一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置及铆接方法

摘要

本发明公开了一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，包括：底面设置有半圆形的环形凹槽的凹模；第一出油孔一端与凹模相连通，另一端穿过底座；流通腔套设在凹模的外侧；进油孔和第二出油孔的一端均与流通腔相连通，另一端穿过底座，第二出油孔的高度低于进油孔；压边圈设置在凹模上方并与其同轴设置且具有中心孔；外冲头同轴设置在中心孔内部；内冲头同轴可进给的设置在外冲头的内部；弹簧片设置在外冲头与内冲头之间，弹簧片具有多个扇形叶片，且多个扇形叶片能够穿过外冲头，所述多个扇形叶片与所述环形凹槽相对设置。本发明还公开了一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，实时调节铆接速度，提高精度和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及异种金属无铆钉铆接技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置及铆接方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，对于汽车轻量化的要求日益凸显。除了使用轻质高强材料替代传统的钢铁以外，加工和连接技术也在不断更新换代。无铆钉铆接采用冲压设备和专用的标准连接模具，利用材料本身的塑性变形，通过一个冲压过程，即可在连接处形成一个互相镶嵌的圆点，由此将板件连接起来。对比传统加工方法，例如焊接和胶粘，无铆钉铆接具有不需要原料、连接质量轻、可连接不同材料、连接牢固、操作简单、成本低廉等优点，且随着技术发展的不断成熟，无铆钉铆接已经成为薄板材料连接的主流方式。

然而，在进行铆接时，塑性较差的金属在铆接接头处容易产生金属疲劳，严重的可能产生裂纹，甚至断裂，影响接头性能。在异种金属材料铆接接头处，也有可能因为空气湿度较大等影响，产生电化学腐蚀。因此，需要使用新技术，来解决接头处的这些问题，并且进一步提高接头的性能。

温控成形技术能增强材料的成形性能,降低材料屈服、强度极限,增加材料的延展性,成形性能。对于铝合金材料,随着成形温度的升高材料屈服极限降低,材料成形抗力降低,材料成形极限提高,在冲压过程中不容易出现裂纹和冲断。

液压成形有很多好处，一是可以在保持效果压力作用下，使板材与凸模之间形成摩擦保持效果，这样可增强凸模圆角区板材的承载能力，提高成形极限，从而减少成形次数。二是流体液室中液体压力作用使得板料紧贴在凸模上，液体在凹模上表面和板料下表面之间形成流体润滑，这样可减少接头表面划伤，使接头质量好，尺寸精度高，壁厚分布均匀。三是抑制接头表面起皱，由于成形板材下面的反向液压作用消除了曲面零件等在凹模孔内的悬空区，使坯料紧贴凸模，并形成“凸梗”，减少了半球、锥形等复杂件挤压时的“悬空段”，有效控制了材料内皱等缺陷的发生。四是提高了接头的表面精度和内在强度，能够节约大量的模具设计、制造、调试的人力、物力和时间，尤其在多品种和小批量的大型板材成形生产中，能克服费用和时间的限制，使产品更新换代越来越快。

因此，可以在现有的无铆钉铆接技术中，复合使用液压成形和温控成形来辅助铆接，避免常规铆接中容易出现的一些问题，改善接头的性能。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，通过凹模中的高温液体对铆接接头升温，通过流通腔中的低温液体对铆接接头进行冷却退火，提高了铆接接头的表面精度和内在强度。

本发明还设计开发了一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，通过高温液体的排出量实时调节外冲的下行速度，防止铆接接头断裂的同时提高精度和效率。

本发明提供的技术方案为：

一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，包括：

底座，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有凹模，所述凹模底面设置有半圆形的环形凹槽；

第一出油孔，其一端与所述凹模的底部相连通，另一端穿过所述底座；

流通腔，其为圆筒形结构，所述流通腔开设在所述底座内部且套设在所述凹模的外侧；

进油孔，其一端与所述流通腔相连通，另一端穿过所述底座；

第二出油孔，其一端与所述流通腔相连通，另一端穿过所述底座，且所述第二出油孔的高度低于所述进油孔；

压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其同轴设置；

外冲头，其为空心圆台结构且同轴设置在所述中心孔内部，能够沿着所述中心孔进行轴向进给运动，且所述外冲头的冲头表面间隔设置多个开口；

内冲头，其同轴可进给的设置在所述外冲头的内部，且能够与所述外冲头共同运动；

弹簧片，其设置在所述外冲头与所述内冲头之间，且所述弹簧片包括中心圆台和与多个扇形叶片；

其中，所述中心圆台与所述内冲头相对设置，所述多个扇形叶片呈中心对称的与所述中心圆台相连接，且所述多个扇形叶片能够一一对应的穿过所述多个开口，所述多个扇形叶片与所述环形凹槽相对设置。

