专利名称：一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置及铆接方法
技术领域：
本发明涉及金属材料铆焊技术领域，具体为一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置及铆接方法。
背景技术：
随着经济和社会的发展，能源短缺问题日益突出，节约能源已成为人们最关心的重要问题之一。交通运输车辆使用的能源占据了总能源消耗的很大一部分，车身轻量化是减少汽车能源消耗的一条重要途径。为了减轻车体重量，可以在汽车的设计制造过程中，增加轻金属合金的使用量，如铝合金、镁合金等轻金属合金在汽车工业领域的使用量在不断扩大。连接技术是扩大轻金属合金应用的一项关键技术。目前，轻金属合金板材的连接技术有电阻点焊(Resistance Spot Welding)、搅拌磨擦点焊(Friction Stir Spot Welding)、固态铆接(Solid Riveting)、拉铆接(Blind Riveting)、搅拌磨擦拉铆接(Friction Stir Blind Riveting) 以及自冲铆接(Self-piercing Riveting)等多种(参考文献1 :Dalong Gao, Ugur Ersoy, Robin Stevenson, Pei-Chung Wang. A new one-sided joining process for aluminum alloys: friction stir blind riveting. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2009， 131: 061002-1-12)。由于轻金属合金大多具有高导电、导热性，以及在焊接过程中易于形成氧化层等因素，传统的点焊技术和搅拌磨擦焊技术并不适用于它们的连接；固态铆接和拉铆接则需要预先打孔才能进行铆接，不适合快速的批量化生产；搅拌磨擦拉铆接仍处于研究阶段，目前还难以应用于实际。自冲铆接技术是一种较新的金属板材连接技术，它能克服传统的熔焊技术在连接轻金属合金材料、不同材质板材以及涂有保护层板材时存在的不足(参见参考文献2 XiaocongHej IanPearsonj KenYoung. Self-pierce riveting for sheet materials: State of the art. Journal of materials processing technology. 2008， 199: 27-36)，是一项在车身制造中被广泛应用的机械连接技术。自冲铆接是一个冷变形连接工艺。铆接时，将被铆接板材放在一个内设有锥型凸台的小型模具之上并压紧，由冲头将一个半空心钢质铆钉压入板材，铆钉穿透上层板后进入下层板，并在模具内锥型凸台的作用下使铆钉的空心部分扩张变形，形成机械互锁(参见参考文献2)，在自冲铆接过程中，铆接处的材料要经受很大的局部变形，特别是在下层板的铆接处更是如此。这就要求被铆接的金属材料在常温下要具有一定的塑性和变形能力，否则铆接处将出现开裂而影响接头性能。 例如，使用自冲铆接技术连接变形铝合金板材时，可以获得具有优良剪切和疲劳性能的铆接接头，但在用于连接韧性不高的铸造铝合金和镁合金板材时，则板材很容易发生脆裂而形成裂纹，致使铆接失败。加热可以在一定程度上避免自冲铆接时低韧性板材的脆裂，但是，加热过程不仅增加了铆接时间，而且还要配备加热设备，增加了铆接成本。此外，自冲铆接所使用的模具也要根据所铆接板材的种类及厚度进行调整，只有选择容积及锥型凸台高度合适的模具，才能获得理想的铆接效果。在已公开的中国发明专利申请中，有一项名称为‘自冲磨擦铆焊连接装置(公开号CN101817142A)’的发明专利申请，装置包括可高速旋转的驱动针、压边圈、环形导槽、环形定位弹簧、半空心铆钉和结构类似于自冲铆接技术中使用的中部带有锥型凸台的空腔圆型模具。该自冲磨擦铆焊连接装置的铆焊过程，是通过驱动针插入铆钉头部的凹槽使半空心铆钉旋转进入待铆接板材，铆钉穿透上层板后进入下层板，并在模具内锥型凸台的作用下使铆钉的空心部分向外扩张变形，形成机械互锁，实现铆接，同时，由于磨擦加热的作用， 铆钉与被铆接板材之间也有一定的焊接效果。