一种半空心铆钉的激光冲击成形及同步铆接方法及装置与流程

本发明涉及激光先进制造领域，具体涉及一种半空心铆钉的激光冲击成形及同步铆接方法及装置。

背景技术：

板料连接技术在加工制造业有广泛的应用，在现代工业中，板料连接的典型方法有焊接、螺纹连接、胶接、铆接等。使用铆钉将被连接件进行机械连接，相对其它常用连接技术有一系列的优点：可进行异种材料的连接，可实现多种材料、多种厚度的连接；工艺较简单，可小批量生产也可大批量机械化生产；连接质量好，连接件可靠性高，因而在飞机制造等领域获得大规模应用。传统铆接工艺中需要预先制备铆钉，装配以后再实现铆接，工序较多；铆钉加工及铆接过程中一般使用液压、气动、电动等动力源，将铆钉送到铆接位置，然后驱使铆钉塑性变形为特定形状和尺寸，最终实现铆接。

技术实现要素：

本发明提供一种半空心铆钉的激光冲击成形及同步同工位铆接方法及装置，该方法利用脉冲激光作为变形驱动力，将原材料板材直接冲击成形为半空心铆钉并同步同工位实现铆接。

本发明的技术方案如下：

一种半空心铆钉的激光冲击成形同步铆接方法，如下：

1.利用脉冲激光诱导的冲击力作为变形驱动力，选用横截面为环形阵列结构的筒状上凹模，上凹模可以轴向移动和绕轴转动；选用带有型腔的下凹模；

2.将用于制作空心铆钉的板料置于上凹模上方，将待铆接件置于上凹模和下凹模之间，通过激光冲裁从板料上获取边缘呈环形阵列结构的毛坯件，且毛坯件下落至待铆接件的待铆接部位；

3.对上凹模进行轴向移动和绕轴转动，将毛坯件压紧在待铆接件上方；

4.利用激光冲击力对毛坯件进行拉深、胀形处理，毛坯件逐渐成形为半空心铆钉，并与待铆接件一起形成铆接结构。

由于上凹模截面存在环形阵列结构，因此利用上凹模冲裁获取的毛坯件边缘存在对应的阵列结构，借助上凹模的轴向移动和绕轴转动，实现上凹模与毛坯件的错位，进而对毛坯件提供压紧力。

因此，上凹模既作为毛坯冲裁时的凹模，也作为铆接成形时的压边模。

优选的，所述的环形阵列结构整体为星形或齿轮形。具有星形或齿轮形的毛坯边缘材料，在后续的成形过程中，更加容易向内部流动，从而更易形成半空心铆钉的尾部，其它区域也更易成形为铆钉头部。

进一步优选的，待铆接件具有通孔，半空心铆钉在该通孔和下凹模的凹槽中进行拉深或胀形。

优选的，激光束参数具有可调节性，进行冲裁、拉深、胀形等工艺时可选择不同参数的激光束。

本发明还提供了一种半空心铆钉的激光冲击成形同步铆接装置，包括可调节的脉冲激光束、压边圈、制作半空心铆钉的板材、上凹模和下凹模；所述的上凹模安装在下凹模上方，上凹模和下凹模之间用于放置待铆接件，制作半空心铆钉的板材放在上凹模上，且通过压边圈压紧，所述的可调节的脉冲激光束用于将所述板材成型为半空心铆钉，实现待铆接件的铆接。

进一步的，所述激光束可以控制激光束相关参数，包括光斑形状、直径、脉冲能量、脉冲频率、脉冲次数等，从而在不同的工艺过程中进行相应的调节；

进一步的，所述压边圈有助于提高板材的激光冲裁质量，有助于冲裁出平整的铆钉毛坯。

进一步的，所述板材是制作半空心铆钉的原材料，具有良好的塑性成形性能，同时能够满足铆接结构强度的要求；

进一步的，所述上凹模是横截面为环形阵列结构的筒状结构，上凹模可以轴向移动和绕轴转动；利用上凹模进行激光冲裁获得的毛坯件边缘存在对应的环状阵列结构，从而在后续的成形过程中易于向内流动；通过上凹模的轴向运动和绕轴转动，可以将毛坯件边缘压紧在待铆接件上方；

