CN113118309B - 一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法及装置 - Google Patents
一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法及装置，属于金属连接技术领域。本方法采用挤压凸模多次对磁流变弹性环加载卸载的方式，利用磁流变弹性环与板材之间的摩擦作用，使得超薄板材向凹模内流动，并在凹模内形成一定高度的凸起，最后利用成形凸模对凸起的超薄板材进行挤压变形，形成机械锁扣，实现超薄板材的连接。该方法与现有设备的兼容性好，操作步骤简单，易实现自动化生产，大大提高了连接的效率，在保证可靠连接强度的前提下，避免了母材在变形过程中的损坏，提高了经济性。
Description
技术领域
本发明属于金属连接技术领域，具体涉及一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法及装置。
背景技术
塑性连接由于不需要辅助材料(铆钉等)、高效节能、可连接异质材料、对设备要求低等优势，近年来在工程制造业得到了较为广泛的应用，一些新的连接技术如无铆连接、平底铆接、双面自冲铆接、激光冲击铆接等得到了快速的发展，在常规壁厚板材铆接中发挥了重要作用。如无铆连接依靠板材之间的塑性变形形成机械锁扣，无需外加材料、更加经济，对环境无污染，成形简单，易于实现自动化。
薄壁零件在轻量化中发挥了重要作用，超薄板材连接在电子、精密仪器制造中应用广泛。因此，超薄板材的连接也日益受到工程界和学术界的重视。超薄板材壁厚一般在10～100微米范围，微米级别下材料的非均质性和内部缺陷将会被放大，同时壁厚极薄，对板材与模具件摩擦条件更为敏感，变形过程中更容易出现壁厚减薄引起的破裂。现有的常规铆接工艺很容易引起板材破裂，若采用预制孔又存在破坏母材强度的问题。目前，超薄板材连接工艺主要有激光冲击铆接或胶接，激光冲击铆接工艺需要专用的设备，装置结构较为复杂，成本高；而胶接又存在强度较低，可靠性差的缺点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法及装置，与现有设备的兼容性好，操作步骤简单，易实现自动化生产，大大提高了连接的效率，在保证可靠连接强度的前提下，避免了母材在变形过程中的损坏，提高了经济性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法，使用的装置包括挤压凸模、压边圈、磁流变弹性环、下模、线圈、第一凹模、第二凹模、成形凸模和平底凸模；挤压凸模为工作端为凸台的圆柱体，凸台的高度小于磁流变弹性环的高度；成形凸模为工作端中部凸起的圆柱体；平底凸模为圆柱体；第一凹模的型腔入口边缘为过渡圆角；第二凹模的型腔直径大于第一凹模；
方法包括：
S1：将第一凹模与下模固定连接，待铆接的上板材与下板材叠放并夹持在压边圈和下模之间，第一凹模置于上板材与下板材待铆接部位下方，并位于下模内；磁流变弹性环置于压边圈内的上板材上部；挤压凸模套装在压边圈内部，下端与磁流变弹性环接触，线圈设在压边圈外侧，并与外部电源连接；
S2：线圈通电，调节电流至预设大小，在线圈内外部产生闭合的磁场回路，磁流变弹性环的刚度发生改变，上板材和下板材与磁流变弹性环间产生摩擦关系；挤压凸模下行，挤压磁流变弹性环发生变形，在变形过程中，磁流变弹性环沿压边圈向下流动变形的同时，上板材和下板材向第一凹模内流动，并在第一凹模内形成凸起；
S3：线圈断电，挤压凸模上行，磁流变弹性环随之变形，当凸模上行至初始位置时，磁流变弹性环的形状恢复；
S4：重复S2～S3数次，直到上板材和下板材形成的凸起叠加变形至预设高度；将挤压凸模更换为平底凸模，调整平底凸模的工作端平面与上板材的上平面接触；将第一凹模更换为第二凹模，将成形凸模套装在第二凹模内；
S5：成形凸模上行，其工作端的凸起挤压上板材和下板材形成的凸起发生反向变形，并且在反向变形的两侧形成机械锁扣，成形凸模上行至预设尺寸后停止，得到铆接完成的上板材和下板材。
优选地，上板材和下板材的厚度为30～70μm，上板材和下板材为铜箔或铝箔。
优选地，压边圈内壁下端为向内侧倾斜的锥角，磁流变弹性环外壁下端的形状与压边圈内壁下端的锥角匹配。
进一步优选地，锥角的角度为3°～10°。
