机械-固相复合连接装置及其连接方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机械-固相复合连接装置，压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，压边圈内套接驱动针，若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置。本发明专利技术还公开了其连接方法，用若干个弹簧圆片定位机构实现半空心铆钉的精确定位和稳定驱动，提高工艺稳定性和可靠性;用半空心铆钉代替实心搅拌针，降低铆接力，提高连接效率，消除搅拌摩擦点焊的工艺凹孔同时，实现机械-固相双重连接，提高接头的静动态力学性能。该方法不仅可以应用于铝、镁等轻合金的连接，还可以应用于复合材料、塑料等非金属材料的连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种轻量化材料单点连接
的方法，具体是一种。
技术介绍
汽车工业中使用最广泛的车身板件装配工艺是电阻点焊，这种连接工艺具有生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点。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、较大的导热系数和比热容、较大的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，国内外提出了无铆钉铆接(Clinching)、半空心铆钉自冲铆 接(Self-Piercing Riveting,简称SPR)以及搅拌摩擦点焊(Friction StirSpot Welding，简称FSSW)等自动化程度较高的方法。其中clinching与SPR是车身制造中应用最广泛的机械冷连接技术，可以有效避免异质材料熔化焊时的一系列问题，可实现冲孔和铆接工艺的一体化。但是clinching接头的静动态强度较低，只能应用于对强度要求不高的发动机罩和后行李箱盖等非承载构件的连接，适用范围小。SPR方法在连接韧性材料时可以获得静动态力学性能良好的接头，然而在铆接铸铝、镁、复合材料等韧性差的轻合金材料时容易产生裂纹甚至脆裂，致使接头失效。FSSW是通过搅拌头的搅拌运动和摩擦生热导致连接板件之间分子扩散和再结晶而实现固相连接的一种焊接工艺，由于接头形成温度低，可以有效控制金属间化合物的厚度。然而，该工艺完成后残留的工艺孔会削弱接头强度，同时相较于电阻点焊，其工艺耗时长，降低了车身板件批量化生产的效率，从而影响了该工艺在汽车工业中的规模应用。经过对现有技术的检索发现，中国专利技术专利，公开号:CN101468421，名称:一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法，该方法通过实心刚性铆钉替代搅拌摩擦点焊的搅拌针，从而消除搅拌摩擦点焊的工艺孔；通过钉颈小于钉盖和钉底使得软化的金属可以流入钉颈部分实现铆钉与工件的机械连接。然而，作为一种实心铆钉，为了软化和排开金属，需要更大的铆接力和更长的铆接时间，对设备提出了较高的要求，增加了设备成本，并导致连接效率显著降低，从而限制了该工艺的规模应用。欧洲专利技术专利，公开号:EP2329905A1，名称:Methodfor joining metal and plastic workpieces,由德国GKSS石开究中心的Sergio Amancio教授提出，该方法采用一个实心的金属棒旋转插入拟连接的材料，通过高温摩擦热使棒料在铆入过程中产生墩粗大变形，从而在材料中形成自锁。然而，这种方法难以实现对棒料变形的引导和控制。另有美国专利，公开号:US2011073634-A1，由美国杨百瀚大学的Μ.P.Miles教授提出的Friction bit joining工艺,该方法通过一个带有轴肩的实心钉子插入上层板，钉子与下层板之间形成固相连接，然后通过把上层板卡在轴肩之下形成机械连接。其存在的主要问题是实心铆钉在排开上层金属时，需要较大的铆接力和较长的时间。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种，该，以自冲铆接工艺的机械连接为基础，引入搅拌摩擦点焊工艺的固相连接机制，通过铆钉高速旋转产生摩擦热，降低铆接力的同时大大提高材料延伸率，解决了脆性金属铆接裂纹的问题；通过半空心铆钉替代实心搅拌针，降低进给阻力，加速工艺过程，解决了摩擦点焊效率低和残留工艺孔问题，并最终实现接头的机械-固相双重连接。本专利技术是通过以下技术方案实现的。