一种低频振动辅助铆接装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种低频振动辅助铆接的装置及其使用方法，包括：底座、液压缸、冲头、第一顶铁、第二顶铁、插入件和旋拧件；其中，液压缸驱动冲头冲压铆钉，底座上可拆卸安装有第一顶铁或第二顶铁；第一顶铁与连接板的接触面具有向下设置的定位凹槽，定位凹槽沿其边缘向上设置有锥形凸起；插入件插入连接板的预留通孔，通过旋拧件固定在连接板上，插入件设置有通孔，旋拧件设置有阶梯螺纹孔，通孔和阶梯螺纹孔分别设置有第二倒角和第一倒角，铆钉铆接后通过第一倒角和第二倒角限位，铆接后插入件和旋拧件的被加载的端面为平面。本发明的有益效果为：成形工艺简单，铆接质量好，操作方便，结构稳定，抗疲劳性能好。

权利要求

1.一种低频振动辅助铆接的装置，包括：底座(17)、液压缸(19)、冲头(18)、第一顶铁(11)、第二顶铁(14)、插入件(3)和旋拧件(4)；其中，所述液压缸(19)驱动所述冲头(18)冲压铆钉(10)，所述底座(17)上可拆卸安装有第一顶铁(11)或第二顶铁(14)；

其特征在于，所述第一顶铁(11)与连接板的接触面具有向下设置的定位凹槽(12)，所述定位凹槽(12)沿其边缘向上设置有锥形凸起(13)，所述第二顶铁(14)与连接板的接触面为平面；所述插入件(3)插入连接板的预留通孔(15)，通过所述旋拧件(4)固定在连接板上，所述插入件(3)设置有通孔，所述旋拧件(4)设置有阶梯螺纹孔，所述通孔和阶梯螺纹孔分别设置有第二倒角(8)和第一倒角(9)，所述铆钉(10)铆接后通过所述第一倒角(9)和第二倒角(8)限位，铆接后所述插入件(3)和旋拧件(4)的被加载的端面为平面，所述插入件(3)和旋拧件(4)的刚度大于所述铆钉(10)的刚度，所述插入件(3)和旋拧件(4)在铆接过程中不变形；

该装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，将上连接板(1)和下连接板(2)预粘接，将两个以上的上连接板(1)和下连接板(2)的预留通孔(15)相应地对齐；

步骤2，弹性套筒(6)、第一垫片(7)、第二垫片(5)置于正确位置后，将插入件(3)插入预留通孔(15)中露出外螺纹，再使用工具将旋拧件(4)的内螺纹与插入件(3)的外螺纹旋合；

步骤3，将第一顶铁(11)安装于底座(17)的上表面，将连接板置于第一顶铁(11)上，使第一顶铁(11)的锥形凸起(13)插入第一顶铁(11)的第一倒角，使旋拧件(4)的阶梯螺纹孔的小孔整体呈圆柱形；

步骤4，将铆钉(10)依次穿过插入件(3)的通孔、旋拧件(4)的阶梯螺纹孔的小孔，在第一顶铁(11)的定位凹槽(12)中定位，其中，通孔、阶梯螺纹孔的小孔、定位凹槽(12)的直径与铆钉(10)的直径相等；启动液压缸(19)驱动冲头(18)，采用0～50Hz频率、0～0.5mm振幅范围的低频振动的方式对铆钉(10)进行加载铆接，直至铆钉(10)的加载端填充满插入件(3)的第二倒角(8)，使插入件(3)的加载面为平面；其中，通过高性能载荷和位移传感器及时采集载荷位移数据，利用JETTER控制器和PID控制算法对液压缸(19)位移和载荷进行实时跟踪和闭环控制，计算并发出反馈信号；电流信号经放大后传递至电液伺服阀线圈，产生磁场使衔铁发生转动，带动挡板和阀体移动，从而精确控制伺服阀流量，使液压缸(19)活塞和冲头(18)达成预先设定的低频振动；

