一种金属管材与板材间的塑性连接方法及装置与流程

本发明属于材料连接技术领域，具体涉及一种金属管材与板材间的塑性连接方法及装置。

背景技术：

在现代工业中，管材类零件和板材类零件在制造业中应用广泛。传统的板材与管材的连接主要采用焊接工艺，但是存在着生产效率较低，重复性不好，污染环境等缺点。另外，对于焊接性差的材料，采用焊接的方式难以实现管材与板材之间的连接。

技术实现要素：

为了解决上述缺陷，本发明提供了一种金属管材与板材间的塑性连接方法及装置，该连接方法操作简单、可靠性高、实用性强；实现该连接方法的连接装置结构简单、复合程度高、生产效率高、成本低、对环境友好、适合大批量生产。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种金属管材与板材间的塑性连接的方法，包括以下步骤：

1)在壁厚为t1的管材内壁加工若干圈深度为h、宽度为l的环形凹槽，环形凹槽内圆角的半径为r1，外圆角的半径为r2；在厚度为t2的板材上加工圆孔；

2)将凹模固定，将管材固定放置于孔中，将板材固定放置于凹模的上平面和压边圈的下平面之间，并使板材上的圆孔和孔的轴线重合；施加力f1，将板材压紧；

3)使凸模以速率v向孔运动，对板材进行翻边，继续控制凸模运动，直到板材的翻边与管材内壁紧密接触；

4)使凸模以角速度ω1自转，同时以孔的轴线为中心线、以δl为半径、角速度ω2做圆周运动，板材的翻边在凸模的作用力下挤压入管材的环形凹槽中；

5)重复步骤4)的操作，直到板材和管材完全结合；操作凸模远离凹模，移开压边圈，取出板材和管材的连接件，完成金属管材与板材间的塑性连接。

优选地，板材的材质为铜合金、镁合金或铝合金；管材的材质为钛合金、不锈钢、镁合金或铝合金。

优选地，1.0mm≤t1≤3.0mm，1.0mm≤t2≤4.0mm，且

优选地，环形凹槽的规格如下：

优选地，ω1＝30～50rad/s，ω2＝0.05～0.1rad/s，δl＝h。

本发明还公开了实现上述金属管材与板材间的塑性连接的方法的装置，包括凸模、压边圈和凹模；凹模上开有孔；压边圈上开有圆孔；使用时，将内壁开有若干凹槽的管材放置固定于孔中，将开有孔的板材固定放置于凹模的上平面和压边圈的下平面之间；凸模为圆柱体，能够与外部动力源连接并在外部电源的驱动下进行朝向凹模的直线运动、自转和以孔的轴线为中心线的圆周运动。

优选地，凹模为卡盘或管卡结构。

优选地，压边圈和凹模通过夹具或顶紧装置固定板材。

优选地，外部动力源为数控渐进成形机床、镗床、铣床或加工中心。

优选地，凸模的前端为锥体或球体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的金属管材与板材间的塑性连接的方法，采用在管材端部预制环形凹槽，结合凸模高速自转和沿管材轴线慢速旋转的方法，借助摩擦效应提升管材塑性，通过凸模的辊压促进板材塑性变形的部分流入管材环形凹槽，实现管材与板材间的快速、高效、绿色的塑性连接。本方法采用塑性成形的方式，环形凹槽内部由板材的材料填充，接头质量好，可承受较大的拉应力，解决了难焊接异质管材与板材金属间的连接难题。

进一步地，板材的材质为铜合金、镁合金或铝合金；管材的材质为钛合金、不锈钢、镁合金或铝合金，采用本发明的连接方式，需要板材具有较好的塑性，上述材料能够更好地实现连接。

进一步地，各项参数的取值范围，是在本发明原理的基础上，结合机械加工的特点、材质的特点，优化得到的结果，能够更好地实现板材与管材的塑性连接。

本发明公开的实现金属管材与板材间的塑性连接的装置，包括凸模、压边圈和凹模，凸模为圆柱结构，可以装夹在各类机床主轴上，压边圈和凹模的上下平面均为平面，结构简单、便于加工，与常规的设备兼容性好，可以利用现有的机械加工设备，对装置进行定位、压紧、加工，复合程度高。通过简单预处理，在待连接的管材内壁开设若干凹槽，在板材上开设圆孔，然后通过凸模的直线运动对板材进行翻边后，再通过摩擦作用使板材翻边部分产生塑性变形，进而通过辊压使板材塑性变形的部分流入管材环形凹槽，从而实现板材与管材的连接。对待连接管材、板材的预处理工艺简单、生产效率高，成本低，避免了传统焊接工序中所需的复杂预处理，以及焊接产生的废料、废气、光污染，对环境友好，不依赖人的操作，连接质量稳定，适合大批量生产。

