专利名称：环形电致塑性自冲铆接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械工程技术领域的铆接装置，具体是一种环形电致塑性自 冲铆接系统。
背景技术：
近年来，随着石油资源的日益减少和环境污染的不断加剧，以提升汽车燃油经济 性和环保性能为目标的汽车车身轻量化成为汽车工业发展的大势所趋。镁、铝等有色合金 材料以及先进高强钢等新型轻质材料的应用自然成为车身轻量化的重要手段。然而镁、铝 等有色合金材料导热性好、导电率高且易与铜发生合金化反应，同时上述有色合金与先进 高强钢的熔点和热膨胀系数差异巨大以及熔焊时易形成硬而脆的金属间化合物，因此，采 用传统电阻点焊方法难以形成有效接头。针对上述问题，国外提出了一种利用材料的塑性大变形而在铆钉与待连接工件之 间形成牢固互锁的机械冷成形工艺——半空心铆钉自冲铆接(Self-piercing riveting, 简称SPR)。该工艺切实有效地避免了因熔化焊时大量热量的输入而引发的一系列问题，同 时其冲、铆一体化的特点为快速生产和实现大批量流水线制造创造 了有利条件。然而，这种 连接工艺的接头成形性能及其综合连接质量大多取决于下层板的延伸率和强度，在铆接上 述有色合金与高强钢时这种特点尤为突出。当下层板为铝、镁等有色合金时，由于其材料延 展率往往较低，铆接后因变形量过大容易诱生裂纹降低接头疲劳性能，有的甚至发生脆裂， 直接导致接头失效；而当下层板为高强钢时，由于其强度高(一些先进高强钢的屈服强度 甚至大于IOOOMpa)，铆接时材料的变形抗力较大，塑性变形困难，一方面增加了对设备冲铆 能力、铆枪C型框架刚度以及铆钉强度的要求，增加了生产成本；另一方面，变形困难的先 进高强钢板使得接头成形性能较差，直接导致接头连接质量不高。金属塑性变形的微观机理表明，塑性变形的实质是大量位错的产生和运动，由于 位错的运动和相互间的作用，在塑性变形过程中，将产生位错的缠结和位错与第二相及晶 体缺陷的反应等现象，从而阻碍了位错的运动，形成加工硬化，使塑性变形难以继续。然而， 已有研究结果表明材料(尤其是金属材料)在运动电子(电流或电场)的作用下会发生变 形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象，即电致塑性效应。因此可以在金属塑性加工过程 中，在其变形方向上施加高密度电流，从而在金属内部形成由运动电子产生的电子风，电子 风推动金属位错的运动并克服运动中的障碍，减轻了金属的加工硬化现象，降低了变形抗 力，使其更容易发生塑性变形，成形性能得到大大提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种环形电致塑性自冲铆接系统。本 发明在改进现有技术的基础上融入了环形电致塑性系统，解决了上述合金板件铆接时接头 底部易产生径向裂纹甚至发生脆裂的问题，降低了铆接先进高强钢时的塑性变形抗力，一 方面，降低了对设备冲铆能力、铆枪C型框架刚度以及铆钉强度的要求，减少了生产成本，另一方面，改善了铆接先进高强钢板时的接头成形性能，提升了接头的综合连接质量。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括动力与控制柜、伺服动力系统、位移传感器、压力传感器、铆接执行机 构以及环形电致塑性系统，其中动力与控制柜与伺服动力系统相连接，提供电流动力，同 时也为其提供运动位移、速度、启动点和停止点等的控制信号以完成预设的各种铆接工序； 环形电致塑性系统与铆接执行机构相连接，为电致塑性效应提供可控直流电；所述的伺服动力系统包括伺服电机和丝杠螺母机构，伺服电机与动力与控制柜连 接接受动力与控制柜控制，伺服电机的输出端与丝杠螺母机构相连接实现动力传递。
所述的位移传感器串接于丝杠螺母机构下方，将采集的丝杠转速信息转换成铆接 速度信息；压力传感器串接于铆接执行机构上方，采集来自该机构的力反馈信息。所述的位移传感器和压力传感器分别通过信号线与环形电致塑性系统连接，并发 送两个传感器的电信号。所述的环形电致塑性系统包括环形电刷、导电杆以及可控直流电源组成，其中环 形电刷和导电杆通过导线分别于可控直流电源的正极和负极相连。所述的可控直流电源分别连接位移传感器和压力传感器，接受来自位移传感器和 压力传感器的原始电信号，该信号经过放大滤波后转换成相应的位移和力实时数字信号， 通用该实时信号并依照工序开始前设定的阀值对可控直流电源电流的输出进行控制。所述的铆接执行机构包括驱动杆、压边圈、若干个弹簧珠子定位机构以及凹模。