步骤5，将连接板翻转，拆下第一顶铁(11)，安装第二顶铁(14)，将加载为平面的插入件(3)的表面与第二顶铁(14)的平面接触安装，再次启动液压缸(19)驱动冲头(18)，继续采用

0～50Hz频率、0～0.5mm振幅范围的低频振动方式对铆钉(10)的另一端进行加载铆接，直至铆钉(10)的该加载端填充满旋拧件(4)的第一倒角(9)，使旋拧件(4)的加载面为平面；

步骤6，重复上述步骤完成其他预留通孔(15)处的铆接。

2.根据权利要求1所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述连接板包括上连接板(1)和下连接板(2)，所述上连接板(1)和下连接板(2)粘接。

3.根据权利要求2所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述插入件(3)穿出所述连接板的部分设置有外螺纹，所述外螺纹与所述旋拧件(4)的阶梯螺纹孔的内螺纹旋合。

4.根据权利要求3所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述插入件(3)与所述连接板之间沿轴向设置有弹性套筒(6)，所述弹性套筒(6)置于所述预留通孔(15)中。

5.根据权利要求4所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述插入件(3)与所述上连接板(1)之间沿径向设置有第二垫片(5)；所述旋拧件(4)与所述下连接板(2)之间沿径向设置有第一垫片(7)。

6.根据权利要求5所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述插入件(3)和旋拧件(4)的端面设置有多个旋拧凹槽(16)。

7.根据权利要求6所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述上连接板(1)和下连接板(2)通过两个以上插入件(3)和旋拧件(4)连接，所述铆钉(10)的数量与所述预留通孔(15)的数量相等。

8.根据权利要求6所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述铆钉(10)的初始状态位圆柱型。

9.根据权利要求1所述的低频振动辅助铆接的装置，其特征在于，所述液压缸(19)的电液伺服液压系统与低频振动实验设备能够实现0～50Hz频率和0～0.5mm振幅范围内的冲头(18)低频振动。

说明书

一种低频振动辅助铆接装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械连接方式，特别是一种低频振动辅助铆接装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 铆接是利用铆钉杆的镦粗变形从而形成镦头，最终实现板材的连接，该工艺过程简单、连接强度稳定可靠、检查和排除故障容易，广泛应用于复合材料或金属结构的连接。
铆接技术在航空航天领域应用广泛，相较于其他的连接方式，其具有工艺简单、连接牢固等
优势。

[0003] 目前常见的铆接方式有普通铆接、电磁铆接和超声振动辅助铆接等。普通铆接广泛应用于机体中没有特殊要求的部位，但是很难形成稳定均匀的干涉配合，在难成形材料、
复合材料和大尺寸铆钉的铆接过程中容易出现裂纹等缺陷；电磁铆接成形速率高、能够形
成稳定均匀的干涉配合，解决普通铆接出现的技术问题，但是电磁铆接过程中绝大部分由
塑性功转化的热量无法在微秒级的成形时间内散失，在材料内部形成绝热剪切带，甚至会
产生剪切破坏；超声振动辅助铆接所需要的铆接压力低、干涉量沿钉杆分布均匀、铆接结构
稳定牢固、抗疲劳性能好，但是超声振动设备功率低，难以成形高强度或大直径铆钉。

[0004] 因此，需要参考现有的铆接成形方法，研究出一种操作方便、成形工艺简单、铆接质量好的铆接方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种低频振动辅助铆接装置及其使用方法，以解决现有技术中存在的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低频振动辅助铆接的装置，包括：底座、液压缸、冲头、第一顶铁、第二顶铁、插入件和旋拧件；其中，所述液压缸驱动所述
冲头冲压铆钉，所述底座上可拆卸安装有第一顶铁或第二顶铁；所述第一顶铁与连接板的
接触面具有向下设置的定位凹槽，所述定位凹槽沿其边缘向上设置有锥形凸起，所述第二
顶铁与连接板的接触面为平面；所述插入件插入连接板的预留通孔，通过所述旋拧件固定
在连接板上，所述插入件设置有通孔，所述旋拧件设置有阶梯螺纹孔，所述通孔和阶梯螺纹
孔分别设置有第二倒角和第一倒角，所述铆钉铆接后通过所述第一倒角和第二倒角限位，
铆接后所述插入件和旋拧件的被加载的端面为平面，所述插入件和旋拧件的刚度大于所述
铆钉的刚度，所述插入件和旋拧件在铆接过程中不变形。

