双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法

摘要

一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，通过将上层待连接材料和下层待连接材料层叠置于模具和半空心铆钉之间，通过马达驱动主轴旋转，使主轴及与其相连的飞轮转速达到设定值，驱动马达与主轴分离，通过滑移端驱动主轴及与其相连的飞轮进给运动，利用飞轮的惯性带动半空心铆钉旋转，并轴向进给铆入待连接材料，当主轴转速在待连接材料阻力作用下降为零时继续进给，直至铆钉体腰部向内侧收缩变形，铆钉体尖端向外侧张开变形，即在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁，同时在铆钉空腔外侧形成铆钉尖端与下层待连接材料之间的腔外机械互锁。本发明实现对铆钉空腔外侧机械互锁的强化，显著提升接头的剪切强度和疲劳强度，突破现有单一机械连接或固相连接接头的性能极限。

权利要求

1.一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，其特征在于，通过将上层待连接材料和下层待连接材料层叠置于模具和半空心铆钉之间，通过马达驱动主轴旋转，使主轴及与其相连的飞轮转速达到设定值，驱动马达与主轴分离，通过滑移端驱动主轴及与其相连的飞轮进给运动，利用飞轮的惯性带动半空心铆钉旋转，并轴向进给铆入待连接材料，当主轴转速在待连接材料阻力作用下降为零时继续进给，直至铆钉体腰部向内侧收缩变形，铆钉体尖端向外侧张开变形，即在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁，同时在铆钉空腔外侧形成铆钉尖端与下层待连接材料之间的腔外机械互锁；

所述的上层待连接材料被铆钉的进给运动切断后形成位于铆钉空腔内侧的截留材料，截留材料在工艺结束后与下层待连接材料形成固相连接；

所述的半空心铆钉包括，铆钉头部、铆钉腰部和铆钉腿部，其中：铆钉头部设有用于传递扭矩的周向分布凸起/凹槽驱动结构，铆钉腿部尖端顶点与外壁重合；

所述的铆钉满足：i)腰部的壁厚大于铆钉腿部壁厚和ii)铆钉内壁为光滑表面且外壁设有凹槽结构，使得铆钉尖端插入待连接材料后，铆钉腰部在主轴驱动力和待连接材料阻力的轴向压缩作用下向内收缩变形，在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁；

所述的双向机械互锁通过调节铆钉进给深度，改变铆钉轴向受力实现铆钉腰部和腿部的按需变形，即：F＞F0，其中：F为铆钉受到的瞬时轴向力，F0为铆钉发生塑性变形的临界进

2 2 2

给阻力，通过铆钉材料的屈服强度和铆钉的几何尺寸计算：F0＝max[(π(Rw‑rw)σw，π(Rt ‑2

rt)σt]，其中：Rw和rw分别为铆钉腰部的外径和内径，Rt和rt分别为铆钉腿部的外径和内径，σw和σt分别为铆钉腰部和铆钉腿部材料的屈服强度。

2.根据权利要求1所述的双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，其特征是，所述的主轴转速设定值通过以下方法计算：飞轮以转速设定值ω旋转产生的动能E等于待连接材料之间形成固相连接所需的能量Q，即：E＝Q，其中： ω为主轴转速设定值，I0为主轴的转动惯量，I1为飞轮的转动惯量；Q通过截留金属体积V和单位体积材料发生动态再结晶的临界能量Q0计算，即：Q＝kVQ0， R为铆钉外壁半径，f(t)为铆钉进给速率，k为修正系数，Q0为材料常数，Δt为铆钉穿透上层板的时间。

3.根据权利要求1所述的双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，其特征是，所述的凹槽结构为圆弧形，深度为铆钉壁厚的1/10～1/4，避免铆钉腰部在变形过程中产生应力集中或折断。

4.根据权利要求1所述的双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，其特征是，所述的铆钉轴向受力通过串联于主轴末端且与主轴同轴设置的力传感器测量，当F＞F0时，铆接工艺结束。

说明书

双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法。

背景技术

[0002] 薄壁产品通常以点连接的方式实现各个零部件之间的固定与装配，机械连接和固相连接是现有轻合金构件点连接的主要方法。机械连接以铆接为主，通过外力使铆钉和待连接材料发生塑性变形，实现机械互锁。固相连接方法通过外加热源或待连接材料之间机械运动产生摩擦热的方式使待连接材料之间发生原子扩散，形成固相焊合。然而，采用现有单一机械连接或固相连接方法获得的接头已经达到性能上限，难以进一步提升，尤其是机械连接，在连接低延展性材料时面临接头开裂等巨大风险。