其 中压边圈、待连接板件和凹模依次由上而下设置，驱动杆套接于压边圈内，若干个弹簧珠 子定位机构沿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珠子定位 机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置。所述的压边圈的底部的外边缘设有环形凸台以确保压边圈下压时待连接板件与 环形电刷接触良好。所述的弹簧珠子定位机构与压边圈为螺纹连接，该定位机构包括内六角沉孔、弹 簧和定位珠子，其中弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连接。所述的定位珠子为一端呈半球状的弹头结构。所述的凹模为上下两圆柱台固连的结构，其上圆柱台直径小于下圆柱台，上圆柱 台正中设有倒圆锥台状空腔，该空腔的四周设有圆弧倒角，空腔底部中心设有“T”字形通孔 与下圆柱台另一侧正中心的圆柱形沉孔相连。所述的导电杆通过绝缘垫片和绝缘螺母与凹模紧固连接，同时导电杆头部与“T” 字形通孔的大径部分相配合以保证密封性与对中性。所述的导电杆头部为光滑过度的圆锥体，确保板件在变形过程中始终与导电杆接 触良好。所述的环形电刷与上圆柱台柱体外表面通过螺纹进行连接，同时确保环形电刷上 表面与上圆柱台的上表面平齐。所述的环形电刷直径大于下圆柱台直径，其下表面超出下圆柱台直径的部分沿周 向均勻布置有多根导线以保证通电时电流均勻流通。所述的导电杆和环形电刷均由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金制成。所述的驱动杆、压边圈以及凹模均由高强度绝缘材料或表面涂有绝缘涂料的钢材制成。本发明通过以下方式进行工作将半空心铆钉与待连接板件分别放置于压边圈内弹簧珠子定位机构和凹模之上；驱动压边圈将待连接板件压紧；启动驱动杆向下推动半空 心铆钉逐渐压入板件，当铆钉的工作行程达到上层板件的厚度(该厚度即为指示可控直流 电源启动的位移信号阀值)时，环形电刷与导电杆之间直流电导通；随着冲铆过程的继续， 下层板件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更加容易发生塑性变形，既减小了铆 接力，同时还使得板料更易进入凹模空腔并与张开的半空心铆钉腿部形成机械互锁；冲铆 完成后，驱动杆与压边圈开始退回初始工位，此时以力值骤然下降的点为力信号阀值控制 直流电源关闭，环形电致塑性自冲铆接完成。本发明相比现有技术具有以下优点环形电致塑性系统相对独立于传统的自冲铆 接系统，因此可以不受传统自冲铆接设备类型的限制而方便的改造成环形电致塑性自冲铆 接系统，同时基于上述系统，本发明合理利用材料的电致塑性效应，通过在自冲铆接过程中 在材料变形方向上对其施加电流，使得材料更易发生塑性变形，一方面增加了脆性轻质合 金材料的延展性，有效避免了铆接裂纹及脆裂的发生；另一方面降低了铆接先进高强钢时 的铆接力，解决了铆钉墩粗和因压应力过大而在铆钉腿部出现裂纹的现象，而且由于提高 了高强钢的塑性变形能力，使得铆钉与板件更易形成牢固的机械互锁，改善了铆接高强钢 时接头的连接质量。
图1为本发明结构示意图。图2为铆接执行机构示意图。图3为凹模结构示意图；其中(a)不含环形电刷和导电杆的凹模结构示意图，(b)为含环形电刷和导电杆 的凹模装配示意图。图4为环形电刷结构示意图。图5为实施例工艺流程图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1如图1所示，本实施例包括动力与控制柜1、伺服动力系统2、位移传感器3、压力 传感器4、铆接执行机构5以及环形电致塑性系统6，其中动力与控制柜1与伺服动力系统 2相连接，环形电致塑性系统6与铆接执行机构5相连接；所述的伺服动力系统2包括伺服电机7和丝杠螺母机构8，伺服电机7与动力与控 制柜1连接接受动力与控制柜控制，伺服电机7的输出端与丝杠螺母机构8相连接实现动 力传递。所述的位移传感器3串接于丝杠螺母机构8下方，将采集的丝杠转速信息转换成铆接速度信息；压力传感器4串接于铆接执行机构5上方，采集来自该机构的力反馈信息。所述的位移 传感器3和压力传感器4分别通过信号线与环形电致塑性系统6连 接，并发送两个传感器的电信号。所述的环形电致塑性系统6包括环形电刷9、导电杆10以及可控直流电源11组 成，其中环形电刷9和导电杆10通过导线12分别于可控直流电源11的正极和负极相连。如图2所示，所述的铆接执行机构5包括驱动杆13、压边圈14、4个弹簧珠子定位 机构15以及凹模17。