进一步的，所述待铆接件为两层或者以上的板件，并优选预置通孔的板件；所述的通孔与上凹模同轴，激光冲裁获得的毛坯件正好下落至待铆接部位上方。

进一步的，所述下凹模与待铆接件通孔一起，共同约束毛坯件的变形，最终在下凹模中形成半空心铆钉的头部。

值得说明的是，本发明中的上凹模和下凹模中的“上”和“下”只是为了限定这两部分的相对位置，并不是传统意义上的地理方位上的“上”和“下”，在此将上凹模所在位置定义为上，下凹模所在位置定义为下，自上凹模到下凹模的方向即为从上到下。

本发明的有益效果是：

(1)简化工序。传统铆接工艺一般需要先制造铆钉，再进行装配和铆接，本发明采用脉冲激光诱导的冲击力制造半空心铆钉，并将铆钉毛坯的冲裁、装配、成形、铆接同步同工位完成，简化了操作工序，提高了生产效率。

(2)铆钉成形容易。通过激光束和带阵列结构的筒状上凹模，冲裁出边缘呈环形阵列结构的铆钉毛坯(如齿轮形毛坯)。由于在后续的铆钉成形中，毛坯边缘材料将沿径向向内流动，从而产生径向拉应力和周向压应力。与圆形毛坯相比，边缘呈环形阵列结构的毛坯将显著减小周向压应力和径向拉应力，使材料更容易产生径向流动，并避免起皱和拉裂缺陷，从而使铆钉成形更加容易。

(3)铆接质量高。筒状上凹模不仅作为毛坯冲裁时的凹模，还同时作为铆接成形时的压边模。通过上凹模的简单运动对毛坯件边缘形成良好的压紧，形成的铆钉尾部平整，铆接质量高。与实心铆钉相比，通过激光冲击形成的半空心铆钉，在铆接过程中，对被连接板的径向和周向压迫小，一般不会造成残余应力，从而避免应力腐蚀等现象。

(4)工艺方法的柔性高。传统工艺中，不同型号、尺寸的铆钉在制造、装配及铆接过程中需要配备相应的工艺设备，而脉冲激光的各种工艺参数方便调节，能够更好地适应实际生产中不同工况的要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是激光束作用于板材上，进行铆钉毛坯件的激光冲裁；

图2是冲裁完成，上凹模轴向移动和绕轴转动；

图3是上凹模压紧铆钉毛坯，脉冲激光作用于铆钉毛坯上；

图4是毛坯在激光冲击作用下塑性成形为半空心铆钉，铆接完成。

图5是通过上凹模的运动压紧毛坯件的示意图，其中上凹模的内腔与毛坯件边缘存在对应的阵列结构，通过上凹模的绕轴转动，实现上凹模与毛坯件阵列结构的错位，并通过上凹模轴向移动，实现对毛坯件的压紧。

其中，1、脉冲激光束，2、压边圈，3、板材，4、上凹模，5、待铆接件，6、下凹模，7、毛坯件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，传统铆接工艺中需要预先制备铆钉，装配以后再实现铆接，工序较多；铆钉加工及铆接过程中一般使用液压、气动、电动等动力源，将铆钉送到铆接位置，然后驱使铆钉塑性变形为特定形状和尺寸，最终实现铆接。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种半空心铆钉的激光冲击成形及同步铆接方法及装置。

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种半空心铆钉的激光冲击成形同步铆接装置，其结构如图1所示，包括参数可调节的脉冲激光束1、压边圈2、制作半空心铆钉的板材3、上凹模4、待铆接件5、下凹模6等，从上向下依次为压边圈2、板材3、上凹模4、待铆接件5、下凹模6；具体结构如下：

上凹模4安装在下凹模6上方，上凹模4和下凹模6之间用于放置待铆接件5，制作半空心铆钉的板材3放在上凹模4上，且通过压边圈2压紧，所述的可调节的脉冲激光束用于将所述板材成型为半空心铆钉，实现待铆接件的铆接。

其中：脉冲激光束1光斑形状、直径、脉冲能量、脉冲频率、脉冲次数等相关参数可调，在激光冲裁时，可选用圆环形激光束，选用较高脉冲能量，进行激光冲击拉深及胀形时，可选用圆柱形激光束，选用较低脉冲能量和适当脉冲次数。

