一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法及装置

本发明属于金属板材连接，具体涉及一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法及装置。

背景技术：

1、随着制造业的发展，轻量化板材成形及连接技术在航空航天及汽车制造方面得到了迅速的发展与应用，其中，塑性连接技术的发展具有巨大潜力。传统铆接连接强度高，应用范围广，但存在需加工预制孔，增加辅材铆钉进行铆接，降低原材料强度，增加整体重量的问题；自冲铆钉连接无需预制孔，可实现同种或异种板材的快速连接，但需辅助铆钉的添加，且连接处板材平面存在凸起；传统式无铆铆接快速高效，连接强度可靠，无辅助件的添加，但连接处表面存在凹陷与凸起，影响外观质量；新型搭接工艺连接强度高，无辅助件添加，搭接接头处平整无凸起，但工艺过程复杂，需结合铣削等机加工工艺进行板材搭接处的预处理。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法及装置，通过在待连接板材表面加工匹配的局部凸形结构和局部凹形结构，并进行挤压实现板材的无铆连接。整体装置结构简单，工艺过程简洁，无辅助件添加，板材连接处表面平整，符合轻量化设计需求。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，包括上板材局部凹形结构成形、下板材局部凸形结构成形和板材压入式无铆连接三道工序：

4、上板材局部凹形结构成形：根据板材连接需求确定单个或多个挤压位点，将上板材放置于工作台平面，待挤压位点正上方有上板材挤压凸模，上板材挤压凸模外侧套有上弹性套圈；

5、上板材挤压凸模下行挤压上板材至预设位置，上弹性套圈在压力与内壁约束的作用下产生压边及外侧径向形变，同上板材挤压凸模形成环形材料储存区，上板材在压力作用下产生塑性流动，填充材料储存区，形成单个局部凹形结构；重复上述步骤，得到多个待连接的局部凹形结构；

6、下板材局部凸形结构成形：根据板材连接需求确定单个或多个挤压位点，将下板材放置于工作台平面，待挤压位点正上方有下板材挤压凸模，下板材挤压凸模外侧套有下弹性套圈；

7、下板材挤压凸模下行挤压下板材至预设位置，下弹性套圈在压力作用下产生压边，下板材在压力作用下产生塑性流动，形成单个局部凸形结构；重复上述步骤，得到多个待连接的局部凸形结构；

8、板材压入式无铆连接：将上述已获得单个或多个待连接局部凹形结构的上板材与局部凸形结构的下板材进行组合连接，整体放置于工作台平面，上方连接凸模下行至预设位置，组合处连接结构在压力作用下发生塑性变形，凸起部分底部产生径向形变，底部材料相互镶嵌，形成互锁结构，实现两板材的塑性变形无铆连接。

9、进一步，所述挤压位点数目依据板材实际厚度、形状、大小、连接位置、应用场景及强度要求进行适应性调整，最小数目为1。

10、进一步，上板材挤压凸模下行挤压量为下板材挤压凸模下行挤压量的1.1～1.3倍。

11、进一步，上板材与下板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金、碳钢或不锈钢。

12、进一步，上板材挤压凸模的下表面预制有挤压凸起，挤压凸起的上部分圆角半径为r1，下部分圆角半径为r2，工作部分整体直径为d1，挤压凸起直径为d1，挤压凸起高度为h1，1mm≤r1≤5mm，1mm≤r2≤5mm，d1为上板材厚度的2～2.5倍，d1为d1的0.3～0.5倍，h1为d1的0.2～0.3倍；

13、下板材挤压凸模的上表面预制有凸起，凸起的上部分圆角半径为r3，下部分圆角半径为r4，工作部分整体直径为d2，凸起直径为d2，凸起高度为h2，1mm≤r3≤5mm，1mm≤r4≤5mm，d2为下板材厚度的2～2.5倍，d2为d2的0.3～0.5倍，h2为d2的0.18～0.26倍。

14、进一步，上板材挤压凸模下行速度为v1，下板材挤压凸模下行速度为v2，连接凸模下行速度为v3，1mm/s≤v1≤2mm/s，1mm/s≤v2≤2mm/s，0.5mm/s≤v3≤1mm/s。

15、本发明还公开了一种实现所述基于局部变形的板材压入式无铆连接方法的装置，包括上板材挤压凸模、上弹性套圈、工作台、下板材挤压凸模、下弹性套圈和连接凸模；

16、工作台作整个板材凹形与凸形结构成形与连接过程的板材支撑，上弹性套圈套装于上板材挤压凸模外侧，下弹性套圈套装于下板材挤压凸模外侧，上板材挤压凸模与上弹性套圈组合完成后位于上板材的待挤压位点正上方；下板材挤压凸模与下弹性套圈组合完成后位于下板材的待挤压位点正上方；

17、上弹性套圈在压力与内壁约束的作用下产生压边及外侧径向形变，同上板材挤压凸模形成环形材料储存区；

18、下板材挤压凸模的下表面上预制有凹槽，在凹槽的外围则形成环状凸起，下弹性套圈在压力作用下产生压边，环状凸起对应的下板材加工区域形成凹陷，下板材在压力作用下产生塑性流动，流动至下板材挤压凸模的凹槽区域；

19、在上板材与下板材加工完成并进行组合连接后，连接凸模设于组合连接的上板材与下板材上方，用于对组合处连接结构在压力作用下发生塑性变形，形成互锁结构，实现两板材的塑性变形无铆连接。

