专利名称：压接工具、模和它们的使用方法
技术领域：
本发明涉及压接(clinch)工具、模和它们的使用方法。更具体地，本发明涉及用于使各种厚度的可延展板材机械互连的冲头和模组件。
背景技术：
将两种金属压接在一起的方法是多年来公共领域中的现有技术，但已有技术适于压接接合较薄的板材，例如在汽车和耐用品(炉灶、电冰箱)工业中使用的板材。这些材料是通常最多为1/8英寸(规格10)厚的较薄规格。
现有技术公开了用于使板材机械互连的单冲压和双冲压方法。大多数单冲压使用可膨胀或多构件的模。多构件模非常复杂，但多构件模通常需要允许材料位移以形成机械互连，而不会产生极高的加工材料应力和过早的加工失败。双冲压方法通常包括具有可运动砧座的模，在将一定量要互连的板材拉伸到模中的第一步骤后，该砧座在产生机械互锁的随后的挤压步骤前将已被拉伸的材料推出模。
发明内容
为了解决现有技术中的上述和其它问题，公开了一种用于使多个可延展板材机械互连的与冲头一起使用的模。该模包括模穴，该模穴包括封闭的端部。该封闭端部的内表面具有抬升的表面轮廓。
还公开了用于使至少两个堆叠的可延展板材机械互连的压接工具。该压接工具包括冲头、模、以及冲头和模之间的可控制的压力源，所述模包括模穴和具有抬升的表面轮廓的该模穴的封闭端部。当在冲头和模之间施加压力源时，冲头将板件的一定压接体积基本完全拉入模穴。
另外，还公开了使至少两个堆叠的由可延展材料制成的板件机械互连的方法。该方法包括如下步骤提供模，该模包括模穴、模穴的具有抬升表面轮廓的封闭端部；将至少两个板件的一定压接体积拉入模穴中，该压接体积通过模变形，使得相邻板件机械互连；以及从模中剥下板件。
此外，还公开了由可延展板件制成的机械互连的堆叠体。该堆叠体包括至少一个变形区，其中，各个板件在该变形区变形，各个变形一起相互作用以形成机械结合；以及位于所述变形区域中堆叠体的第一表面上的突出部，所述突出部包括朝其中央弯曲的凹部。
还公开了用于使至少两个由可延展材料制成的板件机械互连的与冲头一起使用的单体模。该模包括具有侧壁和底壁的模穴，所述底壁在所述模穴中限定一抬升的表面。
另外，还公开了用于使至少两个由可延展材料制成的板件机械互连的与冲头一起使用的模。该模包括具有侧壁和底壁的模穴，所述底壁在所述模穴中限定一弯曲的表面。
已经总体上描述了本发明的特性，现在将参考说明性示出本发明一说明性实施例的附图，其中图1是根据本发明说明性实施例的压接工具的前部透视图；图2是根据本发明说明性实施例的压接工具的顶部透视图，详细示出冲头和模机构；图3A是根据本发明说明性实施例的冲头的前部透视图；图3B是根据本发明的可选说明性实施例的冲头的前部透视图；图4是根据本发明说明性实施例的模的前部透视图；图5A是根据本发明说明性实施例的冲头和模的剖视图；图5B是根据本发明说明性实施例的模穴的详细的剖视图；图6A是根据本发明说明性实施例的冲头和模的剖视图，其中在该冲头和模之间设有一对板件；图6B是根据本发明说明性实施例的冲头和模的剖视图，其中一对板件被拉入模穴中；以及图7是根据本发明说明性实施例的压接部的详细的前部透视图。
具体实施例方式
参考图1，现在将说明根据本发明说明性实施例的总体用标号10表示的压接工具。压接工具10包括垂直安装的液压缸12，该液压缸在上端14支承在由重型结构钢等制成的框架16上。柱塞18从液压缸12的下端20伸出并适于相对于该液压缸进行垂直运动。可控的液压流体和压力源22经由控制阀机构24和一对软管26、28与缸12互连。如本领域已知，通过利用控制阀24控制加压液压流体的流动方向，柱塞18相对于缸12的下端20往复运动。在这点上，控制阀24装有用于手动控制液压流体的流动方向的控制杆30。
注意，虽然说明了使用液压致动缸12和柱塞18的压接工具10，但也可以使用其它类型的往复压力机，例如气动或机械压力机。
仍参见图1，模的砧座(或台)32固定到液压缸12和柱塞18下方的框架16上。现在参见图2以及图1，冲头34可拆卸地固定到柱塞18的端部36并与柱塞18一起相对于模38运动。模38说明性地利用夹套(collet)式安装件固定并可拆卸地保持在模砧座32中。
现在参见图3A，在该说明性实施例中，冲头34示出为具有圆形横截面，该冲头可以由例如经过热处理的D2工具钢、粉末冶金工具钢(PM工具钢，例如Vanadis 6)或其它类似材料制成。应该理解，虽然示出的说明性实施例公开了具有基本为圆形横截面的冲头，但其它横截面形状例如方形、矩形或椭圆形也可以提供合适的冲头形状。