进一步地，卡盘或管卡结构，能够可靠固定圆柱状的管材，并可在一定直径范围内调整。

进一步地，压边圈和凹模可以直接利用现有机床上的夹具或者顶紧装置来固定板材，不需要额外设计夹具，节能环保。

进一步地，外部动力源为数控渐进成形机床、镗床、铣床或加工中心，利用现有设备连接凸模即可满足需要，高效环保。

进一步地，凸模的前端为椎体或球体，能够在翻边时减少翻边缺陷如拉伤、裂纹、皱褶等的产生，达到理想的翻边整形效果。

附图说明

图1为本发明的凸模对板材翻边前的整体结构主剖视图；

图2为本发明的凸模对板材翻边完成时的整体结构主剖视图；

图3为本发明的凸模转动并挤压板材翻边部分进入管材环形凹槽时的主剖视图；

图4为管材上端预制的环形凹槽局部尺寸细节图；

图中：1为凸模，2为压边圈，3为板材，4为管材，5为凹模，6为孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的金属管材与板材间的塑性连接装置，包括凸模1、压边圈2和凹模5；凸模1为圆柱体，前端可优选地做成锥体或球体，凹模5上开有能够放置并固定管材4的孔6，管材4与孔6过盈配合，达到固定管材4的作用；凹模5也可以优化采用卡盘或管卡结构来固定管材4，可在固定一定数值范围直径的管材4，且装卸方便，节约成本。压边圈2上开有圆孔，板材3能够固定放置于凹模5的上平面和压边圈2的下平面之间，凹模5可以放置于机床的加工平台上，使用各类夹具或顶紧装置向压边圈2的上平面施加压力，从而对压边圈2和凹模5以及两者之间的板材3进行夹紧及固定；凸模1为圆柱体，能够与外部动力源连接并在外部电源的驱动下进行自转和以孔6的轴线为中心线的圆周运动，外部动力源如数控渐进成形机床、镗床、铣床、加工中心等设备，凸模1可以装在上述设备的主轴上，能够轻易实现上述动作。

采用该装置对金属管材与板材进行连接的方法，包括以下步骤：

1)如图4，在壁厚为t1(1.0mm≤t1≤3.0mm)的管材4内壁加工若干圈深度为h、宽度为l的环形凹槽，环形凹槽内圆角的半径为r1，外圆角的半径为r2；在厚度为t2(1.0mm≤t2≤4.0mm)的板材3上加工圆孔；其中，优选地，环形凹槽的规格如下：

2)将凹模5在机床的加工平台上水平放置，将管材4固定放置于孔6中，将板材3固定放置于凹模5的上平面和压边圈2的下平面之间，并使板材3上的圆孔和孔6的轴线重合；根据板材3和管材4的材质，施加合理数值的力f1，一般约为5～20kn，将板材3压紧；

3)如图2，使凸模1以速率v向孔6运动，对板材3进行翻边，为防止翻边缺陷的产生，v的范围控制在0.5～1.0mm/s；继续控制凸模1运动，直到板材3的翻边与管材4内壁紧密接触；

4)如图3，使凸模1以角速度ω1自转，同时以孔6的轴线为中心线、以δl为半径、角速度ω2做圆周运动，板材3的翻边在凸模1的旋转运动作用下，产生的摩擦效应使得板材3温度升高，塑性变好，在凸模1的径向力作用下挤压入管材4的环形凹槽中；优选地，ω1＝30～50rad/s，ω2＝0.05～0.1rad/s，δl＝h；

5)重复步骤4)的操作，直到板材3和管材4完全结合；操作凸模1远离凹模5，移开压边圈2，取出板材3和管材4连接形成的连接件，完成金属管材与板材间的塑性连接。