优选地，挤压凸模的下行速度为0.05～0.2mm/s。
优选地，挤压凸模上行速度为0.1～2mm/s。
优选地，线圈产生的电流为0～20A，磁场强度为0～20T。
优选地，挤压凸模工作端的凸台的边缘为过渡圆角。
优选地，成形凸模工作端的中部凸起为圆滑曲面，并且中部凸起与周围圆滑过渡。
本发明公开的实现上述超薄板材摩擦辅助铆接方法的装置，包括挤压凸模、压边圈、磁流变弹性环、下模、线圈、第一凹模、第二凹模、成形凸模和平底凸模；
第一凹模和第二凹模能够与下模固定连接，挤压凸模和平底凸模能够套装在压边圈内部，下端与磁流变弹性环接触，线圈设在压边圈外侧，并与外部电源连接；成形凸模能够套装在第二凹模内；挤压凸模为工作端为凸台的圆柱体，凸台的高度小于磁流变弹性环的高度；成形凸模为工作端中部凸起的圆柱体；平底凸模为圆柱体；第一凹模的型腔入口边缘为过渡圆角；第二凹模的型腔直径大于第一凹模。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，采用挤压凸模多次对磁流变弹性环加载卸载的方式，利用磁流变弹性环与板材之间的摩擦作用，使得超薄板材向凹模内流动，并在凹模内形成一定高度的凸起，最后利用成形凸模对凸起的超薄板材进行挤压变形，形成机械锁扣，实现超薄板材的连接。通过对线圈输入电流的控制，调控磁流变弹性体与板材之间的摩擦系数，控制每次下压过程的变形程度，逐次累加变形，从而有效减小局部过分减薄破裂的风险。该方法与现有设备的兼容性好，操作步骤简单，易实现自动化生产，大大提高了连接的效率，在保证可靠连接强度的前提下，避免了母材在变形过程中的损坏，提高了经济性。
进一步地，上板材和下板材的厚度为30～70μm，该厚度的超薄板材，若板料太薄，磁流变弹性体与板料之间的较大摩擦作用会挤裂板料；若板料太厚，板料变形所需的力会随之增加，磁流变弹性环与板料之间的摩擦作用力并不能使得板料发生向凹模流动的过程。
进一步地，压边圈内壁下端为向内侧倾斜的锥角，磁流变弹性环外壁下端的形状与压边圈内壁下端的锥角匹配，能够对磁流变弹性环的变形起导向作用。锥角的存在主要考虑到磁流变弹性体在受到挤压变形时能更好的向径向方向变形，避免板料在径向流动中的速度忽然增大，撕裂板料。若没有锥角，则主要依靠挤压凸模的圆台侧面与磁流变弹性环之间的相互作用，使得弹性环随着挤压凸模不断下行而向径向方向流动，所需要的挤压力更大，其变形速度会忽然增大，不利于薄板向凹模内平缓的流动。而锥角的存在会使磁流变弹性环向径向流动所需的力更小，对弹性环的性能要求更低，板料向凹模内流动速度更加平缓。
更进一步地，锥角的角度为3°～10°，若锥角度数太小，对板料成形的影响很小，则与没有锥角的情况相似。若锥角度数太大，则压边圈与弹性环之间的挤压力会小，导致压边圈对板料的压边力会相应降低，造成板料起皱现象。
进一步地，挤压凸模的下行速度为0.05～0.2mm/s，下行速度影响着磁流变弹性体的变形，间接影响着板料向凹模内流动的速度。若速度太小，在长时间处于挤压力作用下，会对磁流变弹性体的弹性性能有一定的减弱，同时会增大时间成本。若速度太大，板料流动速度因太快而容易产生破裂。
进一步地，挤压凸模上行速度为0.1～2mm/s，上行速度主要影响着变形后的磁流变弹性环的弹性恢复。若速度太小，会将流入到凹模内的板料也同时随弹性环向上流动，对后面板料连接工艺有一定的影响。若速度太大，因磁流变弹性环弹性回复需要一定的时间，挤压凸模快速上行，磁流变弹性环并不能随着挤压凸模在很短时间内弹性回复，容易出现磁流变弹性环在压边圈内位置的偏移，影响二次下压。
进一步地，线圈产生的电流为0～20A，磁场强度为0～20T，线圈的电流大小主要影响着磁流变弹性环的强度，硬度等性质，间接影响着磁流变弹性环与板料之间的摩擦条件。线圈在通电状态下会提供外加磁场，磁流变弹性环可在外加磁场作用下，强度硬度等性质可在微秒内做出响应。电流大小是根据线圈尺寸、磁流变弹性体尺寸以及能够提供相应磁场强度大小来进行调控的。在不同的电流下，磁流变弹性环与板料之间的摩擦条件不同，为了满足在磁流变弹性环的各个变形阶段下与板料之间的摩擦条件，可通过调控电流大小，进而改变磁场强度大小，使得摩擦条件更加满足板料变形需求。若电流太大，则磁场强度更大，磁流变弹性环的强度硬度等会很大，需要很大的挤压力使得磁流变弹性环发生变形，且因太大硬度会挤裂板料，而且摩擦条件并不适合板料向凹模内流动。
