CN114918361B - 一种低频辅助自冲铆接装置及使用其的铆接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械连接技术领域，提供了一种低频辅助自冲铆接装置及使用其的铆接方法。包括：低频振动发生装置、液压缸、配合使用的压边圈和凹模；所述液压缸的输出端依次连接有力传感和冲头，所述冲头进入所述压边圈驱动半空心铆钉上下移动靠近或远离所述凹模；在所述冲头和半空心铆钉的上下移动过程中伴随有低频振动。本发明的有益效果在于：半空心铆钉工作时伴随有低频振动，穿刺上板材时减小了冲头下压的力，同时摩擦作用减小了对上板材中纤维的损伤，提高了铆接接头的力学性能；穿刺下板材时软化了下板材的材料，促进了下板材的变形，有效的防止了在铆接过程中下板材材料发生开裂，有利于使板材材料更好的填充凹模，也降低了冲头下压力。

Description

一种低频辅助自冲铆接装置及使用其的铆接方法
技术领域
本发明涉及机械连接技术领域，具体涉及一种低频辅助自冲铆接装置及使用其的铆接方法。
背景技术
自冲铆是在室温下利用半空心铆钉刺穿上板、再刺入下板发生塑性变形使钉角扩张，从而形成机械内锁结构，实现板材连接。具有无需预制孔、连接效率高和可靠性好等工艺特点，同时铆接接头具有良好的密封性、高强度及高疲劳特性，已在车身制造中广泛应用，并逐渐推广至航空航天领域。
碳纤维复合材料和铝、镁、钛等轻质合金是现代汽车、轨道交通和航空航天飞行器轻量化的重要途径，在碳纤维复合材料和轻合金的自冲铆接工艺中，由于碳纤维复合材料本身具有较高的脆性，在自冲铆过程中，铆钉钉腿会刺穿碳纤维板导致复材板内发生纤维断裂、基体开裂和层间分离等损伤，严重降低铆接构件的连接强度和使用寿命；同时随着底层轻合金板材强度的提高，要求使用强度与之匹配的合金铆钉，这就导致了铆钉腿在高强板的约束下易产生微裂纹、难以向外扩张变形、不能驱使板材发生足够的塑性变形来形成高质量的机械互锁
为了解决上述问题，目前存在热自冲铆和电磁自冲铆两种铆接工艺。但热输入和电磁高速冲击载荷均会造成复合材料内部损伤，而且温度不均匀分布易在钉孔周围产生残余拉应力，导致接头疲劳寿命降低。
因此，需要对现有的铆接工艺进行改进，研究出一种能避免材料损伤、改善材料塑性、形成良好接头质量的铆接方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低频辅助自冲铆接装置及使用其的铆接方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低频辅助自冲铆接装置，包括：低频振动发生装置、液压缸、配合使用的压边圈和凹模；所述液压缸的输出端依次连接有力传感和冲头，所述冲头进入所述压边圈驱动半空心铆钉上下移动靠近或远离所述凹模；在所述冲头和半空心铆钉的上下移动过程中伴随有低频振动。
可选实施例中，所述铆接装置还包括用于控制所述液压缸工作的伺服阀，用于测量所述液压缸移动距离的位移传感器及用于显示力传感受力大小的压力计。
另一方面，本发明还提供了一种使用如上所述的低频辅助自冲铆接装置的铆接方法，包括如下步骤：
S1，将需要铆接的上板材和下板材组对，且充分接触在一起；
S2，将组对完成的所述上板材与下板材置于所述凹模的上方；
S3，将所述压边圈置于所述上板材的上方，同时压紧所述上板材的表面；
S4，将所述半空心铆钉置于所述压边圈之中，使所述半空心铆钉与所述上板材的上表面接触；
S5，所述液压缸工作，驱动所述冲头向下运动并伴随有低频振动，驱动所述半空心铆钉刺入并穿透所述上板材，随后所述半空心铆钉刺入到所述下板材中，使所述下板材发生变形，直至所述凹模被完全填充；
S6，所述凹模被完全填充后，所述冲头停止运动，并停留一段时间；
S7，所述冲头离开所述半空心铆钉回程向上运动，同时撤走所述压边圈和凹模，所述冲头向上运动到指定位置，铆接过程完成。
可选实施例中，S5中，所述冲头的运动速度为1-10mm/min，穿透所述上板材的时间为2-10s。
可选实施例中，S6中，所述冲头的停留时间为5-10秒。
