了更高要求。在自冲摩擦铆焊过程中，高速旋转的铆钉与板材间的接触面为环形，在摩擦力与铆钉几何形貌制造偏差的共同作用下，铆钉易产生旋转失稳现象，导致接头失效。同时，在铆钉高速旋转过程中，钉体半空心圆筒轴线与铆钉旋转轴线的不重合会导致接头内铆钉与板材间存在间隙，影响接头的静动态力学性能。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统，通过铆钉与连接系统配合使用可以提高自冲摩擦铆焊过程中铆钉的驱动刚度与定位精度，解决半空心铆钉高速旋转过程中稳定性差以及铆钉轴线与旋转轴线不重合的问题，降低接头失效概率，避免铆钉与板材之间产生间隙等问题，保证自冲摩擦铆焊工艺的可靠性。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉，包括：半空心铆钉体以及铆钉盖，其中：铆钉盖的下表面与半空心铆钉体相连，半空心铆钉体的底端设有楔形锥角，铆钉盖上端边缘设有用于装卸的倒角及旋转驱动结构，铆钉盖的中心设有定位结构。所述的半空心铆钉体楔形锥角的顶点可以与半空心铆钉体内壁或外壁重合，也可以位于内壁和外壁之间。所述的铆钉盖边缘倒角为0～75°。所述的旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面，所述的有向是指，该凹形面或凸形面为非镜像对阵结构。所述的旋转驱动结构优选为沿周向均匀分布的若干个楔形缺口、梅花形凸台或梅花形凹槽。所述的楔形缺口包含两个相交的平面，其中一个平面与所述的铆钉盖上表面垂直，用于承受周向扭矩，另一个平面从所述的钉盖上表面向下端倾斜，用于动态啮合。所述的两个相交的平面与所述的铆钉盖上表面间交线的夹角呈30～75°。所述的梅花形凸台包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。所述的梅花形凹槽包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。所述的定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面，优选为圆锥台形凹槽或圆锥台形凸台。所述的圆锥台形凹槽位于铆钉盖的中心，圆锥台形的锥角小于等于120°。所述的圆锥台形凸台位于铆钉盖的中心，圆锥台形的锥角小于等于120°。所述的圆锥台形凹槽与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩后的旋转轴线与几何轴线重合。所述的圆锥台形凸台与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩后的旋转轴线与几何轴线重合。所述的铆钉盖的下表面设有与半空心铆钉体外壁呈60～120°的夹角，控制上层板的材料流动。本专利技术涉及上述用于自冲摩擦铆焊的铆钉的自冲摩擦铆焊连接系统，包括：驱动所述铆钉的驱动杆、所述铆钉、模具以及层叠设置于铆钉与模具之间的待连接板件，其中：驱动杆的下表面与所述铆钉的上表面形状相互匹配。所述的相互匹配，是指：驱动杆底部边缘的旋转驱动结构和中心的定位结构形面分别与所述铆钉的铆钉盖上表面边缘的旋转驱动结构和中心的定位结构形面相匹配。所述的相互匹配，优选采用：①当所述旋转驱动结构为沿周向均匀分布的若干个楔形缺口时，所述的驱动杆的底部对应为沿周向均匀分布的若干个楔形凸起，且楔形凸起的数量等于所述的楔形缺口的数量，且楔形凸起的形状与楔形缺口的形状互补。所述的楔形缺口和楔形凸起各边均设有用于避免产生过定位的倒角。②当所述的定位结构为圆锥台形凹槽时，所述的驱动杆的底部对应设有定位凸台，且定位凸台与所述的定位凹槽具有相同的锥度，且定位凸台的高度小于定位凹槽的深度。所述的模具的上表面正对铆钉的位置设有用于配合所述铆钉控制材料流动的固定结构，该固定结构的形状包括但不限于：平底凹槽、中间带凸起的凹槽、平板以及通孔等。所述的驱动杆具有轴向垂直运动以及周向旋转运动能力。本专利技术涉及上述系统的铆钉旋转进给方法，包括如下步骤：步骤1，将铆钉竖直置于驱动杆下方，并施加适当阻尼，限制铆钉的轴向运动、与周向转动；步骤2，驱动杆轴向向下快速直线进给至距铆钉上端面2-5毫米处；步骤3，驱动杆轴向向下慢速进给，并同时慢速旋转，使驱动杆中心的定位凸台与铆钉盖中心的定位凹槽自动啮合，实现铆钉的自对中，同时驱动杆底部边缘的楔形凸起与铆钉盖边缘的楔形缺口相接触，每一对楔形凸起与楔形缺口中与铆钉盖上端面垂直的一对平面相接触，驱动杆下端面与铆钉上端面相接触，驱动杆与铆钉啮合过程中，当驱动杆对铆钉施加的轴向压力或周向扭矩大于铆钉受到的外部阻尼时，铆钉随驱动杆进行轴向运动或周向转动；步骤4，驱动杆与铆钉共同运动至距铆钉空行程末端2-5毫米处，驱动杆轴向与周向运动加速至自冲摩擦铆焊工艺所需参数，并驱动铆钉以所需工艺参数完成自冲摩擦铆焊过程。技术效果与现有技术相比，本专利技术利用铆钉盖上的旋转驱动结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征在于，包括：半空心铆钉体以及铆钉盖，其中：铆钉盖的下表面与半空心铆钉体相连，半空心铆钉体的底端设有楔形锥角，铆钉盖上端边缘设有用于装卸的倒角及旋转驱动结构，铆钉盖的中心设有定位结构；所述的旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面；所述的定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面。

【技术特征摘要】
1.一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征在于，包括：半空心铆钉体以及铆钉盖，其中：铆钉盖的下表面与半空心铆钉体相连，半空心铆钉体的底端设有楔形锥角，铆钉盖上端边缘设有用于装卸的倒角及旋转驱动结构，铆钉盖的中心设有定位结构；所述的旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面；所述的定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面。2.根据权利要求1所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的半空心铆钉体楔形锥角的顶点与半空心铆钉体内壁或外壁重合或位于内壁和外壁之间。3.根据权利要求1所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的有向是指，该凹形面或凸形面为非镜像对阵结构。4.根据权利要求1所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的旋转驱动结构为沿周向均匀分布的若干个楔形缺口、梅花形凸台或梅花形凹槽。5.根据权利要求4所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的楔形缺口包含两个相交的平面，其中一个平面与所述的铆钉盖上表面垂直，用于承受周向扭矩，另一个平面从所述的钉盖上表面向下端倾斜，用于动态啮合。6.根据权利要求4所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的梅花形凸台包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。7.根据权利要求4所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的梅花形凹槽包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。8.根据权利要求1所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的定位结构为圆锥台形凹槽或圆锥台形凸台。9.根据权利要求8所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的圆锥台形凹槽与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩时的旋转轴线与几何轴线重合。10.根据权利要求8所述的用于自冲摩擦铆焊的铆钉，其特征是，所述的圆锥台形凸台与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩时的旋转轴线与几何轴线重合。11.一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉的自冲摩擦铆焊连接系统，其特征在于，包括：能够轴向垂直运动以及径向旋转运动驱动所述铆钉的驱动杆、如权利要求1-10中任一所述铆钉、模具以及层叠设置于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永兵，马运五，楼铭，林忠钦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31