仍参见图3A，冲头34包括从扁平的环形冲头肩部42向下伸出的具有圆形横截面的细长冲头尖40。包括倒置截锥体部46和柱状部48的冲头基部44从冲头尖向上并向外伸出。比冲头基部44的柱状部分48小的带螺纹的冲头紧固柱50一体地连接到所述柱状部分，从而在它们的接合处限定环形搁台52。回过去参见图2，本领域普通技术人员现在可以认识到，可以仅通过将带螺纹的冲头紧固柱50插入到在柱塞18的端部36加工出的带螺纹的开口(未示出)中并上紧冲头34直到环形搁台52紧紧地靠置在柱塞18的端部36上，而将冲头34固定到柱塞18。虽然牢固地紧固到柱塞18，但冲头34仍能容易地接近并快速地互换。
回过去参见图3A，冲头尖部40包括凸起或修圆的尖端表面54，该尖端表面有利于冲头尖部40穿入要压接的堆叠的板件(未示出)中，从而减缓过度的加工材料应力并减少过早加工失败的可能性。增加修圆的尖端表面54可以通过减小冲头尖部40的剪切作用而改善材料向模中的拉入。当压接厚的材料即范围在约0.25至约1.00英寸(约6.3mm至25.4mm)厚的板材堆叠件时，该属性特别有利；而且在压接较薄材料时该属性也有用，因为完成相同的任务所需的固有的压接压力减小了。在本说明性实施例中，位于修圆的尖端表面54处的冲头尖部40具有约0.716英寸(约18.2mm)的直径，并且冲头尖部40的修圆的尖端表面54说明性地加工成具有凸起轮廓，该凸起轮廓具有约3英寸(约76.2mm)的半径。
仍然参见图3A，冲头尖部40说明性地为截锥体形，而冲头尖部40的外周壁56朝修圆的尖端表面54形成锥形。说明性地，当远离冲头肩部42朝尖端表面54移动时，冲头尖部40的直径线性地减小，这有利于压接部形成时从压接好的板件中取出冲头尖部40。在本发明的说明性实施例中，外周壁56相对于冲头34的纵轴线成约0°至约6°的夹角。在本发明的另一说明性实施例中，外周壁56相对于冲头34的纵轴线成约2°至约4°的夹角。在本发明的又一说明性实施例中，外周壁56相对于冲头34的纵轴线成约3°的夹角。
现在参见图3B，在本发明的另一说明性实施例中，冲头34包括加工成使得外周壁56具有脊形(或台阶形)轮廓的冲头尖部40，该脊形轮廓包括两个或更多个如58所示的同心的盘部。当远离冲头肩部42朝尖端表面54移动时，如58所示的同心的盘部具有递减的直径。
现在参见图4和图5A，模38在该说明性实施例中也示出为具有圆柱对称性。该模由例如经过热处理的D2工具钢、粉末冶金工具钢(PM工具钢，如Vanadis 4)等制成。模38包括具有开口端部62和封闭端部64的模穴60。封闭端部64的内表面66具有说明性地为弯曲并凸起的抬升的表面轮廓，并具有约1.35英寸(约35mm)的半径R。说明性地，模38还具有位于其基底70中的合模销孔68。形成模砧座32的一部分的合模销72位于中央并与冲头尖部40对齐，并用于引导和使模38对齐。如上所述，该说明性实施例中的包括夹套式安装件的一组模砧座壁74紧密地接纳模38；从而该一组模砧座壁将模38固定就位同时允许该模38容易地互换。模砧座32又通过合适的紧固装置固定到压接基部76或台板，该紧固装置说明性地为插入并紧固到基部76的螺纹开口80中的一组螺栓78。
回过去参见图2，在本发明的另一实施例中，模砧座32还包括具有脱模器84的脱模机构82，该脱模器84利用铰接机构88安装在基部86上并可绕该铰接机构枢转。该脱模机构82有利于从压接工具10取下压接好的板件。
现在参见图5A，封闭端部64内表面66的抬升表面轮廓包括位于其周边的修圆的环形凹部90以及朝向表面66中央突出的凸起或圆顶形突出部。表面66的抬升表面轮廓有利于压接期间可延展金属板件在模穴60中的运动(如下文所述)，降低过多的加工材料应力并由此减小可能的过早加工失败。当压接厚材料即厚度范围为约0.25英寸至约1.00英寸(约6.3mm至约25.4mm)的板件堆叠件时，该属性是有用的；但在压接较薄材料时，该属性也有用。
在本发明另一说明性实施例中，模穴60具有略呈截锥体的形状，其中，模穴周壁94从开口端62朝封闭端64形成锥形。说明性地，模穴60的圆形横截面从开口端62到封闭端64线性地减小。模穴60的截锥体形状有利于在压接部形成时从模穴60取出压接好的板件。在本发明另一说明性实施例中，模周壁94与模38的纵轴线形成约0°至约6°的夹角。在本发明的另一说明性实施例中，模周壁94与模38的纵轴线成约2°至约4°的夹角。在本发明的又一说明性实施例中，模周壁94与模38的纵轴线成约3°的夹角。