[0007] 可选实施例中，所述连接板包括上连接板和下连接板，所述上连接板和下连接板粘接。

[0008] 可选实施例中，所述插入件穿出所述连接板的部分设置有外螺纹，所述外螺纹与所述旋拧件的阶梯螺纹孔的内螺纹旋合。

[0009] 可选实施例中，所述插入件与所述连接板之间沿轴向设置有弹性套筒，所述弹性套筒置于所述预留通孔中。

[0010] 可选实施例中，所述插入件与所述上连接板之间沿径向设置有第二垫片；所述旋拧件与所述下连接板之间沿径向设置有第一垫片。

[0011] 可选实施例中，所述插入件和旋拧件的端面设置有多个旋拧凹槽。

[0012] 可选实施例中，所述上连接板和下连接板通过两个以上插入件和旋拧件连接，所述铆钉的数量与所述预留通孔的数量相等。

[0013] 可选实施例中，所述铆钉的初始状态位圆柱型。

[0014] 可选实施例中，所述液压缸的电液伺服液压系统与低频振动实验设备能够实现0～50Hz频率和0～0.5mm振幅范围内的冲头低频振动。

[0015] 另一方面，本发明还提供了一种如上所述的低频振动辅助铆接的装置的使用方法，包括如下步骤：

[0016] 步骤1，将上连接板和下连接板预粘接，将两个以上的上连接板和下连接板的预留通孔相应地对齐；

[0017] 步骤2，弹性套筒、第一垫片、第二垫片置于正确位置后，将插入件插入预留通孔中露出外螺纹，再使用工具将旋拧件的内螺纹与插入件的外螺纹旋合；

[0018] 步骤3，将第一顶铁安装于底座的上表面，将连接板置于第一顶铁上，使第一顶铁的锥形凸起插入第一顶铁的第一倒角，使旋拧件的阶梯螺纹孔的小孔整体呈圆柱形；

[0019] 步骤4，将铆钉依次穿过插入件的通孔、旋拧件的阶梯螺纹孔的小孔，在第一顶铁的定位凹槽中定位，其中，通孔、阶梯螺纹孔的小孔、定位凹槽的直径与铆钉的直径相等；启
动液压缸驱动冲头，采用0～50Hz频率、0～0.5mm振幅范围的低频振动的方式对铆钉进行加
载铆接，直至铆钉的加载端填充满插入件的第二倒角，使插入件的加载面为平面；其中，通
过高性能载荷和位移传感器及时采集载荷位移数据，利用JETTER控制器和PID控制算法对
液压缸位移和载荷进行实时跟踪和闭环控制，计算并发出反馈信号；电流信号经放大后传
递至电液伺服阀线圈，产生磁场使衔铁发生转动，带动挡板和阀体移动，从而精确控制伺服
阀流量，使液压缸活塞和冲头达成预先设定的低频振动；

[0020] 步骤5，将连接板翻转，拆下第一顶铁，安装第二顶铁，将加载为平面的插入件的表面与第二顶铁的平面接触安装，再次启动液压缸驱动冲头，继续采用0～50Hz频率、0～
0.5mm振幅范围的低频振动方式对铆钉(10)的另一端进行加载铆接，直至铆钉的该加载端
填充满旋拧件的第一倒角，使旋拧件的加载面为平面；

[0021] 步骤6，重复上述步骤完成其他预留通孔处的铆接。

[0022] 本发明的有益效果：

[0023] 1.本发明中的低频振动辅助铆接装置及方法适用于钢、铝合金和钛合金，尤其是碳纤维复合材料板的连接，铆钉可以为铝合金和钛合金铆钉，制造成本低，成形工艺简单，
铆接质量好，操作方便，噪音小，生产效率高，相较于普通铆接方式干涉量可提高30％，结构
稳定，抗疲劳性能好。