发明内容

[0003] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，分别在半空心铆钉的空腔内侧和外侧与待连接材料形成双向机械互锁，同时在铆钉空腔内侧的待连接材料之间形成固相连接。铆钉内腔机械互锁和固相连接能够有效阻碍外载作用下铆钉的旋转、收缩和拉脱失效，实现对铆钉空腔外侧机械互锁的强化，显著提升接头的剪切强度和疲劳强度，突破现有单一机械连接或固相连接接头的性能极限。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 本发明涉及一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，通过将上层待连接材料和下层待连接材料层叠置于模具和半空心铆钉之间，通过马达驱动主轴旋转，使主轴及与其相连的飞轮转速达到设定值，驱动马达与主轴分离，通过滑移端驱动主轴及与其相连的飞轮进给运动，利用飞轮的惯性带动半空心铆钉旋转，并轴向进给铆入待连接材料，当主轴转速在待连接材料阻力作用下降为零时继续进给，直至铆钉体腰部向内侧收缩变形，铆钉体尖端向外侧张开变形，即在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁，同时在铆钉空腔外侧形成铆钉尖端与下层待连接材料之间的腔外机械互锁。

[0006] 所述滑移端采用直线电机、丝杠或电驱动气缸等机构实现直线运动。

[0007] 所述的上层待连接材料被铆钉的进给运动切断后形成位于铆钉空腔内侧的截留材料。

[0008] 所述的截留材料在工艺结束后与下层待连接材料形成固相连接。

[0009] 所述的主轴转速设定值(ω)通过以下方法计算：

[0010] 飞轮以转速设定值(ω)旋转产生的动能(E)等于待连接材料之间形成固相连接所需的能量(Q)，即：E＝Q，其中： ω为主轴转速设定值，I0为主轴的转动惯量，I1为飞轮的转动惯量；Q通过截留金属体积V和单位体积材料发生动态再结晶的临界能量Q0计算，即：Q＝kVQ0， R为铆钉外壁半径，f(t)为铆钉进给速率，k为修正系数，Q0为材料常数，Δt为铆钉穿透上层板的时间。

[0011] 所述的主轴转速通过驱动马达的编码器测量。

[0012] 所述的半空心铆钉包括，铆钉头部、铆钉腰部和铆钉腿部。

[0013] 所述的铆钉头部设有用于传递扭矩的周向分布凸起/凹槽驱动结构。

[0014] 所述的铆钉腿部尖端顶点与外壁重合。

[0015] 所述的铆钉①腰部的壁厚小于等于铆钉腿部壁厚、②铆钉内壁和外壁均为光滑表面或③内壁和/或外壁设有凹槽结构，使得铆钉尖端插入待连接材料后，铆钉腰部在主轴驱动力和待连接材料阻力的轴向压缩作用下向内收缩变形，在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁。

[0016] 所述的凹槽结构为圆弧形，深度为铆钉壁厚的1/10～1/4，避免铆钉腰部在变形过程中产生应力集中或折断。

[0017] 所述的双向机械互锁通过调节铆钉进给深度，改变铆钉轴向受力实现铆钉腰部和腿部的按需变形，即：F＞F0，其中：F为铆钉受到的瞬时轴向力，F0为铆钉发生塑性变形的临界进给阻力，通过铆钉材料的屈服强度和铆钉的几何尺寸计算：其中：Rw和rw分别为铆钉腰部的外径和内径，Rt和rt分别为铆钉腿部的外径和内径，σw和σt分别为铆钉腰部和铆钉腿部材料的屈服强度。

[0018] 所述的铆钉轴向受力通过串联于主轴末端且与主轴同轴设置的力传感器测量，当F＞F0时，铆接工艺结束。

[0019] 技术效果

[0020] 相比现有借助铆钉旋转实现连接的方法，均采用连续驱动铆钉旋转的方式，旋转产生的摩擦热量不可控，经常因热输入过高导致材料过度软化或热输入不足无法在待连接材料之间形成固相连接。本发明利用飞轮动能储存铆接工艺所需能量，在后续铆接过程中将飞轮动能转化为摩擦热，实现了热输入的完全可控。通过调整飞轮质量和/或转速可以控制热输入，使其满足在不同待连接材料组合和应用场景中形成固相连接所需的能量需求。

[0021] 本发明通过在半空心铆钉内侧形成固相连接以及在铆钉空腔内侧和外侧形成双向机械互锁，使得接头性能得到显著强化，突破现有单一机械或固相连接的性能极限。

附图说明

[0022] 图1为半空心铆钉的结构示意图；

[0023] 图2a～图2e为实施例的工艺流程图；

[0024] 图3为双重机械互锁与固相连接复合接头示意图。

[0025] 图中：半空心铆钉1、上层待连接材料2、下层待连接材料3、主轴4、压边圈5、模具6、飞轮7、花键8、滑移端9、截留材料10、固相连接11、铆钉空腔内机械互锁12、铆钉空腔外机械互锁13、铆钉头部101、铆钉腰部102、铆钉腿部103、铆钉腰部缺口、驱动结构105、铆钉腿部尖端106。