—种机械-固相复合连接装置，包括驱动针、压边圈、若干个弹簧圆片定位机构、半空心铆钉和凹模，所述压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，所述压边圈内套接驱动针，所述若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，所述半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，所述驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置；所述弹簧圆片定位机构包括:定位圆片、弹簧和筒体，其中筒体设置于压边圈内，弹簧的一端与简体的内底相连，弹簧的另一端与定位圆片相接触，所述定位圆片与压边圈铰接，所述定位圆片上半部分设有内滑槽；所述半空心铆钉包括:铆钉头和铆钉腿，其中:铆钉头的中心设有螺纹凹槽，驱动针末端的螺柱凸台和铆钉头的螺纹凹槽相啮合；铆钉头下端设有铆钉腿，铆钉头的直径大于铆钉腿外径，铆钉腿的末端是具有圆弧倒角的楔形；所述铆钉头的外侧设有与定位圆片上半部分的内滑槽相啮合的外滑槽。所述压边圈设有环形凹槽，所述弹簧圆片定位机构为3 5个，所述3 5个弹簧圆片定位机构沿圆周等间距分布于环形凹槽内。所述定位圆片上端通过铰链与压边圈相连。所述筒体底部设有标准内六角沉孔，方便弹簧圆片定位机构的安装；所述简体外部以及所述压边圈内部设有相互适配的螺纹。所述铆钉头的下端面与铆钉腿的外壁之间的夹角大于等于90°。所述凹模设有凸起，所述凸起为光滑过度的圆锥形或圆柱形。所述驱动针、压边圈以及凹模采用高温合金材料，并采用渗碳渗氮热处理工艺提高表面耐磨性。所述半空心铆 钉为镍基合金、钴基合金或硼处理中碳钢等材料。所述半空心铆钉的表面设有(Γ20 μ m的锌、锡、铜或铝基合金镀层。一种机械-固相复合连接方法，利用上述机械-固相复合连接装置，包括如下步骤:步骤I，将半空心铆钉竖直置于压边圈内，使得铆钉头的外滑槽与定位圆片的内滑槽相互啮合接触，同时将板件放置于压边圈和凹模之间，驱动压边圈将板件压紧；步骤2，启动驱动针旋转进给，引导驱动针的螺柱凸台与铆钉头的螺纹凹槽相互啮合，并继续推动铆钉旋转进给直至铆钉接触板件上表面；步骤3，根据工艺需求增加驱动针转速并降低进给速度，板件在摩擦热的作用下局部升温并适当软化，使得半空心铆钉顺利压入板件并刺穿上层板，同时保持机械连接所需的初始扩张；步骤4，在凹模的作用下，不断旋转下降的半空心铆钉腿部向外扩张并推动板件压入凹模的空腔且逐渐与板件形成机械互锁连接；步骤5，半空心铆钉轴向进给行程完成后，驱动针驱动半空心铆钉在原位旋转一定时间，然后瞬间急停，使半空心铆钉与板件各接触界面间形成静态接触，以形成固相连接；步骤6，驱动针反向旋转退出半空心铆钉的螺纹凹槽，与压边圈同时退回初始工位，接头冷却，机械-固相复合连接接头形成。所述步骤4中，进一步增加驱动针转速以增加全工艺过程中摩擦热的累积，为后续固相连接的形成提供热扩散条件。所述步骤5中，半空心铆钉在原位旋转一定时间为大于等于Os小于等于5s。本专利技术相比现有技术具有以下优点:本专利技术通过引入半空心铆钉的旋转自由度，利用铆钉高速旋转产生的摩擦热软化材料，提升材料的延伸率，避免了脆性金属铆接时的铆接裂纹；通过用半空心铆钉代替实心搅拌针，进一步降低了铆接力，提高了连接效率，而且消除了搅拌摩擦点焊的工艺凹孔，有效提高了接头强度，实现了机械-固相双重连接，大大提高了接头的静动态力学性能，通过设计若干个弹簧圆片定位机构，实现了半空心铆钉的稳定驱动和精确定位，大大提高了工艺的稳定性和可靠性。该工艺不仅可以应用于铝、镁等轻合金的连接，还可以应 用于复合材料、塑料等非金属材料的连接。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1是本专利技术提供的机械-固相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械?固相复合连接装置，其特征在于，包括驱动针、压边圈、若干个弹簧圆片定位机构、半空心铆钉和凹模，所述压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，所述压边圈内套接驱动针，所述若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，所述半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，所述驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置;所述弹簧圆片定位机构包括:定位圆片、弹簧和筒体，其中筒体设置于压边圈内，弹簧的一端与筒体的内底相连，弹簧的另一端与定位圆片相接触，所述定位圆片与压边圈铰接，所述定位圆片上半部分设有内滑糟;所述半空心铆钉包括:铆钉头和铆钉腿，其中:铆钉头的中心设有螺纹凹糟，驱动针末端的螺柱凸台和铆钉头的螺纹凹糟相啮合;铆钉头下端设有铆钉腿，铆钉头的直径大于铆钉腿外径，铆钉腿的末端是具有圆弧倒角的楔形;所述铆钉头的外侧设有与定位圆片上半部分的内滑糟相啮合的外滑槽。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永兵，楼铭，李亚庭，魏泽宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：