但这种铆焊方式存在不足，从该技术的铆焊过程可以看出铆钉与被铆接板材之间机械互锁的形成过程(即铆钉在模具内的扩张变形过程)是在铆钉仍处于高速旋转的过程中进行并完成的，而铆钉的高速旋转是通过驱动针插入铆钉头部的凹槽并由驱动针的旋转带动实现的，因此，铆钉旋转的稳定性不高，容易出现摆动。铆钉的微小摆动或者铆钉本身的轴对称性不高时，都将导致铆钉在进入板材的过程中出现搅动现象，使铆钉与被铆接板材之间形成较大的间隙，从而影响板材与铆钉之间的机械互锁效果和焊接效果，最终影响铆接接头的力学性能。由此可见，要利用该铆焊方式获得性能稳定的连接接头，就必须加强铆钉旋转的稳定性和提高铆钉的加工精度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置及铆接方法。本发明的技术方案是
一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置，包括铆接装置和铆钉，它还包括板料压紧环、位于板料压紧环内的可旋转的铆钉夹持装置、铆钉、模具和位于模具孔内的活塞杆；所述板料压紧环为一空心的圆环；所述铆钉包括铆钉本体和铆钉顶头；铆钉本体包括夹持杆、铆钉帽和空心铆钉体；铆钉本体的一头设有铆钉帽，所述铆钉帽上设有夹持杆，所述夹持杆由可旋转的铆钉夹持装置夹持，可随铆钉夹持装置一起高速旋转，所述铆钉帽的下方固定连接有空心铆钉体，所述空心铆钉体中间设有空心部分，空心铆钉体下端内圆周设有楔形面，空心铆钉体下方顶接有铆钉顶头；所述模具为一个圆型活塞孔，所述活塞孔内设有一个活塞杆，活塞杆的头部设有一个圆台型凹坑。铆钉顶头的中部与空心铆钉体下端的楔形面相适配。所述活塞杆头部的圆型凹坑为倒圆台型凹坑。所述铆钉夹持装置分为左右两部分，左右两部分中间各设有一个用于夹持铆钉夹持杆的竖直槽沟。所述铆钉夹持杆的直径不大于空心铆钉体外径的0. 5倍。本发明涉及一种采用上述铆接装置的金属板材搅拌摩擦铆接方法，铆接前，将铆钉夹持于板材压紧环内的铆钉夹持装置上，与板材压紧环相对设有模具，模具的中部设有一个圆形活塞孔，活塞孔内配合设有活塞杆；铆钉包括铆钉本体和铆钉顶头，铆钉顶头的端部插入到铆钉的空心部分，铆钉顶头的中部与空心铆钉体下端的楔形面相适配；
铆接步骤如下
第一步，将待铆接的板材叠加放在模具的上面，适量抽出活塞杆，用铆钉夹具夹上铆
钉；第二步，用板材压紧环将待铆接板材压紧，保证板材与模具位置固定，开动驱动装置， 使铆钉高速旋转，并向下接近被铆接板材，当铆钉接触到板材时，与铆钉一起高速旋转的铆钉顶头与板材发生磨擦，磨擦产生的热量将对被铆接板材实施局部加热，板材材料被软化；
第三步，继续施力，使铆钉穿过上、下板材，并完全进入板材，铆钉的头部及被铆钉顶出的材料进入模具的圆型活塞孔内；
第四步，停止旋转，继续保持施加于铆钉的压力，并立即推动活塞杆向上挤压进入模具的材料及铆钉，在此过程中，铆钉顶头被压入铆钉体内，铆钉的空心部分发生膨胀变形，使铆钉与下板材之间形成机械互锁，从而将被铆接的上、下板材紧紧地连接在一起； 第五步，松开铆钉夹持装置，向上提升材料压紧环及夹持装置； 最后，将铆钉的夹持杆切除，形成最终的铆接接头。所述铆接步骤第二、三步中铆钉旋转时的旋转速度不低于2000转/min。在借鉴了自冲铆接技术机械连接机理的基础上，本发明设计了一种新型铆钉，通过铆钉的高速旋转，使其与被铆接板材之间形成摩擦，利用摩擦产生的热量软化被铆接板材，降低铆钉的给进阻力，使铆钉在较小压力的作用下刺穿被铆接板材，并在本发明所涉及的活塞式模具及活塞杆的顶压下，使铆钉与被铆接板材之间形成机械互锁，实现对轻金属合金板材的机械连接。本发明所涉及的铆钉包括夹持杆、铆钉帽、铆钉体及顶头。使用这种结构的铆钉有如下优点首先，铆钉采用夹持杆，在铆钉夹持装置的夹持下高速旋转，可使铆钉的旋转更加稳定可靠，不会发生铆钉与铆钉夹具脱落的情况；其次，在铆钉完全进入被铆接板材后停止旋转，此后在活塞杆的顶压下，铆钉顶头进入铆钉体内，使铆钉的空心部分扩张变形， 形成机械互锁，由于互锁的形成过程是在铆钉静止的状态下完成的，因此，铆钉与被铆接板材之间不会出现间隙，二者结合紧密；第三，顶头进入铆钉体后，将铆钉的空心部分完全填满，由于顶头材料的强度较高，它对已扩张变形的铆钉体有很强地支撑作用，在外力作用下，不易收缩变形，因而，铆钉与被铆接板材之间的机械互锁更加可靠，铆接效果更好。