优选的是，还包括：

第一溢流阀，其与所述第一出油孔相连接；

流量计，其设置在所述第一溢流阀与第一出油孔之间，用于监测液体的流出量；

第二溢流阀，其与所述第二出油孔相连接；

管理器，其与所述流量计相连接，用于信号的接收和传输。

优选的是，所述外冲头的外壁具有拔模斜度。

优选的是，在铆接时，所述凹模中为800℃的加热液体。

优选的是，在保压阶段，所述流通腔中为0℃的保压液体。

优选的是，所述拔模斜度为5°。

优选的是，所述外冲头的冲头表面直径为5.2mm，所述内冲头为实心圆柱结构，所述内冲头的直径为3mm。

优选的是，所述开口为圆环形开口。

一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，使用所述的基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，包括如下步骤：

步骤一、将加热液体注入凹模中，其后将待铆接的钢板与铝板放置于凹模和压边圈之间并压紧，其中所述铝板在上；

步骤二、将外冲头、弹簧片和内冲头装配并进行轴向进给运动，所述加热液体对铆接接头加热的同时受到板材的挤压通过所述第一出油孔流出；

步骤三、当所述外冲头到达冲头下止点后，所述外冲头停止运动，所述内冲头进行轴向进给运动，带动所述弹簧片对所述板材进行挤压；

步骤四、当所述加热液体全部流出后，向流通腔中通入保压液体使接头保压冷却；

步骤五、冷却至铆接接头状态稳定后，所述内冲头移动至所述弹簧片回复到初始状态，所述外冲头和内冲头移动至初始状态，铆接接头完成。

优选的是，所述轴向进给运动的速度满足：

式中，λ为沿程阻摩系数，d为第一出油孔的孔径，l为第一出油孔的长度，Q为第一出油孔的出油量，g为重力加速度。

本发明所述的有益效果：

(1)、本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，凹模中液体压力作用使得板料紧贴在凸模上，因为流体具有润滑效果，使液体在凹模上表面和板料下表面之间形成流体润滑，这样可减少接头表面划伤，使接头质量好，尺寸精度高，壁厚分布，均匀提高了铆接接头的表面精度和内在强度。

(2)、本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，用高温液体对铆接接头进行加温，有助于接头更好的成形，避免了在铆接过程中可能出现的接头裂纹、应力集中甚至产生接头断裂的情况；利用低温液体对铆接接头进行降温来达到退火的效果，可以改善铆接接头的加工性能，消除残余应力，稳定尺寸，减少变形和裂纹倾向，而且能细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷，均匀材料组织和成分，改善材料性能。

(3)、本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，采用了由外冲头、内冲头、弹簧片组成的复合冲头，通过外冲头和内冲头的共同作用，不仅可以更充分的排出高温液体，而且还能使板材与凹模底部更好的贴合。

(4)、本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，通过监测排出高温液体的流量来调整外冲头的下行速度，不仅有助于防止接头出现断裂，还可以更好的给接头进行加温，并且提高工作效率，能够节约大量的模具设计、制造、调试的人力、物力和时间，尤其在多品种和小批量的大型板材成形生产中，能克服费用和时间的限制，使产品更新换代越来越快。