进一步地，挤压凸模工作端的凸台的边缘为过渡圆角，有利于磁流变弹性环的变形流动，避免破损。
进一步地，成形凸模工作端的中部凸起为圆滑曲面，并且中部凸起与周围圆滑过渡，有利于板材的凸起反向变形时形成锁扣，避免发生破损。
本发明公开的实现上述超薄板材摩擦辅助铆接方法的装置，结构设计合理，与现有的成熟加工设备的兼容性好。
附图说明
图1为采用本发明方法进行铆接时装置与板材的初始状态示意图；
图2为挤压凸模一次下行的过程示意图；
图3为挤压凸模一次上行的过程示意图；
图4为挤压凸模二次下行的过程示意图；
图5为挤压凸模二次上行的过程示意图；
图6为挤压凸模三次下行的过程示意图；
图7为挤压凸模三次上行的过程示意图；
图8为成形凸模的初始状态示意图；
图9为成形凸模一次上行过程示意图；
图10为采用本发明方法形成机械锁扣的示意图；
图中：1-挤压凸模、2-压边圈、3-磁流变弹性环、4-下模、5-线圈、6-第一凹模、7-上板材、8-下板材、9-第二凹模、10-成形凸模、11-平底凸模。
具体实施方式
本发明的一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法，所用装置如图1所示，包括挤压凸模1、压边圈2、磁流变弹性环3、下模4、线圈5、第一凹模6、第二凹模9、成形凸模10和平底凸模11；挤压凸模1为工作端为凸台的圆柱体，凸台的高度小于磁流变弹性环3的高度；成形凸模10为工作端中部凸起的圆柱体；平底凸模11为圆柱体；第一凹模6的型腔入口边缘为过渡圆角；第二凹模9的型腔直径大于第一凹模6。
上板材7和下板材8一般为厚度30～70μm的铜箔或铝箔。
在本发明的一个较优的实施例中，压边圈2内壁下端为向内侧倾斜的锥角，磁流变弹性环3外壁下端的形状与压边圈2内壁下端的锥角匹配。优选地，锥角的角度为3°～10°。
在本发明的一个较优的实施例中，挤压凸模1工作端的凸台的边缘为过渡圆角。
在本发明的一个较优的实施例中，成形凸模10工作端的中部凸起为圆滑曲面，并且中部凸起与周围圆滑过渡。
连接过程包括以下步骤：
S1：将第一凹模6与下模4固定连接，待铆接的上板材7与下板材8叠放并夹持在压边圈2和下模4之间，第一凹模6置于上板材7与下板材8待铆接部位下方，并位于下模4内；磁流变弹性环3置于压边圈2内的上板材7上部；挤压凸模1套装在压边圈2内部，下端与磁流变弹性环3接触，线圈5设在压边圈2外侧，并与外部电源连接；
S2：线圈5通电，调节电流至预设大小，通常电流为0～20A，磁场强度为0～20T；在线圈5内外部产生闭合的磁场回路，磁流变弹性环3的刚度发生改变，上板材7和下板材8与磁流变弹性环3间产生摩擦关系；挤压凸模1下行，挤压磁流变弹性环3发生变形，在变形过程中，磁流变弹性环3沿压边圈2向下流动变形的同时，上板材7和下板材8向第一凹模6内流动，并在第一凹模6内形成凸起；如图2；
S3：线圈5断电，挤压凸模1上行，磁流变弹性环3随之变形，当凸模1上行至初始位置时，磁流变弹性环3的形状恢复；如图3；
S4：重复S2～S3，如图4和5，使挤压凸模1进行二次下行和二次上行；如图6和7，使挤压凸模1进行三次下行和三次上行；直到上板材7和下板材8形成的凸起叠加变形至预设高度；将挤压凸模1更换为平底凸模11，调整平底凸模11的工作端平面与上板材7的上平面接触；将第一凹模6更换为第二凹模9，将成形凸模10套装在第二凹模9内；如图8，可以在拆除磁流变弹性环3更换平底凸模11后，将带锥角的压边圈2更换为不带锥角的压边圈2，使其能够更好地贴合上板材7；
S5：如图9，成形凸模10上行，其工作端的凸起挤压上板材7和下板材8形成的凸起发生反向变形，并且在反向变形的两侧形成机械锁扣，成形凸模10上行至预设尺寸后停止，得到铆接完成的上板材7和下板材8，如图10；
S6：移开装置，取出铆接完成的超薄板材。
需要注意的是，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，使用的装置包括挤压凸模(1)、压边圈(2)、磁流变弹性环(3)、下模(4)、线圈(5)、第一凹模(6)、第二凹模(9)、成形凸模(10)和平底凸模(11)；挤压凸模(1)为工作端为凸台的圆柱体，凸台的高度小于磁流变弹性环(3)的高度；成形凸模(10)为工作端中部凸起的圆柱体；平底凸模(11)为圆柱体；第一凹模(6)的型腔入口边缘为过渡圆角；第二凹模(9)的型腔直径大于第一凹模(6)；