压边圈2将板材3压紧在上凹模4上方，减轻激光冲裁时板材3的材料流动，提高所获得的毛坯件7的质量；

板材3是制作半空心铆钉的原材料，具有良好的塑性成形性能，同时能够满足铆接结构强度的要求；

上凹模4是横截面为环形阵列结构的筒状结构，配合运动机构，可以实现上凹模4的轴向移动和绕轴转动。利用上凹模4进行激光冲裁获得的毛坯件7存在对应的环状阵列结构，通过上凹模的轴向运动和绕轴转动，可以将毛坯件7边缘压紧在待铆接件上方；图5所示为通过上凹模的运动压紧毛坯件的示意图，针对图2中的上凹模4实例，冲裁件7不动，上凹模4逆时针转动18°，实现上凹模4与冲裁件7的错位。

待铆接件5为两层或者以上的开有通孔的板件，通孔与上凹模同轴，激光冲裁获得的毛坯件7正好下落至通孔上方；

下凹模6与待铆接件5的通孔一起，共同约束毛坯件7的变形形状，最终在下凹模6中形成半空心铆钉的头部。所述下凹模带有型腔，型腔的形状优选为圆柱形或者球圈形，这里所述的球圈形为类似于半球形的结构。

具有阵列结构的毛坯件边缘部位最终成为半空心铆钉的尾部；其它部位通过激光产生的冲击力形成半空心铆钉的头部；

上凹模截面存在环形阵列结构，因此利用上凹模冲裁获取的毛坯件边缘存在对应的阵列结构，借助上凹模的轴向移动和绕轴转动，实现上凹模与毛坯件的错位，进而对毛坯件提供压紧力。

本装置的具体实施方法如下：

(a)板材3被传送至上凹模4上方，压边圈2将板材压紧，选用圆环形脉冲激光束1进行激光冲裁，冲裁件7下落至待铆接件5通孔上方，冲裁件7边缘具有对应于上凹模4的环形阵列结构，。

(b)运动机构控制上凹模4按照图2中所示运动方式，发生轴向运动和特定角度的绕轴运动，上凹模4上的环形阵列结构与冲裁件7上的环形阵列结构发生错位，从而将冲裁件7压紧在待铆接件5上方。

(c)选用适当参数的脉冲激光束1对冲裁件7进行激光冲击成形，上凹模4对冲裁件7提供压边力，冲裁件7边缘的环形阵列结构形成半空心铆钉的尾部，冲裁件7中间部位在待铆接件5和下凹模6共同约束下发生变形。

(d)在脉冲激光的多次冲击下，冲裁件7的中间部位发生激光冲击拉深及胀形，最终在下凹模6中形成半空心铆钉的头部，实现半空心铆钉的成形并实现铆接.

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)简化工序。传统铆接工艺一般需要先制造铆钉，再进行装配和铆接，本发明采用脉冲激光诱导的冲击力制造半空心铆钉，并将铆钉毛坯的冲裁、装配、成形、铆接同步同工位完成，简化了操作工序，提高了生产效率。

(2)铆钉成形容易。通过激光束和带阵列结构的筒状上凹模，冲裁出边缘圆形呈阵列结构的铆钉毛坯(如齿轮形毛坯)。由于在后续的铆钉成形中，毛坯边缘材料将沿径向向内流动，从而产生径向拉应力和周向压应力。与圆形毛坯相比，边缘呈环形阵列结构的毛坯将显著减小径向拉应力和周向压应力，使材料更容易产生径向流动，并避免起皱和拉裂缺陷，从而使铆钉成形更加容易。

(3)铆接质量高。筒状上凹模不仅作为毛坯冲裁时的凹模，还同时作为铆接成形时的压边模。通过上凹模的简单运动对毛坯件边缘形成良好的压紧，形成的铆钉尾部平整，铆接质量高。与实心铆钉相比，通过激光冲击形成的半空心铆钉，在铆接过程中，对被连接板的径向和周向压迫小，一般不会造成残余应力，从而避免应力腐蚀等现象。

(4)工艺方法的柔性高。传统工艺中，不同型号、尺寸的铆钉在制造、装配及铆接过程中需要配备相应的工艺设备，而脉冲激光的各种工艺参数方便调节，能够更好地适应实际生产中不同工况的要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。