其中压边圈14、待连接板件18和凹模17依次由上而下设置，驱动 杆13套接于压边圈14内，4个弹簧珠子定位机构15沿径向水平分布于压边圈14内，半空 心铆钉16竖直置于压边圈14内并与弹簧珠子定位机构15相接触，驱动杆13、压边圈14、 半空心铆钉16和凹模17同轴设置。所述驱动杆13的杆体直径为7. 8mm。所述的压边圈14的底部自外缘而内设有宽度为4. 4mm，高度为0. 2mm的环形凸台 19以确保压边圈14下压时待连接板件18与环形电刷9接触良好。所述的弹簧珠子定位机构15共4个且分别沿径向以90°等分均布设置于距压边 圈14下表面8mm处，该定位机构15包括内六角沉孔20、弹簧21和定位珠子22，其中弹 簧21的两端分别与内六角沉孔20和定位珠子22相连接。所述的定位珠子22为一端呈半球状的圆柱体，柱体直径(半球直径)1. 6mm,长度 1. 2mm。如图3(a)所示，所述的凹模17为上下两圆柱台固连的结构，其上圆柱台23直径 为13. 2mm,高度为3mm，下圆柱台24直径为20mm，上圆柱台23正中设有深度为2mm，底部直 径为8. 7mm，锥角为20°的倒圆锥台状空腔，该空腔的四周设有半径为Imm的圆弧倒角，空 腔底部中心设有大径为5. 4mm,高0. 5mm,小径为3. 2mm,高3mm的“T”字形通孔与下圆柱台 24另一侧正中心直径为9mm的圆柱形沉孔相连。如图3(b)所示，所述的导电杆10的杆体直径为2. 6mm，头部为顶部过度半径 1. 8mm，锥角为96°的圆锥体，确保板件18在变形过程中始终与导电杆10接触良好。所述的导电杆10通过绝缘垫片25和绝缘螺母26与凹模17紧固连接，同时导电 杆10头部与“T”字形通孔的大径部分相配合以保证密封性与对中性。所述的环形电刷9与上圆柱台23柱体外表面的高度相同且通过螺纹进行连接，确 保装配时环形电刷9上表面与上圆柱台23的上表面平齐。如图4所示，所述的环形电刷9外径为24mm，内径为13. 2mm，其下表面超出下圆柱 台24直径的部分沿周向均勻布置有8根导线12以保证通电时电流均勻流通。所述的环形电刷9和导电杆10均由镍硅铜合金制成。所述的驱动杆13、压边圈14以及凹模17均由高强度绝缘材料制成。本实施例中的待连接板件18为铝合金AA6061-T6+铸铝A356-T6，即铝合金在 上，铸铝在下，板件厚度匹配2mm+3mm。本实施例中的半空心铆钉16采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7. 8mm, 腿部外径为5. 3mm，铆钉长度为7mm，其材质为硼处理中碳钢。工艺参数驱动杆13的冲击速度为lOOmm/min，冲击行程为7mm，可控直流电源11 的通电电流为1000A。
本实施例的工艺流程如图5(a) (e)所示，将半空心铆钉16与待连接板件18分 别放置于压边圈14内弹簧珠子定位机构15和凹模17之上；驱动压边圈14将待连接板件 18压紧；启动驱动杆13向下推动半空心铆钉16逐渐压入板件18，当铆钉16的工作行程达 到预先设定的位移信号阀值2mm时，可控直流电源11自动开启，环形电刷9与导电杆10之 间直流电导通；随着冲铆过程的继续，下层板件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向 上更加容易发生塑性变形，既减小了铆接力，同时还使得板料更易进入凹模17空腔并与张 开的半空心铆钉16腿部形成高质量机械互锁；冲铆完成后，驱动杆13与压边圈14开始退 回初始工位，此时以力值骤然下降的点为力信号阀值控制直流电源11关闭，环形电致塑性 自冲铆接完成。
实施例2本实施例的实施条件和工艺流程参照实施例1 ；本实施例中的待连接板件18为 铝合金AA6061-T6+高强钢DP780，即铝合金在上，高强钢在下，板件厚度匹配2mm+l. 4mm。本实施例中的半空心铆钉16采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7. 8mm, 腿部外径为5. 3mm，铆钉长度为7mm，其材质为硼处理中碳钢。工艺参数驱动杆13的冲击速度为120mm/min，冲击行程为7mm，可控直流电源11 的通电电流为600A。上述两个实施例具有显著的有益的效果上述实施例通过在自冲铆接过程中在材料变形方向上对其施加电流，使得材料更 易发生塑性变形，增加了脆性轻质合金材料的延展性，降低了铆接先进高强钢时的铆接力， 解决了在铆钉腿部出现裂纹的现象，减少了生产成本，改善了铆接高强钢时接头的连接质量。
权利要求