[0024] 2.本发明中的低频振动辅助铆接装置在使用过程中先采用插入件和旋拧件预连接，其中，插入件和旋拧件连接的刚度远大于铆钉的刚度，插入件和旋拧件在铆接过程中不
发生变形，同时在铆接过程中，铆钉不与连接板接触，既保证了铆接质量，又能够防止连接
板发生变形或损坏。

[0025] 3.本发明中的低频振动辅助铆接装置采用特殊设计的第一顶铁和第二顶铁，配合旋拧件和插入件，使铆钉除两端外其余位置不发生变形，且使铆接完成后旋拧件和插入件
的端面成平面，避免了铆钉额外的伸出，解决了连接板在使用过程中误伤他人的情况，提高
了连接板使用的安全性。需要指出的是，采用锥形凸起和倒角配合的结构达到了上述技术
效果。

附图说明

[0026] 图1是本发明一种低频振动辅助铆接装置的整体结构示意图；

[0027] 图2是本发明一种铆接完成后的两连接板的俯视图；

[0028] 图3是本发明中图2的A‑A向剖视图；

[0029] 图4是本发明中两连接板未铆接时的铆接部件分解剖视图；

[0030] 图5是本发明中两连接板被两顶铁顶紧时的示意图；

[0031] 图6是本发明中两连接板完成铆接时的示意图；

[0032] 图7是本发明中两连接板未铆接时的铆接部件分解图。

[0033] 附图标记说明

[0034] 1上连接板，2下连接板，3插入件，4旋拧件，5第二垫片，6弹性套筒，7第一垫片，8第二倒角，9第一倒角，10铆钉，11第一顶铁，12定位凹槽，13锥形凸起，14第二顶铁，15预留通
孔，16旋拧凹槽，17底座，18冲头，19液压缸。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种低频振动辅助铆接的方法和装置作进一步的详细描述。

[0036] 请参阅附图1‑7，本实施例的目的在于提供了一种低频振动辅助铆接的装置，包括：底座17、液压缸19、冲头18、第一顶铁11、第二顶铁14、插入件3和旋拧件4；其中，液压缸
19驱动冲头18冲压铆钉10，底座17上可拆卸安装有第一顶铁11或第二顶铁14；第一顶铁11
与连接板的接触面具有向下设置的定位凹槽12，定位凹槽12沿其边缘向上设置有锥形凸起
13，第二顶铁14与连接板的接触面为平面；插入件3插入连接板的预留通孔15，通过旋拧件4
固定在连接板上，插入件3设置有通孔，旋拧件4设置有阶梯螺纹孔，通孔和阶梯螺纹孔分别
设置有第二倒角8和第一倒角9，铆钉10铆接后通过第一倒角9和第二倒角8限位，铆接后插
入件3和旋拧件4的被加载的端面为平面，插入件3和旋拧件4的刚度大于铆钉10的刚度，插
入件3和旋拧件4在铆接过程中不变形。在铆接过程中，铆钉10不与连接板接触，既保证了铆
接质量，又能够防止连接板发生变形或损坏。

[0037] 具体地，连接板包括上连接板1和下连接板2，上连接板1和下连接板2粘接，在开始安装插入件3和旋拧件4的过程中保证两连接板的初期稳定。具体地，插入件3穿出连接板的
部分设置有外螺纹，外螺纹与旋拧件4的阶梯螺纹孔的内螺纹旋合。插入件3与连接板之间
沿轴向设置有弹性套筒6，弹性套筒6置于预留通孔15中。插入件3与上连接板1之间沿径向
设置有第二垫片5；旋拧件4与下连接板2之间沿径向设置有第一垫片7。需要指出的是，弹性
套筒6、第二垫片5、第一垫片7保证了连接板在使用过程中的防水性能。