仍然参见图5A，模穴60的开口端62包括修圆的肩部96。该修圆的肩部96使可延展的金属板件在压接动作期间较平滑地穿入模穴60中。
现在参见图5B，封闭端部64的表面66的抬升表面轮廓的高度Z1说明性地在模穴60最大深度Z2的25％至35％之间。
参见图6A，为了压接可延展材料板件，板件(A和B)并排定位并放置在冲头34和模38之间。现在参见图6B，当冲头34通过柱塞18降低时，冲头尖部40与第一板件A接触。冲头34的连续向下运动会强制冲头尖部40进入第一可延展板件A和第二可延展板件B，从而使可延展板件A和B的材料移动到模穴60中。当修圆的尖端表面54到达模38的开口端62的位置时发生压接动作，其中，可延展板件A和B的一定压接体积的材料通过模开口32被拉入到模穴60中。当修圆的尖端表面54进入模穴60时，可延展板件A和B被压缩在修圆的尖端表面54和抬升的表面轮廓66之间，从而使可延展板件A和B的材料变形，这会在压接部区域的可延展板件A和B之间产生机械互锁。
仍然参见图6，冲头肩部42用于防止由于冲头34的运动产生的颈缩(可延展板件A和B的过度拉入)，并限制冲头尖部40穿入到板件A和B的材料中。冲头肩部42还在一定程度上帮助强制板件A和B的材料进入模穴60，从而改进压接部的质量。一旦形成压接部，压接动作换向，并且冲头尖部40从形成在板件A和B中的压接部中拔出。然后从压接工具10中取出由板件A和B紧固而成的压接部。
注意，虽然上述实施例示出为使用一对板件A和B，但本发明可用于紧固多于两个板件的压接部。
现在参见图7，在本发明示例性实施例中，压接部92样品的典型横截面在板件的第一侧具有由倒置的套管限定的冲头穴94，该冲头穴具有圆形开口96和修圆的封闭面98。板件A的下侧面100和板件B的上侧面102总体平滑并相接触，并且在压接部92的区域中跟随冲头尖部(在图3A中为40)的轮廓。这使板件A沿修圆的封闭表面98具有基本恒定的厚度。板件B的底表面104与模穴(在图6中为60)的轮廓具有基本相同的形状。较好的压接部是板件A和B的材料的延展变形使得在最靠近模的板件(在这里是板件B)的下表面106下方在板件之间形成机械互锁。在这方面，其中第一板件A的下部面100的直径D大于第二板件B中压接部的直径D’的压接部提供了这种机械互锁(即，在压接部区域形成在第一板件A的可延展材料中的膨胀部与形成在第二板件B的可延展材料中的相应的膨胀部互锁)。
为了检查冲头/模配合件的适配性，使用铜板件制成的样品对具有不同直径和深度的冲头和模进行测试，其中对于约0.760英寸(约19.3mm)的总组合体厚度，每个板件具有约0.380英寸(约9.7mm)的厚度。表1提供了测试结果的概述。
表1
*压接部位于模外**没有足够的压接部***没有完全填充模注意，在上述表中，深度是指模中最深(或最低)位置的深度。
虽然已结合说明性实施例对本发明进行了说明，但这些说明不是用于限制。本领域技术人员结合这些说明可以认识到本发明所述实施例或其它实施例的各种变型或组合。因此，所述发明包括任何这样的变型或实施例。
权利要求
1.一种用于使多个由可延展材料制成的板件机械互连的与冲头一起使用的模，该模包括具有封闭端部的模穴，其中，所述封闭端部的内表面具有抬升的表面轮廓。
2.根据权利要求1的模，其特征在于，所述抬升的轮廓是弯曲轮廓。
3.根据权利要求2的模，其特征在于，所述弯曲轮廓具有一曲率半径。
4.根据权利要求2的模，其特征在于，所述弯曲轮廓是凸起轮廓。
5.根据权利要求3的模，其特征在于，所述弯曲轮廓具有大于所述模穴宽度一半的半径。
6.根据权利要求5的模，其特征在于，所述弯曲轮廓的半径大于所述模穴宽度。
7.根据权利要求4的模，其特征在于，所述模穴基本为柱状，并且所述凸起轮廓具有大于所述模穴半径的半径。
8.根据权利要求7的模，其特征在于，所述凸起轮廓的半径大于所述模穴半径。
9.根据权利要求1的模，其特征在于，所述抬升的表面轮廓包括位于所述封闭端部周边的环形凹部和位于该封闭端部中央区域的突出部。
10.根据权利要求1的模，其特征在于，所述抬升表面的高度为所述模穴最大深度的约25％至35％。