图1是本发明铆钉的结构示意图； 图2是本发明铆接前的状态示意图； 图3是本发明的工作步骤原理图4是铆接后接头的示意图。
具体实施例方式本发明铆接方法所用的钢质铆钉如图1所示，包括铆钉本体和铆钉顶头4，铆钉本体包括夹持杆11、铆钉帽12、空心铆钉体13，从上到下依次连接。铆钉帽12的直径等于空心铆钉体13外径的两倍；夹持杆11用于夹持铆钉，使铆钉能与驱动装置的转轴一起高速旋转，夹持杆11的直径不大于空心铆钉体13外径的0. 5倍，以便于夹持和加工，在铆接过程完成后将其切除；铆钉帽12用于在夹持铆钉时向上顶住驱动装置上的铆钉夹具，以免在铆接施力时铆钉向上滑动，并且在铆接完成后，在接头上起紧固作用；空心铆钉体13中间为空心部分15，底部一周为楔形面；铆钉顶头4与空心铆钉体13之间结合相对紧密，可随空心铆钉体13 —起高速旋转。铆钉顶头4包括顶端和头部，顶端直径等于空心铆钉体的内径，可放入铆钉体的空心部分15内，且与空心部分15顶部有一定间距。铆钉顶头4的中部为一圈倾斜面，与空心铆钉体13底部的楔形面适配且顶压在一起；铆钉顶头4的头部的直径与铆钉体的外径相等，其长度以在外力挤压下可完全进入铆钉体的空心部分为宜。由于顶头4的头部直径大于空心铆钉体13的内径，在其进入空心铆钉体的过程中，可导致空心铆钉体13发生膨胀变形，使铆钉与被铆接板材之间形成机械互锁。此外，铆钉顶头4在进入铆钉体后，可将铆钉体的空心部分15完全填满或只留很小间隙。如图2所示的是本发明铆接前的状态示意图。从上到下依次为铆钉夹具1、板材压紧环2、铆钉3 ；被铆接的上板材5和下板材6、中部设有一个圆型活塞孔的钢质模具7 ；头部有一圆型凹槽16的钢质活塞杆8。铆接装置的驱动装置包括转轴，转轴端部连接有铆钉夹具1。铆钉夹具1分为左右两部分，其下端端部为倒棱台形，左右两部分中间各设有一个竖直槽沟，两部分分开时，可将铆钉帽12上的夹持杆11放入槽沟，两部分合上时，可将夹持杆11夹紧。本实施例的工作过程如图3 (a) (d)所示，具体的铆接过程如下
第一步，将被铆接板材5和6放在模具7的上面，适量抽出活塞杆8 ；同时，用铆钉夹具 1夹上铆钉3 ；
第二步，用板材压紧环2将上板材5和下板材6压紧。开动驱动装置，使铆钉3高速旋转，铆钉旋转速度应不低于2000转/分。如果采用更高的旋转速度，对提高摩擦生热效果， 有效软化被铆接板材，缩短铆接时间有利。向下接近上板材5，当铆钉3接触到上板材5时， 与铆钉本体一起高速旋转的铆钉顶头4与上板材5磨擦产生的热量将对上板材5和下板材 6实施局部加热，板材材料被软化；
第三步，继续施力，使铆钉3刺穿上板材5和下板材6，并完全进入上板材5和下板材 6，铆钉3的头部及被铆钉3顶出的材料进入模具7的圆型活塞孔内；
第四步，停止旋转，继续保持施加于铆钉3的压力，并立即推动活塞杆8向上挤压进入模具7的材料及铆钉3，在此过程中，铆钉顶头4被压入空心铆钉体13内，使空心铆钉体13 发生膨胀变形，并在铆钉3与下板材6之间形成机械互锁，从而将被铆接的上板材5和下板材6紧紧地连接在一起。铆钉3在进入板材的过程中，本身也已经被加热，因此，将铆钉顶头4压入空心铆钉体13所需压力的不大；与此同时，进入活塞孔内的材料受活塞杆8的挤压，由于钢质活塞杆8头部有一圆型凹槽16，使材料形成一个经模具7及圆型凹槽16塑形的铆接帽。由于摩擦热的作用，进入模具7的材料温度较高，也就是说，这些材料在模具7 中的变形过程是在加热的情况下进行的，因此，即使被铆接的是低韧性的金属板材，一般也不会出现因变形而导致的脆裂现象。最后，将铆钉3的夹持杆切除，形成最终的铆接接头，如图4所示。
权利要求