[0038] 进一步地，插入件3和旋拧件4的端面设置有多个旋拧凹槽16，便于安装，操作简单。上连接板1和下连接板2通过两个以上插入件3和旋拧件4连接，铆钉10的数量与预留通
孔15的数量相等。优选地，插入件3和旋拧件4的数量为两对或三对。此外，铆钉10的初始状
态位圆柱型，适用于钢、铝合金和钛合金，尤其是碳纤维复合材料板的连接，铆钉10可以为
铝合金和钛合金铆钉，制造成本低，成形工艺简单，铆接质量好，操作方便，噪音小，生产效
率高，相较于普通铆接方式干涉量可提高30％，结构稳定，抗疲劳性能好。

[0039] 尤其需要指出的是，液压缸19的电液伺服液压系统与低频振动实验设备能够实现0～50Hz频率和0～0.5mm振幅范围内的冲头18低频振动。低频振动的产生是通过高性能载
荷和位移传感器及时采集载荷位移数据，利用JETTER控制器和PID控制算法对液压缸位移
和载荷进行实时跟踪和闭环控制，计算并发出反馈信号；电流信号经放大后传递至电液伺
服阀线圈，产生磁场使衔铁发生转动，带动挡板和阀体移动，从而精确控制伺服阀流量，使
液压缸活塞和冲头达成预先设定的振动。

[0040] 另一实施例中，提供了一种昂述的低频振动辅助铆接的装置的使用方法，包括如下步骤：

[0041] 步骤1，将上连接板1和下连接板2预粘接，将两个以上的上连接板1和下连接板2的预留通孔15相应地对齐；

[0042] 步骤2，弹性套筒6、第一垫片7、第二垫片5置于正确位置后，将插入件3插入预留通孔15中露出外螺纹，再使用工具将旋拧件4的内螺纹与插入件3的外螺纹旋合；

[0043] 步骤3，将第一顶铁11安装于底座17的上表面，将连接板置于第一顶铁11上，使第一顶铁11的锥形凸起13插入第一顶铁11的第一倒角19，使旋拧件4的阶梯螺纹孔的小孔整
体呈圆柱形；

[0044] 步骤4，将铆钉10依次穿过插入件3的通孔、旋拧件4的阶梯螺纹孔的小孔，在第一顶铁11的定位凹槽12中定位，其中，通孔、阶梯螺纹孔的小孔、定位凹槽12的直径与铆钉10
的直径相等；启动液压缸19驱动冲头18，采用0～50Hz频率、0～0.5mm振幅范围的低频振动
的方式对铆钉(10)进行加载铆接，直至铆钉10的加载端填充满插入件3的第二倒角8，使插
入件3的加载面为平面；

[0045] 步骤5，将连接板翻转，拆下第一顶铁11，安装第二顶铁14，将加载为平面的插入件3的表面与第二顶铁14的平面接触安装，再次启动液压缸19驱动冲头18，继续采用0～50Hz
频率、0～0.5mm振幅范围的低频振动方式对铆钉(10)的另一端进行加载铆接，直至铆钉10
的该加载端填充满旋拧件4的第一倒角9，使旋拧件4的加载面为平面；

[0046] 步骤6，重复上述步骤完成其他预留通孔15处的铆接。

[0047] 值得一提的是，上述方法先采用插入件3和旋拧件4预连接，其中，插入件3和旋拧件4连接的刚度远大于铆钉的刚度，插入件3和旋拧件4在铆接过程中不发生变形，同时在铆
接过程中，铆钉不与10连接板接触，既保证了铆接质量，又能够防止连接板发生变形或损
坏。此外，采用特殊设计的第一顶铁11和第二顶铁14，配合旋拧件3和插入件4，使铆钉10除
两端外其余位置不发生变形，且使铆接完成后旋拧件3和插入件4的端面成平面，避免了铆
钉10额外的伸出，解决了连接板在使用过程中误伤他人的情况，提高了连接板使用的安全
性。需要指出的是，采用锥形凸起13和倒角配合的结构达到了上述技术效果。

[0048] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理、阐述工作步骤而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。在本发明的基础上以做出的各种变型和
改进，均视为本发明的保护范围。