具体实施方式

[0026] 如图1所示，本实施例采用的半空心铆钉1包括，铆钉头部101、铆钉腰部102和铆钉腿部103。

[0027] 所述的铆钉头部101设有用于传递扭矩的周向分布凸起/凹槽驱动结构105。

[0028] 所述的铆钉腿部尖端顶点106与外壁重合。

[0029] 所述的铆钉腰部内壁光滑，外壁设有圆弧形缺口104，缺口深度0.2mm。

[0030] 所述的半空心铆钉材料为42CrMo钢。

[0031] 如图2和图3所示，本实施例采用上层待连接材料件2为2.0mm厚的的AA6061‑T6，下层待连接材料件3为2.0mm厚的的AA6061‑T6。

[0032] 如图2所示，本实施例涉及一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，如图2a所示，将上层待连接材料2和下层待连接材料3层叠置于模具6和压边圈5之间，主轴4通过花键8与飞轮7固连，半空心铆钉1固定于主轴4末端，通过马达驱动主轴4旋转，当转速达到ω0后，主轴4与驱动马达分离，主轴4和飞轮7在惯性作用下继续带动铆钉1以ω0旋转；如图
2b‑c所示通过滑移端9驱动主轴4以f0速度进给，带动半空心铆钉1在旋转的同时轴向进给铆入待连接材料2，在待连接材料2和3的阻力作用下主轴4转速逐渐降低，即ω2＜ω1＜ω0；
直至如图2d所示主轴4转速降为零，滑移端9以速度f1继续进给；直至如图2e所示铆钉腰部
102向内侧收缩变形，铆钉腿部尖端106向外侧张开变形，即在半空心铆钉1内侧形成如图3所示的腔内机械互锁12，同时在半空心铆钉1空腔外侧形成铆钉腿部尖端106与下层待连接材料3之间的腔外机械互锁13。

[0033] 所述的模具6为中心设有凸起的圆形凹模，该凹模的内腔直径9.0mm，深度2.0mm，中心凸起的顶点与外壁水平高度相同。

[0034] 所述的滑移端采用伺服电机和丝杠实现直线运动。

[0035] 所述的旋转的同时轴向进给速度f0＝2.0mm/s，f1＝10.0mm/s。

[0036] 所述的上层被连接材料2被半空心铆钉1的进给运动切断后形成截留材料10。

[0037] 所述的截留材料10在工艺结束后与下层待连接材料3形成固相连接11。

[0038] 所述的主轴4转速ω0通过以下方式得到：飞轮7旋转产生的动能(E)等于待连接材料之间形成固相连接所需的能量(Q)，即：E＝Q，其中： ω0为转速设定值，I0为主轴4的转动惯量，I1为飞轮7的转动惯量；Q通过截留材料10的体积V和单位体积材料发生动态再结晶的临界能量Q0计算，即：Q＝kVQ0， R为铆钉外壁半径，f(t)为铆钉进给速率，k为修正系数，Q0为材料常数，Δt为铆钉穿透上层板的时间。本实施例中主轴4半径5mm，其转动惯量I0可忽略不计，飞轮7为钢制圆盘形，半径0.1m，厚度0.05m，转动惯2
量I1＝0.06kgm ，单位体积铝合金AA6061‑T6材料发生动态再结晶的临界能量Q0＝1.6J/
3 3
mm，铆钉外壁半径R＝2.75mm，截留材料10的体积V＝47.5mm ，修正系数k＝1.0；进一步通过代入具体数值计算得到本实施例的

[0039] 所述的主轴的设定转速ω0通过驱动马达的编码器测量。

[0040] 如图3所示，所述的铆钉空腔内侧机械互锁9和铆钉空腔外侧机械互锁10通过调节铆钉进给深度，改变铆钉轴向受力实现铆钉腰部和腿部的按需变形实现，即：F＞F0，其中：F为铆钉受到的瞬时轴向力，F0为铆钉发生塑性变形的临界进给阻力，通过铆钉材料的屈服2 2 2 2
强度和铆钉的几何尺寸计算：F0＝max[(π(Rw‑rw)σw，π(Rt‑rt)σt]，其中：Rw和rw分别为铆钉腰部的外径和内径，Rt和rt分别为铆钉腿部的外径和内径，σw和σt分别为铆钉腰部和铆钉腿部材料的屈服强度。

[0041] 本实施例中铆钉腰部外径Rw＝2.55mm，内径rw＝1.75mm，铆钉腿部外径Rt＝2.75，内径rt＝2.0mm，铆钉腰部材料屈服强度σw＝985MPa，铆钉腿部屈服强度σt＝985Mpa，通过代入具体数值计算得到本实施例的F0＝11.02kN。

[0042] 所述的铆钉轴向受力通过串联于主轴末端且与主轴同轴设置的力传感器测量，当F＞F0时，铆接工艺结束。

[0043] 本实施例中，通过在半空心铆钉内侧形成固相连接，以及在铆钉空腔内侧和外侧形成双向机械互锁，实现了双向机械互锁与固相连接复合的点连接接头，铆钉外侧机械互锁量为0.75mm，接头拉剪强度为11.3kN；现有技术仅含有铆钉外侧单一机械互锁，且互锁量也为0.75mm的自冲铆接(机械连接)接头的接头拉剪强度为9.1kN，本发明获得接头的拉剪强度比现有方法提升了24.2％。

[0044] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。