附图说明

图1为本发明所述基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的剖视结构示意图。

图2为本发明所述外冲头的冲头表面结构示意图。

图3为本发明所述弹簧片的结构示意图。

图4为本发明所述基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置铆接初始时刻的结构示意图。

图5为本发明所述基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置保压阶段的结构示意图。

图6为本发明所述基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置包括：底座110、第一出油孔112、压边圈130、复合冲头、流通腔120、进油孔121、第二出油孔122、第一溢流阀162、第二溢流阀161和流量计170，所述底座110的下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有凹模111，所述凹模111底面设置有半圆形的环形凹槽；第一出油孔112的一端与所述凹模111的底部相连通，另一端穿过所述底座110，用于输出高温液体；流通腔120为圆筒形结构，所述流通腔120开设在所述底座110内部且套设在所述凹模111的外侧，用于盛放低温液体，在保压阶段对铆接接头降温，进行退火处理；进油孔121的一端与所述流通腔120相连通，另一端穿过所述底座110，用于输入低温液体；第二出油孔122的一端与所述流通腔120相连通，另一端穿过所述底座110，且所述第二出油孔122的高度低于所述进油孔121，用于输出低温液体；压边圈130为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈130设置在所述凹模111上方并与其同轴设置；复合冲头同轴设置在所述中心孔内部，且能够沿着所述中心孔进行轴向进给运动；第一溢流阀162设置在所述第一出油孔112处，用于控制高温液体的流动；流量计170设置在所述第一溢流阀162与第一出油孔112之间，用于监测高温液体的流量，并将数据反馈给管理器，以此来调整铆接速度；第二溢流阀161设置在所述第二出油孔122处，用于控制低温液体的流动。

其中，所述复合冲头包括外冲头141、弹簧片142和内冲头143，所述外冲头141为空心圆台结构且同轴设置在所述中心孔内部，能够沿着所述中心孔进行轴向进给运动，所述外冲头141的冲头表面直径小于外冲头141的上表面直径，所述外冲头141的外壁具有拔模斜度，以方便复合冲头退模；如图2所示，所述外冲头141的冲头表面间隔设置多个开口201；在本实施例中，所述开口201为圆环形开口；内冲头143同轴可进给的设置在所述外冲头141的内部，且能够与所述外冲头141共同运动；如图3所示，所述弹簧片142设置在所述外冲头141与所述内冲头143之间，且所述弹簧片142为圆形弹簧片，保证板料受力均匀，所述弹簧片142包括中心圆台212和与多个扇形叶片211；如图1所示，所述中心圆台212与所述内冲头143相对设置，所述多个扇形叶片211呈中心对称的与所述中心圆台212相连接，且所述多个扇形叶片211能够一一对应的穿过所述多个开口201，所述多个扇形叶片211与所述环形凹槽相对设置，安装时使弹簧片142向内冲头143一面拱起，使其具有一定的弹性；通过外冲头141和内冲头143共同作用，可以得到更好的成型效果。

铆接开始之前在所述凹模111中放入高温液体，用于在铆接过程中给铆接接头加热，随着铆接的进行，高温液体逐渐被挤压出凹模111，通过第一出油孔112流入第一溢流阀162；在保压阶段，给流通腔120中注入低温液体，用于对铆接接头降温，达到退火的效果，与流通腔120相连的分别有进油孔121和第二出油孔122；当退火完成后，低温液体经第二出油孔122流入第二溢流阀161。

本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，通过凹模中的高温液体对铆接接头升温，并通过外冲头和内冲头的结合对铆接接头液压成形，通过流通腔中的低温液体对铆接接头进行冷却退火，提高了铆接接头的表面精度和内在强度。

如图6所示，本发明还提供了一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，使用提供的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置，包括：预压、加热、调整铆接速度、内冲头二次挤压、低温退火和退模，具体包括如下步骤：

步骤一、如图4所示，将加热液体注入凹模111中，其后将待铆接的钢板152与铝板151放置于凹模和压边圈之间并压紧，其中所述铝板151在上；

步骤二、将外冲头141、弹簧片142和内冲头143装配成复合冲头并抵住板材向凹模压去，形成轴向进给运动，凹模111中的高温液体受到板材挤压从下部的第一出油孔112流出，通过流量计170监测流出液体的流量并反馈给管理器，以此来调整复合冲头的速度，在此过程中高温液体持续对铆接接头加热；

步骤三、当所述外冲头141到达冲头下止点后，所述外冲头141停止运动，所述内冲头143进行轴向进给运动，推动弹簧片142向下运动，进一步给板材向下的力，使板材更充分的挤压出所有的高温液体并与凹模111底部更好的贴合，与此同时，铆接接头的温度进一步升高；

所述冲头下止点为外冲头141的冲头表面与所述凹模底面相接触；

步骤四、如图5所示，当所述加热液体全部流出后(保压阶段)，通过进油孔121输入大量低温液体到流通腔120里面，然后保压一定时间，使接头快速降温，达到退火的目的；

在本实施例中，保压时间为30s。

步骤五、冷却至铆接接头状态稳定后，内冲头143先向上运动直到弹簧片142完全弹回外冲头141的内部停止运动，此后复合冲头向上运动回到最初工位，无铆钉铆接工艺完成。