可选实施例中，所述上板材为复合材料板，所述复合材料板中包括由热塑性树脂基或热固性树脂基组成的树脂基体和增强相；所述增强相选用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种或多种；所述热塑性树脂基选用聚酰胺、聚乙酰亚胺、聚醚醚酮和聚苯乙烯的其中一种或多种，所述热固性树脂基选用环氧树脂或酚醛树脂。
可选实施例中，所述下板材为轻合金板，所述轻合金板为高强铝合金、镁合金或钛合金。
可选实施例中，S5中，所述的低频振动的振动频率为0-50Hz，振动幅度为0-0.3mm，振动方向为上下振动。
可选实施例中，所述力传感器与所述冲头之间通过螺栓连接的方式连接。
本发明的有益效果在于：
(1)该铆接方法中，半空心铆钉穿刺上材板时伴随有纵向的低频振动，减小了冲头下压的力，同时摩擦作用减小了对上板材中纤维的损伤，提高了铆接接头的力学性能。同时，半空心铆钉穿刺下板材时伴随有纵向的低频振动，软化了下板材的材料，促进了下板材的变形，有效的防止了在铆接过程中下板材材料发生开裂，有利于使下板材材料更好的填充凹模，同时降低了冲头下压力。
(2)该装置中的低频振动的发生装置为伺服压力机辅助的电液式激振器，工作稳定，成本较低，易实现自动化，同时不会出现超声振动在大载荷的作用下无法正常起振的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一实施例提供的低频辅助自冲铆接装置的整体结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的低频辅助自冲铆接装置的铆接过程示意图。
其中，图中附图标记为：伺服阀1，液压缸2，力传感器3，冲头4，压边圈5，半空心铆钉6，上板材7，下板材8，凹模9。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅附图1-2，本实施例的目的在于提供了一种低频辅助自冲铆接装置，包括：低频振动发生装置、液压缸2、配合使用的压边圈5和凹模9，优选地，低频振动的发生装置为伺服压力机辅助的电液式激振器，工作稳定，成本较低，易实现自动化，同时不会出现超声振动在大载荷的作用下无法正常起振的现象。液压缸的输出端依次连接有力传感3和冲头4，力传感器3与冲头4之间通过螺栓连接的方式连接。冲头4进入压边圈5驱动半空心铆钉6上下移动靠近或远离凹模9；在冲头4和半空心铆钉6的上下移动过程中伴随有低频振动。
具体地，冲头4和半空心铆钉6工作时穿刺上板材7和下板材8。需要指出的是，上板材7为复合材料板，复合材料板中包括由热塑性树脂基或热固性树脂基组成的树脂基体和增强相；增强相选用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种或多种；热塑性树脂基选用聚酰胺、聚乙酰亚胺、聚醚醚酮和聚苯乙烯的其中一种或多种，热固性树脂基选用环氧树脂或酚醛树脂。下板材8为轻合金板，轻合金板为高强铝合金、镁合金或钛合金。半空心铆钉6穿刺上板材7时伴随有纵向的低频振动，减小了冲头4下压的力，同时摩擦作用减小了对上板材7中纤维的损伤，提高了铆接接头的力学性能。同时，半空心铆钉6穿刺下板材8时也伴随有纵向的低频振动，软化了下板材8的材料，促进了下板材8的变形，有效的防止了在铆接过程中下板材8材料发生开裂，有利于使下板材8材料更好的填充凹模9，同时降低了冲头4下压力。
此外，铆接装置还包括用于控制液压缸2工作的伺服阀1，用于测量液压缸2移动距离的位移传感器及用于显示力传感3受力大小的压力计。
本发明另一实施例中提供了一种使用如上所述的低频辅助自冲铆接装置的铆接方法，包括如下步骤：
S1，将需要铆接的上板材7和下板材8组对，且充分接触在一起；
S2，将组对完成的上板材7与下板材8置于凹模9的上方；
S3，将压边圈5置于上板材5的上方，同时压紧上板材7的表面；
S4，将半空心铆钉6置于压边圈5之中，使半空心铆钉6与上板材7的上表面接触；
