爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置及方法与流程

本发明涉及铆钉连接技术领域，特别涉及一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置及方法。

背景技术：

随着国家汽车正碰、侧碰、排放等强制法规的相继推出，为了实现保证汽车结构强度的同时，减少排放量，采用先进高强钢(如dp钢、trip钢、高扩孔钢)和铝合金无可争议地成为汽车用材的主流趋势。这两种材料配合可以有效减轻车身重量，降低油耗，而且可以确保、提高车型的安全性和舒适性。spr自冲铆接作为一种可以连接钢铝复合板材的连接技术，得到广大汽车制造商的青睐，并在车身设计制造中得到充分的应用。

自冲铆接是一种用于连接两种或两种以上金属板材的冷连接技术。其原理是使用特制铆钉直接压入待铆接板材，待铆接板材在铆钉的压力作用下和铆钉发生塑性变形，铆钉穿透上板，并扩张进入下一层板材，而后铆钉与板材一起扩张，充满铆模，铆钉腿部向四周翻开形成“钮扣”，从而完成上下板材牢固的连接。此技术实现冲、铆一次性完成，且连接过程不破坏板材的镀层，为汽车车身的连接开辟了新途径。然而，由于自冲铆接技术的特制铆钉需要穿透上板，金属板材具有内部损伤，同时存在高的腐蚀性风险；并且自冲铆接对负面的生产影响(例如：板材之间的间隙，模具制造误差)敏感度较高；除此之外，由于连接后，板材发生回弹，连接点尺寸精度不高，并且连接点依靠摩擦抵抗扭矩，容易产生周向转动。

技术实现要素：

本发明提供了一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置及方法，其目的是为了解决自冲铆接易损伤板材、敏感度高、连接点尺寸精度不高以及容易产生周向转动的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，包括：

实施机构、铆钉单元、导向压边机构和控制器；

所述铆钉单元集中存放在一铆钉箱内，所述实施机构可运动，所述实施机构用于从所述铆钉箱拿取所述铆钉单元放置在所述导向压边机构上并将所述铆钉单元击发，所述导向压边机构预先压放在上板和下板上，所述导向压边机构用于将所述上板和下板压紧在平模上，所述控制器分别电连接所述实施机构和导向压边机构，所述控制器用于控制所述实施机构的运动以及导向压边机构的压紧。

其中，所述实施机构设置有一底座，所述底座上竖直设置有一支撑杆，所述支撑杆上设置有一伸缩后臂，所述伸缩后臂的伸缩杆前端固定设置有一转接座，所述转接座的底部连接有一伸缩前臂，所述伸缩前臂的底部设置有夹持击发装置，所述控制器与所述伸缩后臂和伸缩前臂电连接。

其中，所述夹持击发装置包括夹持座和机械夹爪，所述夹持座固定设置在所述伸缩前臂的底部，所述机械夹爪设置在所述夹持座的底部，所述夹持座的底面中心嵌设有一击针直线推杆，所述击针直线推杆的驱动杆上固定设置有击针，所述控制器与所述击针直线推杆和机械夹爪电连接。

其中，所述铆钉单元包括底火盖、底火、底火档板、炸药、铆钉壳和铆钉头，所述底火盖与底火挡板共同构成密闭空间，所述密闭空间内装填有所述底火，所述铆钉壳的上端开设有凹槽，所述凹槽的中心开设有通孔，所述底火盖、底火、底火档板嵌设在所述凹槽内，所述铆钉壳内部装填有所述炸药，所述铆钉头堵设在所述铆钉壳的下端开口处。

其中，所述铆钉头为柱体结构，所述铆钉头的侧面设置有多条梯形螺旋凸起。

其中，所述铆钉壳下端向内倾斜，所述铆钉壳的下端半径小于所述铆钉壳的上端半径。

其中，所述导向压边机构设置有一压边筒，所述压边筒的顶部呈喇叭状开口，所述压边筒的顶部开口形状与所述铆钉壳形状适配，所述压边筒的底部外侧设置有压边座，所述压边座的两侧通过螺栓固定安装有联轴器，所述联轴器上方设置有压边直线推杆，所述压边直线推杆的上方固定，所述压边直线推杆的输出轴设置在所述联轴器的内部，所述控制器与所述压边直线推杆电连接。