11.根据权利要求1的模，其特征在于，所述模为单体模。
12.根据权利要求1的模，其特征在于，所述模穴为截锥体形状并包括从所述封闭端部向外延伸形成锥形的壁。
13.根据权利要求12的模，其特征在于，所述形成锥形的壁与所述模的纵轴线形成约0°至约6°的夹角。
14.根据权利要求13的模，其特征在于，所述夹角为约2°至约4°。
15.根据权利要求14的模，其特征在于，所述夹角为约3°。
16.一种用于形成压接部的压接工具，该压接部紧固至少两个堆叠的由可延展材料制成的板件，该压接工具包括冲头；包括模穴的模，所述模穴的封闭端部具有抬升的表面轮廓；以及所述冲头和所述模之间的可控压力源；其中，当在所述冲头和模之间施加所述压力源时，所述冲头将板件的一定压接体积基本完全拉入所述模穴中。
17.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述模是单体模。
18.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述抬升的表面是弯曲表面。
19.根据权利要求18的压接工具，其特征在于，所述抬升的弯曲表面是凸起表面。
20.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述抬升表面的高度为所述模穴最大深度的约25％至约35％。
21.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述模穴还包括从所述封闭端部向内延伸到模穴的开口端部的壁，所述壁限定可变的模穴横截面。
22.根据权利要求21的压接工具，其特征在于，所述壁从所述开口端向所述封闭端向内倾斜。
23.根据权利要求22的压接工具，其特征在于，所述壁与所述模穴的纵轴线的夹角为约0°至约6°。
24.根据权利要求22的压接工具，其特征在于，所述夹角为约2°至约4°。
25.根据权利要求22的压接工具，其特征在于，所述夹角为约3°。
26.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述冲头包括具有尖端表面的冲头尖部，并且所述冲头尖部朝所述尖端表面形成锥形。
27.根据权利要求26的压接工具，其特征在于，所述冲头尖部相对所述冲头的纵轴线的斜度角为约0°至约6°。
28.根据权利要求27的压接工具，其特征在于，所述斜度角为约2°至约4°。
29.根据权利要求28的压接工具，其特征在于，所述斜度角为约3°。
30.根据权利要求26的压接工具，其特征在于，所述尖端表面被修圆。
31.根据权利要求26的压接工具，其特征在于，所述冲头还包括冲头肩部。
32.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述可延展材料是金属。
33.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述可延展材料是合金。
34.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述可延展材料选自铜、铝、钢或铁。
35.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述堆叠的板件具有1/4至1英寸的结合厚度。
36.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述堆叠的板件是阴极铜。
37.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，具有两个堆叠的板件。
38.根据权利要求16的压接工具，其特征在于，所述可控压力源至少为5万吨。
39.根据权利要求38的压接工具，其特征在于，所述可控压力源至少为6.5万吨。
40.一种用于使至少两个由可延展材料制成的板件的堆叠体机械互连的方法，该方法包括如下步骤提供包括模穴的模，所述模穴的封闭端部具有抬升的表面轮廓；将至少两个板件的一定压接体积拉入所述模穴中，所述压接体积通过所述模变形，使得相邻板件通过机械互连而接合；以及从所述模中剥下所述板件。
41.根据权利要求40的方法，其特征在于，所述模是单体模。