S5，液压缸2工作，驱动冲头4向下运动并伴随有低频振动，冲头4的运动速度为1-10mm/min，驱动半空心铆钉6刺入并穿透上板材7，穿透上板材7的时间为2-10s；随后半空心铆钉6刺入到下板材8中，使下板材8发生变形，直至凹模9被完全填充；还需要指出的是，低频振动的振动频率为0-50Hz，振动幅度为0-0.3mm，振动方向为上下振动；
S6，凹模9被完全填充后，冲头4停止运动，并停留一段时间，优选地，冲头4的停留时间为5-10秒；
S7，冲头4离开半空心铆钉6回程向上运动，同时撤走压边圈5和凹模9，冲头4向上运动到指定位置，铆接过程完成。
值得一提的是，伺服压力机发出低频振动施加在冲头4上，在铆接过程中，冲头4的低频振动被传递到半空心铆钉6上；当半空心铆钉6与上板材7接触时，在低频振动的驱动之下，半空心铆钉6在穿刺上板材7的时候伴随有纵向振动，与此同时上板材在半空心铆钉6的带动下发生振动，从而与下板材8的表面发生摩擦，当半空心铆钉6刺穿上板7后，进一步向下运动接触下板材8，使得半空心铆钉6在穿刺下板材8伴随有纵向振动，与此同时，下板材8在半空心铆钉6的带动下发生振动，从而与凹模9表面发生摩擦。上述摩擦作用在铆接过程中充分的软化了半空心铆钉6穿刺部分的板材材料，提高了材料的塑性，从而降低了铆接阻力，减小了板材的内部损伤，促进了合金板变形，顶腿扩张并提高了机械内锁，从而提高了接头的机械性能。
为了更好地验证低频振动带来的软化效果，对已经下几种板材合金进行的试验，如下：
利用低频振动对Ti45Nb钛合金(下板材)进行变形，不同频率和振幅的低频振动均对其产生软化作用，流变应力最大降幅达54.1％，如表1和2所示。
表1
振动幅度 0mm(无振动) 0.05mm 0.1mm 0.2mm 0.3mm
变形应力 680.72MPa 568.40MPa 478.95MPa 410.54MPa 312.23MPa
下降幅度 0％ 16.5％ 29.5％ 39.7％ 54.1％
表2
振动频率 0Hz(无振动) 10Hz 20Hz 30Hz
变形应力 677.83MPa 481.26MPa 362.56MPa 338.66MPa
下降幅度 0％ 29％ 46.3％ 49.8％
利用低频振动对6063钛合金(下板材)进行变形，不同频率和振幅的低频振动均对其产生软化作用，流变应力最大降幅达50.4％，如表3和4所示。
表3
振动幅度 0mm(无振动) 0.05mm 0.1mm 0.2mm 0.3mm
变形应力 69.00MPa 55.72MPa 49.84MPa 40.83MPa 34.21MPa
下降幅度 0％ 19.2％ 27.7％ 40.8％ 50.4％
表4
振动频率 0Hz(无振动) 10Hz 20Hz 30Hz
变形应力 69.00MPa 49.62MPa 45.5MPa 39.72MPa
下降幅度 0％ 29.0％ 34.0％ 42.4％
需要指出的是，步骤S1中，下板材选用2A12铝合金板，上板材选用碳纤维增强环氧树脂树脂基复合材料；步骤S5中采用的低频振动的振幅为0.1mm，振频为20Hz，刺入上板材的时间为5s；步骤S7中，冲头停止运动后的停留时间为8s；本实例中的其他步骤与上述实施过程一致。
采用低频后的成形的平均峰值载荷相较于无振动条件下下降了23.8％；同时成型后的铆接接头的抗拉强度提高了8.5％，失效位移提升了30.85％。
可选实施例中，驱动冲头4驱动半空心铆钉6刺入并穿透上板材7时，由于上板材内部的材质由于加工制作过程和材料本身的特性，内部硬度并不相同，在半空心铆钉6刺入的过程中，其受到的压力也不同，力传感器3检测到压力不同时，在伴随低频振动的过程中，根据压力值实时调节半空心铆钉6的穿过速度、低频振动的频率、振幅以使上板材内部材料受到与之硬度相匹配的低频振动参数达到预期的软化效果，避免上板材发生额外变形；同理，下板材为合金材料，其内部材料的硬度从上至下也不相同，在使其变形的过程中对低频振动的参数要求更高，需要进一步减小振幅、增大震动频率，降低冲头4的下降速度，根据力传感器3检测到压力实时调整冲头4的穿过速度、低频振动的频率、振幅以使下板材内部材料受到与之硬度相匹配的低频振动参数达到预期的软化效果，达到最佳铆接效果。