方法包括：
S1：将第一凹模(6)与下模(4)固定连接，待铆接的上板材(7)与下板材(8)叠放并夹持在压边圈(2)和下模(4)之间，第一凹模(6)置于上板材(7)与下板材(8)待铆接部位下方，并位于下模(4)内；磁流变弹性环(3)置于压边圈(2)内的上板材(7)上部；挤压凸模(1)套装在压边圈(2)内部，下端与磁流变弹性环(3)接触，线圈(5)设在压边圈(2)外侧，并与外部电源连接；
S2：线圈(5)通电，调节电流至预设大小，在线圈(5)内外部产生闭合的磁场回路，磁流变弹性环(3)的刚度发生改变，上板材(7)和下板材(8)与磁流变弹性环(3)间产生摩擦关系；挤压凸模(1)下行，挤压磁流变弹性环(3)发生变形，在变形过程中，磁流变弹性环(3)沿压边圈(2)向下流动变形的同时，上板材(7)和下板材(8)向第一凹模(6)内流动，并在第一凹模(6)内形成凸起；
S3：线圈(5)断电，挤压凸模(1)上行，磁流变弹性环(3)随之变形，当凸模(1)上行至初始位置时，磁流变弹性环(3)的形状恢复；
S4：重复S2～S3数次，直到上板材(7)和下板材(8)形成的凸起叠加变形至预设高度；将挤压凸模(1)更换为平底凸模(11)，调整平底凸模(11)的工作端平面与上板材(7)的上平面接触；将第一凹模(6)更换为第二凹模(9)，将成形凸模(10)套装在第二凹模(9)内；
S5：成形凸模(10)上行，其工作端的凸起挤压上板材(7)和下板材(8)形成的凸起发生反向变形，并且在反向变形的两侧形成机械锁扣，成形凸模(10)上行至预设尺寸后停止，得到铆接完成的上板材(7)和下板材(8)。
2.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，上板材(7)和下板材(8)的厚度为30～70μm，上板材(7)和下板材(8)为铜箔或铝箔。
3.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，压边圈(2)内壁下端为向内侧倾斜的锥角，磁流变弹性环(3)外壁下端的形状与压边圈(2)内壁下端的锥角匹配。
4.根据权利要求3所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，锥角的角度为3°～10°。
5.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，挤压凸模(1)的下行速度为0.05～0.2mm/s。
6.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，挤压凸模(1)上行速度为0.1～2mm/s。
7.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，线圈(5)产生的电流为0～20A，磁场强度为0～20T。
8.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，挤压凸模(1)工作端的凸台的边缘为过渡圆角。
9.根据权利要求1所述的超薄板材摩擦辅助铆接的方法，其特征在于，成形凸模(10)工作端的中部凸起为圆滑曲面，并且中部凸起与周围圆滑过渡。
10.一种实现权利要求1～9任意一项所述超薄板材摩擦辅助铆接的方法的装置，其特征在于，包括挤压凸模(1)、压边圈(2)、磁流变弹性环(3)、下模(4)、线圈(5)、第一凹模(6)、第二凹模(9)、成形凸模(10)和平底凸模(11)；
第一凹模(6)和第二凹模(9)能够与下模(4)固定连接，挤压凸模(1)和平底凸模(11)能够套装在压边圈(2)内部，下端与磁流变弹性环(3)接触，线圈(5)设在压边圈(2)外侧，并与外部电源连接；成形凸模(10)能够套装在第二凹模(9)内；挤压凸模(1)为工作端为凸台的圆柱体，凸台的高度小于磁流变弹性环(3)的高度；成形凸模(10)为工作端中部凸起的圆柱体；平底凸模(11)为圆柱体；第一凹模(6)的型腔入口边缘为过渡圆角；第二凹模(9)的型腔直径大于第一凹模(6)。
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