其中，所述压边筒的底部开口开设有一扩口。

其中，还包括：铆钉壳回收箱，所述铆钉箱设置在所述导向压边机构的一侧，所述铆钉壳回收箱相对所述铆钉箱设置在所述导向压边机构的另一侧。

本发明的实施例还提供了一种爆炸冲击成型的螺旋锁铆焊方法，包括：

步骤一：预先将上板和下板放置在平模上，利用压边筒压紧，实施机构夹取铆钉单元并将铆钉单元放置在压边筒的上端口处；

步骤二：铆钉单元放置完毕后，击发直线推杆的伸缩杆伸出带动击针撞击并穿透所述底火盖，底火因击针撞击燃烧并融透底火挡板进而引燃放置在铆钉壳内的炸药，炸药爆炸，铆钉头尾部受到巨大的冲击力，铆钉头向下高速运动，在压边筒通道内高压条件下，铆钉头会因梯形螺旋凸起在迎面风和气流作用下轻微旋转并高速射向上板和下板；

步骤三：铆钉头射入上板后，两层板材受力发生塑性变形，两层板材材料沿径向向外移动，受压边筒压边力影响，材料外扩受阻开始向上移动，在铆钉头的附近，上板的材料聚集向扩口，下板的材料逐渐汇聚在上板的颈部，板材间钩合形成机械锁，在铆钉头的梯形螺旋凸起的作用下，上板受压产生相对应的螺旋凹陷其背面形成螺旋凸起，下板受上板的螺旋凸起挤压在相应位置形成螺旋凹陷，铆钉头的梯形螺旋凸起与两个板材上的挤压变形结构之间共同构成了螺旋锁，同时铆钉头冲击板材形成射流，将铆钉头下的材料表面氧化膜清除，两层板材在冲击波高压作用下形成了稳定的冶金连接，实现了连接点底部的固相焊接，随着板材变形的逐渐加剧，铆钉头速度归零；

步骤四：铆钉头停止运动后，实施机构将铆钉壳送入铆钉壳回收箱，压边筒的压边力逐渐撤出，板材连接完成。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

(1)板材连接处具有特殊的螺旋锁焊结构；铆钉头的多个梯形螺旋凸起旋入上板，上板也产生螺旋凸起旋入下板，使得下板受到上板的挤压形成相应的螺旋凹陷，铆钉头的梯形螺旋凸起与上板和下板的挤压变形结构之间共同构成了螺旋锁，螺旋锁使板材可以抵抗扭矩，不会周向转动，而且也具有一定的连接上下板材的作用，同时下板的材料聚集在上板颈部，上下板材形成机械锁，并且接头底部形成了稳定的固态焊接，这种螺旋锁焊强度较高，拥有着优异的机械性能。

(2)本发明利用爆炸成型的原理进行连接，材料连接处的材料主要为压应力，使得连接处材料的晶粒较细，更致密，材料不存在潜在损伤，提高了接头的力学性能，同时爆炸成形的速率很快，效率很高。

(3)铆钉头冲击不会剪断上侧板材，连接点抗腐蚀性高；使用平模作为下模，对负面影响不敏感。

(4)铆钉单元凭借爆炸冲击板材，连接尺寸精度高，连接后，材料不发生回弹现象。

(5)铆钉头的高速冲击产生大量的热，热量传递给板材，增加了板材的塑性成形能力，使得本方法可以用于连接高强度不易成形板材。

附图说明

图1为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置的结构示意图一；

图2为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置的结构示意图二；

图3为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置的铆钉单元剖面图；

图4为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置的铆钉头结构示意图；

图5为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置的压边筒示意图；

图6为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊方法的简化流程图；

图7为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊的连接结果剖面图；

图8为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊的图7俯视角剖面图；

图9为本发明的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊的连接结果示意图。

【附图标记说明】

1-实施机构；2-铆钉单元；3-导向压边机构；4-控制器；5-铆钉箱；6a-上板；6b-下板；7-平模；8-铆钉壳回收箱；101-底座；102-支撑杆；103-伸缩后臂；104-伸缩杆；105-转接座；106-伸缩前臂；107-夹持座；108-机械夹爪；109-击针直线推杆；110-击针；201-底火盖；202-底火；203-底火挡板；204-炸药；205-铆钉壳；206-铆钉头；206a-梯形螺旋凸起；301-压边筒；301a-压边座；301b-扩口；302-联轴器；303-压边直线推杆；601-机械锁；602-螺旋凹陷；603-冶金连接。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有自冲铆接易损伤板材、敏感度高、连接点尺寸精度不高以及容易产生周向转动的问题，提供了一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置及方法。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，包括：实施机构1、铆钉单元2、导向压边机构3和控制器4；所述铆钉单元2集中存放在一铆钉箱5内，所述实施机构1可运动，所述实施机构1用于从所述铆钉箱5拿取所述铆钉单元2放置在所述导向压边机构3上并将所述铆钉单元2击发，所述导向压边机构3预先压放在上板6a和下板6b上，所述导向压边机构用于将所述上板6a和下板6b压紧在平模7上，所述控制器4分别电连接所述实施机构1和导向压边机构3，所述控制器4用于控制所述实施机构1的运动以及导向压边机构3的压紧。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，当所述上板6a和下板6b放置在所述平模7上后，通过所述导向压边机构3将两板压紧，同时利用所述实施机构1拿取所述铆钉单元2并将其移动至需要铆接的地方，通过所述实施机构1与导向压边机构3相互配合使得铆钉单元2能够对两板进行铆接，同时由于设置有所述控制器4，能够通过所述控制器4自动完成上述操作，从而提高了板材连接效率，提升了连接过程的安全性。