即，以力传感器3实时检测的压力值为依据，冲头4根据上、下板材的内部从上至下硬度的不同，实时调节冲头4低频振动的振幅、频率以及下降速度，达到各板材内部最佳的软化效果和铆接效果。具体调整方式可为：在力传感器3实时检测的压力值较大时(硬度较大时)，减小振幅，加快低频振动频率，降低冲头4的下降速度；在力传感器3实时检测的压力值较小时(硬度较小时)，增大振幅，降低低频振动频率，增大冲头4的下降速度，保证板材内部软化效果及铆接效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种使用低频辅助自冲铆接装置的铆接方法，该低频辅助自冲铆接装置包括：低频振动发生装置、液压缸(2)、配合使用的压边圈(5)和凹模(9)；所述液压缸的输出端依次连接有力传感器(3)和冲头(4)，所述冲头(4)进入所述压边圈(5)驱动半空心铆钉(6)上下移动靠近或远离所述凹模(9)；
其特征在于，在所述冲头(4)和半空心铆钉(6)的上下移动过程中伴随有低频振动；所述铆接装置还包括用于控制所述液压缸(2)工作的伺服阀(1)，用于测量所述液压缸(2)移动距离的位移传感器及用于显示力传感器(3)受力大小的压力计；
所述铆接方法包括如下步骤：
S1，将需要铆接的上板材(7)和下板材(8)组对，且充分接触在一起；
S2，将组对完成的所述上板材(7)与下板材(8)置于所述凹模(9)的上方；
S3，将所述压边圈(5)置于所述上板材(7)的上方，同时压紧所述上板材(7)的表面；
S4，将所述半空心铆钉(6)置于所述压边圈(5)之中，使所述半空心铆钉(6)与所述上板材(7)的上表面接触；
S5，所述液压缸(2)工作，驱动所述冲头(4)向下运动并伴随有低频振动，驱动所述半空心铆钉(6)刺入并穿透所述上板材(7)，随后所述半空心铆钉(6)刺入到所述下板材(8)中，使所述下板材(8)发生变形，直至所述凹模(9)被完全填充；
所述冲头(4)以力传感器(3)实时检测的压力值为依据，根据上、下板材的内部从上至下硬度的不同，实时调节冲头(4)低频振动的振幅、频率以及下降速度；调整方式为：在力传感器(3)实时检测的压力值较大时，减小振幅，加快低频振动频率，降低冲头(4)的下降速度；在力传感器(3)实时检测的压力值较小时，增大振幅，降低低频振动频率，增大冲头(4)的下降速度；
S6，所述凹模(9)被完全填充后，所述冲头(4)停止运动，并停留一段时间；
S7，所述冲头(4)离开所述半空心铆钉(6)回程向上运动，同时撤走所述压边圈(5)和凹模(9)，所述冲头(4)向上运动到指定位置，铆接过程完成。
2.如权利要求1所述的铆接方法，其特征在于，S5中，所述冲头(4)的运动速度为1-10mm/min，穿透所述上板材(7)的时间为2-10s。
3.如权利要求2所述的铆接方法，其特征在于，S6中，所述冲头(4)的停留时间为5-10秒。
4.如权利要求3所述的铆接方法，其特征在于，所述上板材(7)为复合材料板，所述复合材料板中包括由热塑性树脂基或热固性树脂基组成的树脂基体和增强相；所述增强相选用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维中的一种或多种；所述热塑性树脂基选用聚酰胺、聚乙酰亚胺、聚醚醚酮和聚苯乙烯的其中一种或多种，所述热固性树脂基选用环氧树脂或酚醛树脂。
5.如权利要求3所述的铆接方法，其特征在于，所述下板材(8)为轻合金板，所述轻合金板为高强铝合金、镁合金或钛合金。
6.如权利要求3所述的铆接方法，其特征在于，S5中，所述的低频振动的振动频率为0-50Hz，振动幅度为0-0.3mm，振动方向为上下振动。
7.如权利要求3所述的铆接方法，其特征在于，所述力传感器(3)与所述冲头(4)之间通过螺栓连接的方式连接。
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