42.根据权利要求40的方法，其特征在于，还包括具有冲头尖部的冲头，其中，所述拉入步骤包括相对所述模移动所述冲头，直到所述冲头尖部位于所述模穴内部。
43.根据权利要求42的方法，其特征在于，所述冲头还包括冲头肩部，所述拉入步骤包括将所述冲头尖部压入所述模穴中，直到所述肩部接触板件。
44.根据权利要求42的方法，其特征在于，所述冲头尖部包括尖端表面和冲头尖部侧壁，所述侧壁朝所述尖端表面形成锥形。
45.根据权利要求44的方法，其特征在于，所述尖端表面被修圆。
46.根据权利要求40的方法，其特征在于，所述抬升的表面轮廓是弯曲轮廓。
47.根据权利要求46的方法，其特征在于，所述弯曲轮廓是凸起轮廓。
48.根据权利要求40的方法，其特征在于，所述抬升的表面轮廓包括位于所述封闭端部的周边的环形凹部和朝向该封闭端部的中央区域突出的突出部。
49.根据权利要求48的方法，其特征在于，所述抬升表面的高度为所述模穴最大深度的约25％至35％。
50.根据权利要求40的方法，其特征在于，所述模穴为截锥体形状并包括从所述封闭端部延伸的向外形成锥形的壁。
51.根据权利要求42的方法，其特征在于，所述剥下步骤包括如下步骤从所述模穴缩回所述冲头尖部；以及利用剥下机构从所述模取出互连的板件。
52.根据权利要求40的方法，其特征在于，在最靠近所述模的板件的外表面的下方形成所述机械互连。
53.一种由至少两个可延展板件构成的机械互连的堆叠体，该堆叠体包括至少一个变形区，其中，各个板件在所述变形区中变形，各个所述变形作用在一起以形成机械结合；以及位于所述变形区域中堆叠体的第一表面上的突出部，所述突出部包括朝其中央凹入的弯曲凹部。
54.根据权利要求53的堆叠体，其特征在于，所述弯曲凹部为凹入凹部。
55.根据权利要求53的堆叠体，其特征在于，该堆叠体还包括在所述变形区域中位于与所述第一表面相对的所述堆叠体的表面上的凹穴。
56.根据权利要求55的堆叠体，其特征在于，所述凹穴和所述突出部基本为圆形。
57.根据权利要求56的堆叠体，其特征在于，所述凹穴还包括朝其封闭端部形成锥形的侧壁。
58.根据权利要求55的堆叠体，其特征在于，所述凹穴还包括弯曲的封闭端部。
59.根据权利要求58的堆叠体，其特征在于，所述弯曲的封闭端部是凸起端部。
60.根据权利要求57的堆叠体，其特征在于，所述侧壁与所述凹穴的纵轴线形成约0°至约6°的夹角。
61.根据权利要求57的堆叠体，其特征在于，所述侧壁与所述凹穴的纵轴线形成约2°至约4°的夹角。
62.根据权利要求57的堆叠体，其特征在于，所述侧壁与所述凹穴的纵轴线形成约3°的夹角。
63.一种用于使至少两个由可延展材料制成的板件机械互连的与冲头一起使用的单体模，该模包括具有侧壁和底壁的模穴，所述底壁在所述模穴中限定一抬升的表面。
64.根据权利要求63的模，其特征在于，所述抬升的表面是弯曲表面。
65.根据权利要求64的模，其特征在于，所述弯曲的抬升的表面具有一曲率半径。
66.根据权利要求65的模，其特征在于，所述弯曲的抬升表面是凸起表面。
67.根据权利要求66的模，其特征在于，所述模穴基本为柱状，所述凸起表面具有大于所述模穴半径的半径。
68.根据权利要求67的模，其特征在于，所述凸起表面大于所述模穴的半径。
69.根据权利要求63的模，其特征在于，所述抬升的表面包括位于所述底壁的周边的环形凹部和位于所述底壁中央区域中的突出部。
70.一种用于使至少两个由可延展材料制成的板件机械互连的与冲头一起使用的模，该模包括具有侧壁和底壁的模穴，所述底壁在所述模穴中限定一弯曲表面。
71.根据权利要求70的模，其特征在于，所述弯曲的抬升的表面具有一曲率半径。
72.根据权利要求71的模，其特征在于，所述弯曲的抬升的表面是凸起表面。
全文摘要
一种用于使至少两个堆叠的由可延展材料制成的板件机械互连的压接工具，该压接工具包括冲头和与该冲头轴向对齐的模。模穴的特征是在其封闭的端部具有一定半径的表面轮廓，从而有利于在压接动作期间材料流入该模穴中。该设计在减小加工材料应力并减小可能的过早加工失败的同时，允许通过形成牢固和可区别的压接部而压接紧固较厚的板件。
文档编号B21D39/03GK101094736SQ200480044802
公开日2007年12月26日 申请日期2004年11月8日 优先权日2004年11月8日
发明者V·鲁宾逊, P·唐纳森 申请人:福尔肯布里奇有限公司