如图2所示，所述实施机构1设置有一底座101，所述底座101上竖直设置有一支撑杆102，所述支撑杆102上设置有一伸缩后臂103，所述伸缩后臂103的伸缩杆104前端固定设置有一转接座105，所述转接座105的底部连接有一伸缩前臂106，所述伸缩前臂106的底部设置有夹持击发装置，所述控制器4与所述伸缩后臂103和伸缩前臂106电连接。

其中，所述夹持击发装置包括夹持座107和机械夹爪108，所述夹持座107固定设置在所述伸缩前臂106的底部，所述机械夹爪108设置在所述夹持座107的底部，所述夹持座107的底面中心嵌设有一击针直线推杆109，所述击针直线推杆109的驱动杆上固定设置有击针110，所述控制器4与所述击针直线推杆109和机械夹爪108电连接。

如图3所示，所述铆钉单元包括底火盖201、底火202、底火档板203、炸药204、铆钉壳205和铆钉头206，所述底火盖201与底火挡板203共同构成密闭空间，所述密闭空间内装填有所述底火202，所述铆钉壳205的上端开设有凹槽，所述凹槽的中心开设有通孔，所述底火盖201、底火202、底火档板203嵌设在所述凹槽内，所述铆钉壳205内部装填有所述炸药204，所述铆钉头206堵设在所述铆钉壳205的下端开口处。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，所述伸缩后臂103能够在所述控制器4的控制下自由升缩前端的伸缩杆104，同时所述伸缩前臂106也能够在所述控制器4的控制下伸缩，因此所述实施机构1可以实现竖直平面内的移动；在本实施例中所述机械夹爪108采用的是三爪夹爪，另外还可以采用三个以上夹爪数量的夹持装置，所述机械夹爪108能够在所述控制器4的控制下通过所述伸缩前臂106和伸缩后臂103移动到合适的位置夹持所述铆钉单元2，夹持完毕后再通过所述伸缩前臂106和伸缩后臂103移动到所述导向压边机构3处，所述击针直线推杆109受所述控制器4控制移动所述击针110，所述击针110会穿透所述底火盖201，设置在底火盖201内的所述底火202会爆燃融毁所述底火挡板203进而引燃所述铆钉壳205内部的炸药204，所述炸药204会燃烧爆炸驱使所述铆钉头206朝所述铆钉壳205的下端开口方向前进，并通过所述导向压边机构3导向铆接。

如图4所示，所述铆钉头206为柱体结构，所述铆钉头206的侧面设置有多条梯形螺旋凸起206a。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，所述铆钉头206的侧面共设置有八条所述梯形螺旋凸起206a，所述梯形螺旋凸起206a均匀排列。

其中，所述铆钉壳205下端向内倾斜，所述铆钉壳205的下端半径小于所述铆钉壳205的上端半径。

其中，所述导向压边机构3设置有一压边筒301，所述压边筒301的顶部呈喇叭状开口，所述压边筒301的顶部开口形状与所述铆钉壳205形状适配，所述压边筒301的底部外侧设置有压边座301a，所述压边座301的两侧通过螺栓固定安装有联轴器302，所述联轴器302上方设置有压边直线推杆303，所述压边直线推杆303的上方固定，所述压边直线推杆303的输出轴设置在所述联轴器302的内部，所述控制器4与所述压边直线推杆303电连接。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，所述铆钉壳205的上部分为圆柱状容器，所述铆钉壳205的下端收缩使得所述铆钉头206被固定在所述铆钉壳205的下端口处，使得所述铆钉壳205能够被卡设在所述压边筒301的顶部开口，而所述铆钉头206能够穿过所述压边筒301的通道；所述压边筒301的顶部开口呈喇叭状以适应所述铆钉壳205的下端收缩结构，当所述压边筒301放置在板材上时，所述控制器4会控制所述压边直线推杆303的输出轴下压，从而令所述压边筒301将板材压紧在所述平模7和压边筒301的底面之间。

