表面带微结构的半空心铆钉制造技术

一种表面带微结构的半空心铆钉，包括：用于驱动的铆钉头和半空心结构的铆钉腿，该铆钉腿外侧底部通过机械加工、化学加工或物理学加工得到微米级微结构，铆钉腿内侧顶部设有凹槽结构。本发明专利技术在铆钉腿的外表面设计有微米级微结构，在大进给速度下形成多重微米级机械锁合结构；钉腿内侧设计有凹槽结构，通过板材塑性变形形成毫米级机械互锁结构，接头内、外两种机械锁合共同增强接头力学性能。机械锁合共同增强接头力学性能。机械锁合共同增强接头力学性能。

【技术实现步骤摘要】
表面带微结构的半空心铆钉


[0001]本专利技术涉及的是一种点连接领域的技术，具体是一种表面带微结构的半空心铆钉。

技术介绍

[0002]铝、镁合金等轻质高强材料在轻量化汽车车身上的应用呈逐年增长趋势。然而，由于其热导率高、比热大、线膨胀系数大和表面存在致密氧化膜等，对连接工艺的要求十分苛刻。传统电阻点焊技术在焊接上述材料时容易产生夹渣、气孔、接头热变形和电极帽快速磨损等问题。自冲铆接技术在连接低延展性合金材料时会产生严重铆接开裂，接头质量难以保证。传统铆接技术能形成可靠的机械连接，但需预先在板材上加工通孔，存在生产效率低、成本高等不足。采用半空心铆钉的自冲摩擦铆接工艺可连接低延展性材料，但接头中仅形成一种机械连接且高度依赖钉腿塑性变形，降低了接头稳定性和可靠性。采用带外螺纹实心铆钉的搅拌摩擦铆焊可在接头中形成螺纹连接，但螺纹连接需采用较低的进给速度，工艺效率低。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种表面带微结构的半空心铆钉，在铆钉腿的外表面设计有微米级微结构，在大进给速度下形成多重微米级机械锁合结构；钉腿内侧设计有凹槽结构，通过板材塑性变形形成毫米级机械互锁结构，接头内、外两种机械锁合共同增强接头力学性能。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种表面带微结构的半空心铆钉，包括：用于驱动的铆钉头和半空心结构的铆钉腿，该铆钉腿外侧底部通过机械加工、化学加工或物理学加工得到微米级微结构，铆钉腿内侧顶部设有凹槽结构。
[0006]所述的铆钉腿的长度L1＝K1T1+K2T2，其中：T1为上层待连接板的厚度，T2为下层待连接板的厚度，K1为考虑材料向上挤出的修正系数，K2为控制铆钉腿插入下层板深度的修正参数。
[0007]所述的修正系数K1优选范围为[1.05,1.20]，修正系数K2优选范围为[0.45,0.75]。
[0008]所述的铆钉腿的外径为R1，其优选值为1.7mm～4.5mm。通过优化铆钉腿的长度，实现铆钉头与上层板紧密贴合，确保铆钉腿插入下板足够深但并不刺穿。
[0009]所述的铆钉腿外侧加工的微米级微结构的长度L2＝K3L1，其中：L1为铆钉腿的长度，K3为控制微结构长度的修正参数。
[0010]所述的修正系数K3优选为[0.7,0.9]。
[0011]所述的机械加工，采用但不限于精密车削的方式，制备得到的微米级微结构为规则分布，其几何形状为锯齿形、多段圆弧组成的波浪形和梯形等，呈轴对称分布、非螺旋结构，单个微结构在截面上的长和宽在5μm～120μm范围内。
[0012]所述的化学加工，采用但不限于电化学腐蚀或沉积的方式，所述的物理学加工，采用但不限于喷丸、电火花、激光的方式，制备得到的微米级微结构为不规则分布微结构，其表面粗糙度优选为5μm～120μm范围内。
[0013]通过选择合理的微结构尺寸，确保在铆钉腿与板材间形成可靠的微连接。过大的微结构尺寸会造成板材材料无法顺利填充入微结构或填充的材料在铆钉高速旋转过程中扭断，降低微连接质量；较小的微结构尺寸虽然可以确保微连接的成形质量，但其提供的接头强化效果不明显。
[0014]所述的铆钉腿内侧的凹槽结构的长度L3＝K4H1，其中：H1为钉腿空腔的深度，K4为控制凹槽长度的修正参数。
[0015]所述的修正系数K4优选范围为[0.4,0.7]。
[0016]所述的凹槽结构的内径R3＝R2+K5(R1‑
R2)，其中：R1为铆钉腿的外径，R2为铆钉腿的内径，R3为内凹槽的内径，K5为控制凹槽深度的修正系数。
[0017]所述的修正系数K5优选范围为[0.3,0.6]。
[0018]所述的凹槽结构的最低点距离铆钉腿下沿的距离L4＝H1‑
L3，其中：H1为钉腿空腔的深度，L3为铆钉腿内侧的凹槽结构长度。
[0019]在降低铆钉单体重量的同时确保钉腿空腔中被板材材料填充紧实，在钉腿空腔内形成机械连接。
[0020]所述的铆钉腿外侧优选通过机械加工、化学加工或物理学加工得到微米级微结构，其表面粗糙度优选为5μm～120μm范围内，进一步增强接头内部机械连接的强度。