所述的所有步骤中，凹模111、外冲头141、内冲头143和弹簧片142必须保证对中，避免铆接接头成形不均匀。

在所述步骤二中，复合冲头的铆接速度与流过第一出油孔112的液体流量有关，复合冲头的铆接速度(轴向进给运动的速度)满足：

式中，λ为沿程阻摩系数，d为第一出油孔的孔径，l为第一出油孔的长度，Q为第一出油孔的出油量，g为重力加速度。

实施例1

复合冲头、压边圈130、铝板151、钢板152及凹模111从上到下依次布置，复合冲头套接在压边圈130内，外冲头141、弹簧片142、内冲头143同轴布置，内冲头143和弹簧片142安装于外冲头141内部，凹模111与复合冲头同轴布置，流通腔120与进油孔121和第二出油孔122连通，凹模111下部与第一出油孔112连通。

外冲头1141为空心圆台结构，底部直径为5.2mm，外壁拔模角度为5°,底部边缘圆角为0.5mm，初始位置时外冲头141的冲头表面距上铆接板料铝板151距离为9mm；内冲头143为实心圆柱结构，底面直径为3mm，底部边缘圆角0.5mm，底部距外冲头内底部表面距离为2mm；弹簧片142厚度为1mm，展开为5.6mm，安装后弹簧片142的中心圆台212距内冲头底部为0.3mm。

凹模111圆柱形空腔直径为8mm，在空腔底部设有截面直径为1mm的半圆形的环形凹槽，在半圆形的环形凹槽下部开有一条孔径为1mm的孔道，与第一出油孔112连通，在凹模111的周围还开设有厚度为5mm的流通腔120，而且流通腔120分别于孔径大小为1mm的进油孔121和第二出油孔122连通。

本实例所用到的上下铆接板料151、152分别为Q235钢板和A5754铝合金板，上下铆接板料厚度均为2mm，第一出油孔的孔径为1mm，第一出油孔的长度为20mm，重力加速度为9.8m/s

当外冲头141运动到冲头下止点停止运动后，内冲头143继续以100mm/min的速度运动，沿程阻摩系数为0.15，第一出油孔的出油量为1*10

本实例的铆接方法为：先向凹模111里面注入800°的高温液体，然后将Q235钢板和A5754铝合金板放置于凹模13模具上，驱动压边圈130压紧板材；启动复合冲头(外冲头141、弹簧片142、内冲头143)向下运动开始铆接成形；在铆接成形的过程中，高温液体被挤出凹模111并经过第一出油孔112流入第一溢流阀162；当复合冲头运动到冲头下止点时，外冲头141停止运动，内冲头143继续向下运动，推动弹簧片142向外冲头141外运动，直到内冲头143运动到下止点位置，内冲头143停止运动，然后进入保压阶段，由进油孔121注入0°的低温液体到流通腔120里面，给铆接接头降温，达到退火的效果，此时铆接结束，Q235钢板和A5754铝合金板在外冲头141压力作用下进入凹模111的圆柱形空腔，在弹簧片142的作用下更好的进入空腔底部的半圆形环形凹槽形成自锁接头，由于弹簧片142的作用，高温液体会被完全挤出凹模111，而且板料可以更好的贴合到凹模111的半圆形环形凹槽内，铆接接头的强度增加；内冲头143向上运动回复到初始状态，弹簧片142弹回外冲头141内部，复合冲头(外冲头141、内冲头143、弹簧片142)退回初始状态，流通腔120内的低温液体经过第二出油孔122流入第二溢流阀161，无铆钉铆接完成。

实施例2

本实例所用到的上铆接板料151为A6068铝合金材料，下铆接板料152为高强度钢板，上下铆接板料厚度均为1.5mm，其余数据均与实施例1相同，最终无铆钉铆接完成。

本发明设计开发的一种基于液压成形和温控成形的无铆钉铆接成形装置的铆接方法，通过监测排出高温液体的流量来调整外冲头的下行速度，不仅有助于防止接头出现断裂，还可以更好的给接头进行加温，并且提高工作效率，能够节约大量的模具设计、制造、调试的人力、物力和时间，尤其在多品种和小批量的大型板材成形生产中，能克服费用和时间的限制，使产品更新换代越来越快。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。