如图5所示，所述压边筒301的底部开口开设有一扩口301b。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，所述扩口301b使得所述铆钉头206在冲击板材时，板材能够有足够的空间变形生成机械锁结构。

其中，还包括：铆钉壳回收箱8，所述铆钉箱5设置在所述导向压边机构3的一侧，所述铆钉壳回收箱8相对所述铆钉箱5设置在所述导向压边机构3的另一侧。

本发明上述实施例所述的爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊装置，所述铆钉壳回收箱8相对所述铆钉箱5设置，所述实施机构1在完成铆接后会将所述铆钉壳205放置在所述铆钉壳回收箱8内。

如图6所示，本发明的实施例提供了一种爆炸冲击成形的螺旋铆锁焊方法，包括：

步骤一：将铆钉单元2上料至铆钉箱5，将压边筒301设置在上板6a和下板6b上，启动设备通过控制器4控制压边直线推杆303令压边筒301产生压边力，伸缩前臂106伸长，机械夹爪108收缩抓紧铆钉单元2，伸缩前臂106缩短，同时伸缩后臂103伸长，伸缩前臂106缩短到一定位置后停止缩短，此时夹持部分水平移动，当机械夹爪108位于压边筒301上方且与压边筒301同轴心时停止移动，伸缩前臂106伸长停止。

步骤二：铆钉单元2放置完毕后，击针直线推杆109开始工作，击针直线推杆109的轴会开始伸长，从而使击针110向前移动，穿透底火盖201，与底火202接触，底火202在击针110的撞击下，剧烈燃烧，将底火挡板203熔化，火焰通过小孔，引燃放置在铆钉壳205内的炸药204，炸药204爆炸，在炸药204的作用下，铆钉头206的尾部受到巨大的冲击力，向前运动，铆钉壳205在机械夹爪108的夹持下保持不动，压边筒301的上端口与机械夹爪108配合将铆钉头206挤压固定，在高冲力、高压，以及迎面风和气流的作用下，铆钉头206逐渐旋转，由于铆钉头206的梯形螺旋凸起206a围成了一圈，实现了铆钉头206在压边筒301内连续旋转，最终铆钉头206从压边筒301中射出，由于带有巨大的惯性，铆钉头206以具有稍微旋转的形式高速射出；

步骤三：铆钉头206射入上层板材，两层板材受压力发生塑性变形，由于底部设置有硬质材料构成的平模7，平模7形状不会受力变化，受其影响铆钉头206下的两板材的材料受上下挤压会沿铆钉头206的冲压中心径向向外移动，由于压边筒301的压边力以及压边筒301内壁的阻挡，材料向外侧移动受阻，上板的材料开始向上移动，在铆钉头206的附近，上板6a的材料聚集向压边筒301的扩口301b处，下板6b的材料逐渐汇聚在上板6a的颈部，上板6a的材料会被挤压进下板6b凹陷中，两个板材逐渐形成钩合在一起，形成机械锁601；同时由于铆钉头206外侧具有多个梯形螺旋凸起206a，随着铆钉头206旋转下压，梯形螺旋凸起206a会挤压上板6a，上板6a受梯形螺旋凸起206a挤压的对应处内部出现多处螺旋凹陷602，同时这些螺旋凹陷602的另一侧形成螺旋凸起挤压下板6b，下板6b的凹陷处内壁对应处也出现多处螺旋凹陷602，由于铆钉头206有稍微的旋转，对应地促进了螺旋凹陷602处的变形，铆钉头的梯形螺旋凸起与上板和下板的挤压变形结构之间共同构成了螺旋锁，螺旋锁602具有很强的连接作用，而且可以防止连接点周向转动，抵抗扭矩；在这个过程中，铆钉头206高速冲击板材形成射流，将铆钉头206下的材料表面氧化膜清除，同时板材与铆钉头206之间在冲击波高压作用下形成了稳定的冶金连接603，爆炸产生的热量会聚集在连接点，从而进一步促使材料间的融合，进而实现了连接点底部的固相焊接，随着板材变形的逐渐加剧，铆钉头206的速度逐渐降低为0，连接点结构如图7、图8和图9所示；

步骤四：铆钉头停止运动后，击针直线推杆109的轴收缩，击针110收缩，伸缩前臂106收缩，机械夹爪108夹紧铆钉外壳205向上移动，达到特定位置后，伸缩前臂106和伸缩后臂103同时伸长，将铆钉壳205送入铆钉壳回收箱8，同时压边直线推杆303的轴收缩，压边力逐渐撤出；最终在平模7上得到了一种具有爆炸焊的螺旋锁结构的连接板材。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。