一种环形电致塑性自冲铆接系统，其特征在于，包括动力与控制柜、伺服动力系统、位移传感器、压力传感器、铆接执行机构以及环形电致塑性系统，其中动力与控制柜与伺服动力系统相连接；环形电致塑性系统与铆接执行机构相连接；所述的位移传感器串接于丝杠螺母机构下方，将采集的丝杠转速信息转换成铆接速度信息；压力传感器串接于铆接执行机构上方，采集来自该机构的力反馈信息；所述的伺服动力系统包括伺服电机和丝杠螺母机构，伺服电机与动力与控制柜连接接受动力与控制柜控制，伺服电机的输出端与丝杠螺母机构相连接实现动力传递；所述的位移传感器和压力传感器分别通过信号线与环形电致塑性系统连接，并发送两个传感器的电信号。
2.根据权利要求1所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的环形电致塑 性系统包括环形电刷、导电杆以及可控直流电源，其中环形电刷和导电杆通过导线分别于 可控直流电源的正极和负极相连。
3.根据权利要求2所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的导电杆通过 绝缘垫片和绝缘螺母与凹模紧固连接，同时导电杆头部与“T”字形通孔的大径部分相配合 以保证密封性与对中性。
4.根据权利要求2所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的可控直流电 源分别连接位移传感器和压力传感器，接受原始电信号，经放大滤波转换成位移和力实时 数字信号，对可控直流电源电流的输出进行控制。
5.根据权利要求1所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的铆接执行机 构包括驱动杆、压边圈、若干个弹簧珠子定位机构以及凹模，其中压边圈、待连接板件和 凹模依次由上而下设置，驱动杆套接于压边圈内，若干个弹簧珠子定位机构沿径向水平分 布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边 圈、半空心铆钉和凹模同轴设置。
6.根据权利要求5所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的压边圈的底 部的外边缘设有环形凸台。
7.根据权利要求5所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的弹簧珠子定 位机构包括内六角沉孔、弹簧和定位珠子，弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连 接。
8.根据权利要求5所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的凹模为上下 两圆柱台固连的结构，其上圆柱台直径小于下圆柱台，上圆柱台正中设有倒圆锥台状空腔， 该空腔的四周设有圆弧倒角，空腔底部中心设有“T”字形通孔与下圆柱台另一侧正中心的 圆柱形沉孔相连。
9.根据权利要求8所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的凹模中的上 圆柱台柱体外表面与环形电致塑性系统中的环形电刷通过螺纹进行连接，同时环形电致塑 性系统中的环形电刷上表面与凹模中的上圆柱台的上表面平齐。
10.根据权利要求8所述的环形电致塑性自冲铆接系统，其特征是，所述的凹模中的下 圆柱台直径小于环形电致塑性系统中的环形电刷，环形电致塑性系统中的环形电刷下表面 超出凹模中的下圆柱台直径的部分沿周向均勻布置有多根导线。
全文摘要
一种铆接技术领域的环形电致塑性自冲铆接系统，动力与控制柜、伺服动力系统、位移传感器、压力传感器、铆接执行机构以及环形电致塑性系统，其中动力与控制柜是为由伺服电机和丝杠螺母机构组成的伺服动力系统提供电流动力，同时也为其提供运动位移、速度、启动点和停止点等的控制信号以完成预设的各种铆接工序；位移传感器和压力传感器串接于伺服动力系统和铆接执行机构之间以采集相应的实时信号；环形电致塑性系统与铆接执行机构相连为电致塑性效应提供可控直流电。本发明解决了脆性硬质有色合金板件铆接时接头底部易产生径向裂纹甚至发生脆裂的问题，并有效降低了铆接先进高强钢时的塑性变形抗力，提升了接头的综合连接质量。
文档编号B21J15/38GK101934337SQ20101028897
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者李永兵, 来新民, 林忠钦, 楼铭, 陈关龙 申请人:上海交通大学