[0021]本专利技术涉及上述半空心铆钉的铆接工艺，通过驱动头驱动铆钉旋转并向下穿透上板、刺入下板后在接头中形成机械
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固相复合连接，具体包括：穿透上板时铆钉高速旋转的同时逐渐刺入上层待连接板直至其被完全穿透，铆钉腿与板材间产生的大量摩擦热将上层板软化并挤压到铆钉空腔内；刺入下板时，板材材料被挤入铆钉空腔内直至完全填满，截留的上层板与下层板材料通过剧烈摩擦形成固相连接，铆钉腿与空腔中填充的板材材料形成内部机械连接；随着铆钉继续下移，大量软化的板材材料沿铆钉腿外侧向上流动，填充到铆钉腿外侧微结构内，形成外侧多重微米级机械连接。
[0022]所述的上板上优选设有预制孔，从而大幅度缩短焊接时间。技术效果
[0023]本专利技术解决了现有连接工艺中：自冲铆接工艺对低延展性材料的铆接开裂难题；采用半空心铆钉的自冲摩擦铆焊工艺中机械锁合成形高度依赖钉腿塑性变形，影响接头一致性和稳定性；采用带外螺纹实心铆钉的摩擦铆焊工艺中螺纹连接成形需采用较低进给速度、连接效率低，无法满足高节拍工业生产需求；此外，现有连接工艺中仅形成内侧或外侧一种机械连接结构、接头表面存在明显凸起等。
[0024]与现有技术相比，本专利技术在大进给速度条件下成形高质量外侧微米级机械连接，因而连接效率高；半空心铆钉排开材料体积少；铆钉腿表面微结构可显著增加铆钉与板材的接触面积，从而增大两者间的摩擦力，对铆钉从板材中拉出/滑出起到更强的阻碍作用；形成的内、外两种机械连接对接头强度起到强化作用，可传递更高的负载且提高接头疲劳性能。
附图说明
[0025]图1本专利技术结构示意图；
[0026]图中：a为铆钉截面形貌，b为钉帽驱动齿形态；
[0027]图2为不同类型的铆钉结构示意图；
[0028]图中：a为实施例1中的铆钉结构；b为具有波浪线微结构铆钉；c为具有梯形微结构铆钉；d为实施例2中的铆钉结构；e为具有不规则分布微结构铆钉；
[0029]图3为实施例1的连接过程示意图；
[0030]图4为实施例2的连接过程示意图；
[0031]图中：铆钉1、驱动头2、压边圈3、上层板4、下层板5、平模6、铆钉头101、铆钉腿102、微结构103、钉帽凹槽104、内凹槽105、驱动齿106。
具体实施方式
实施例1
[0032]本实施例采用的上层板4为2.0mmAA7075
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T6铝合金，下层板5为4.0mmAA7075
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T6铝合金，铆接前不进行表面清理。
[0033]如图1所示，本实施例涉及一种表面带微结构的半空心铆钉1，包括：用于传递扭矩和轴向力的铆钉头101，用于形成机械
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固相连接的铆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面带微结构的半空心铆钉，其特征在于，包括：用于驱动的铆钉头和半空心结构的铆钉腿，该铆钉腿外侧底部通过机械加工、化学加工或物理学加工得到微米级微结构，铆钉腿内侧顶部设有凹槽结构；所述的铆钉腿外侧加工的微米级微结构的长度L2＝K3L1，其中：L1为铆钉腿的长度，K3为控制微结构长度的修正参数。2.根据权利要求1所述的表面带微结构的半空心铆钉，其特征是，所述的铆钉腿的长度L1＝K1T1+K2T2，其中：T1为上层待连接板的厚度，T2为下层待连接板的厚度，K1为考虑材料向上挤出的修正系数，K2为控制铆钉腿插入下层板深度的修正参数。3.根据权利要求1所述的表面带微结构的半空心铆钉，其特征是，所述的铆钉腿的外径为R1，其优选值为1.7mm～4.5mm，通过优化铆钉腿的长度，实现铆钉头与上层板紧密贴合，确保铆钉腿插入下板足够深但并不刺穿。4.根据权利要求1所述的表面带微结构的半空心铆钉，其特征是，所述的机械加工，制备得到的微米级微结构为规则分布，其几何形状为锯齿形、多段圆弧组成的波浪形和梯形等，呈轴对称分布、非螺旋结构；所述的化学加工，采用电化学腐蚀或沉积的方式，所述的物理学加工，采用但不限于喷丸、电火花、激光的方式，制备得到的微米级微结构为不规则分布微结构，其表面粗糙度优选为5μm～120μm范围内。5.根据权利要求1所述的表面带微结构的半空心铆钉，其特征是，所述的铆钉腿内侧的凹槽结构的长度L3＝K4H1，其中：H1为钉腿空腔的深度，K4为控制凹槽...

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