1.一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置，包括铆接装置和铆钉，其特征在于它还包括板料压紧环、位于板料压紧环内的可旋转的铆钉夹持装置、铆钉、模具和位于模具孔内的活塞杆；所述板料压紧环为一空心的圆环；所述铆钉包括铆钉本体和铆钉顶头；铆钉本体包括夹持杆、铆钉帽和空心铆钉体；铆钉本体的一头设有铆钉帽，所述铆钉帽上设有夹持杆，所述夹持杆由可旋转的铆钉夹持装置夹持，可随铆钉夹持装置一起高速旋转，所述铆钉帽的下方固定连接有空心铆钉体，所述空心铆钉体中间设有空心部分，空心铆钉体下端内圆周设有楔形面，空心铆钉体下方顶接有铆钉顶头；所述模具为一个圆型活塞孔，所述活塞孔内设有一个活塞杆，活塞杆的头部设有一个圆台型凹坑。
2.根据权利要求1所述的轻金属板材搅拌摩擦铆接装置，其特征在于铆钉顶头的中部与空心铆钉体下端的楔形面相适配。
3.根据权利要求2所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述活塞杆头部的圆型凹坑为倒圆台型凹坑。
4.根据权利要求2所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述铆钉夹持装置分为左右两部分，左右两部分中间各设有一个用于夹持铆钉夹持杆的竖直槽沟。
5.根据权利要求2所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述铆钉夹持杆的直径不大于空心铆钉体外径的0. 5倍。
6.根据权利要求1所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述活塞杆头部的圆型凹坑为倒圆台型凹坑。
7.根据权利要求1所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述铆钉夹持装置分为左右两部分，左右两部分中间各设有一个用于夹持铆钉夹持杆的竖直槽沟。
8.根据权利要求1所述的金属板材的搅拌摩擦铆接装置，其特征在于所述铆钉夹持杆的直径不大于空心铆钉体外径的0. 5倍。
9.一种采用权利要求1-8任一所述铆接装置的金属板材搅拌摩擦铆接方法，其特征在于铆接前，将铆钉夹持于板材压紧环内的铆钉夹持装置上，与板材压紧环相对设有模具， 模具的中部设有一个圆形活塞孔，活塞孔内配合设有活塞杆；铆钉包括铆钉本体和铆钉顶头，铆钉顶头的端部插入到铆钉的空心部分，铆钉顶头的中部与空心铆钉体下端的楔形面相适配；铆接步骤如下第一步，将待铆接的板材叠加放在模具的上面，适量抽出活塞杆，用铆钉夹具夹上铆钉；第二步，用板材压紧环将待铆接板材压紧，保证板材与模具位置固定，开动驱动装置， 使铆钉高速旋转，并向下接近被铆接板材，当铆钉接触到板材时，与铆钉一起高速旋转的铆钉顶头与板材发生磨擦，磨擦产生的热量将对被铆接板材实施局部加热，板材材料被软化；第三步，继续施力，使铆钉穿过上、下板材，并完全进入板材，铆钉的头部及被铆钉顶出的材料进入模具的圆型活塞孔内；第四步，停止旋转，继续保持施加于铆钉的压力，并立即推动活塞杆向上挤压进入模具的材料及铆钉，在此过程中，铆钉顶头被压入铆钉体内，铆钉的空心部分发生膨胀变形，使铆钉与下板材之间形成机械互锁，从而将被铆接的上、下板材紧紧地连接在一起；第五步，松开铆钉夹持装置，向上提升材料压紧环及夹持装置； 最后，将铆钉的夹持杆切除，形成最终的铆接接头。
10.根据权利要求9所述的金属板材的搅拌摩擦铆接方法，其特征在于所述铆接步骤第二、三步中铆钉旋转时的旋转速度不低于2000转/min。
全文摘要
一种轻金属板材的搅拌摩擦铆接装置，包括铆接装置和铆钉，它还包括板料压紧环、位于板料压紧环内的可旋转的铆钉夹持装置、铆钉、模具和位于模具孔内的活塞杆；所述板料压紧环为一空心的圆环；所述铆钉包括铆钉本体和铆钉顶头；铆钉本体包括夹持杆、铆钉帽和空心铆钉体。通过铆钉的高速旋转，使其与被铆接板材之间形成摩擦，利用摩擦产生的热量软化被铆接板材，降低铆钉的给进阻力，使铆钉在较小压力的作用下刺穿被铆接板材，并在本发明所涉及的活塞式模具及活塞杆的顶压下，使铆钉与被铆接板材之间形成机械互锁，实现对轻金属合金板材的机械连接。
文档编号B21J15/04GK102248112SQ20111015580
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘忠侠, 王培中, 王明星, 韩高锟 申请人:通用汽车环球科技运作有限公司, 郑州大学