20、进一步，上板材挤压凸模与下板材挤压凸模的实际数量与工位根据上述待连接结构的设计位置与数目需要，进行排布组合设置，能够进行单工位或多工位、单次或连续加工。

21、进一步，连接凸模的工作面积根据单个或多个组合处连接结构需求确定。

22、进一步，上弹性套圈与下弹性套圈的材料为高硬度聚氨酯橡胶。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

24、本发明公开的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，通过分别对上下板材进行局部挤压变形，使得板材局部产生塑性流动，形成所需的局部凹形和凸形结构；后进行两板材连接结构的匹配组合，在压力作用下局部结构发生塑性变形，凸起部分底部产生径向形变，从而相互挤压，底部材料相互镶嵌，形成互锁结构；已形成互锁结构的连接处，其失效形式为垂直于板材平面的作用力导致的拉脱与平行于板材平面的作用力导致的剪切，需将连接处底部互锁结构破坏失效，固连接强度较高，可承载多向作用力；相较于传统铆接、自冲铆接与传统式无铆铆接，该方法无需预制孔位与辅助件的添加，因为本工艺的连接变形处发生在板材间，凸凹处材料互相嵌合，连接完成后的板材表面平整光滑，连接后连接孔位隐藏于板间内部，不会对后续板材的处理与使用产生影响；同时，该方法连接位点确定的自由度高，灵活性强，可根据板材的不同材料性能，应用场景，外形尺寸及实际生产条件做出适应性的调整与确定，连接位点成形效率高，一致性好，板·材连接效率高，加工环保。

25、进一步地，所述挤压位点数目可依据板材实际厚度、形状、大小、连接位置、应用场景及强度要求进行适应性调整，最小数目为1，该方法适用性强，位点选择灵活，可单个或多个同时挤压成形，也可单工序或连续进行加工。

26、进一步地，进行上板材局部凹形结构成形的模具下行挤压量为进行下板材局部凸形结构成形模具下行挤压量的1.1～1.3倍，以确保两板材连接时，连接位点处结构有充足的盈余量，使材料在压力作用下的塑性流动能够相互镶嵌，形成机械互锁。

27、进一步地，上板材与下板材的材质为铝合金、镁合金、钛合金、碳钢或不锈钢，应用范围广。

28、进一步地，上板材挤压凸模上部分圆角半径为r1，下部分圆角半径为r2，工作部分整体直径为d1，凸起直径为d1，凸起高度为h1，1mm≤r1≤5mm，1mm≤r2≤5mm，d1为板材厚度的2～2.5倍，d1为d1的0.3～0.5倍，h1为d1的0.2～0.3倍；下板材挤压凸模上部分圆角半径为r3，下部分圆角半径为r4，工作部分整体直径为d2，凸起直径为d2，凸起高度为h2，1mm≤r3≤5mm，1mm≤r4≤5mm，d2为板材厚度的2～2.5倍，d2为d2的0.3～0.5倍，h2为d2的0.18～0.26倍，经仿真模拟的结果分析，处于该范围内的各个参数，在上下板材连接位点成形与两板材互锁结构连接成形时，能够得到较优结果。

29、进一步地，上板材挤压凸模下行速度为v1，下板材挤压凸模下行速度为v2，连接凸模下行速度为v3，1mm/s≤v1≤2mm/s，1mm/s≤v2≤2mm/s，0.5mm/s≤v3≤1mm/s，上下板材连接位点成形工序中速度的合理调控，可提高成形效率，确保所需结构精度，两板材连接时速度的合理调控，可避免因加工时间过长而过度挤压导致的板材表面凹陷产生，或加工时间过短导致的连接结构塑性流动不充分不均匀，形成的互锁结构强度不足而连接失效。

30、本发明公开的实现上述基于局部变形的板材压入式无铆连接方法的装置，各组件结构简单，加工制造容易，制造成本低，可根据实际生产需求进行单工序或连续加工工序的设计，可简化设备进行多应用场景的适应性改良。

31、进一步地，上板材挤压凸模与下板材挤压凸模的实际数量与工位可根据上述待连接结构的设计位置与数目需要，进行排布组合设置，即可进行单工位或多工位、单次或连续加工，应用范围广，适应性强，可改良成适合于机器人大规模自动化加工与人工手持式便携加工的设备。

32、进一步地，连接凸模的工作面积根据单个或多个待连接结构需求确定，适应性强，可根据连接需要及加工成本进行适应性改良。

33、进一步地，上弹性套圈与下弹性套圈的材料为高硬度聚氨酯橡胶，强度充足，回弹性好。

技术特征：

1.一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，包括上板材局部凹形结构成形、下板材局部凸形结构成形和板材压入式无铆连接三道工序：

2.根据权利要求1所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，所述挤压位点数目依据板材实际厚度、形状、大小、连接位置、应用场景及强度要求进行适应性调整，最小数目为1。

3.根据权利要求1所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，上板材挤压凸模(1)下行挤压量为下板材挤压凸模(5)下行挤压量的1.1～1.3倍。

4.根据权利要求1所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，上板材(3)与下板材(7)的材质为铝合金、镁合金、钛合金、碳钢或不锈钢。

5.根据权利要求1所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，上板材挤压凸模(1)的下表面预制有挤压凸起，挤压凸起的上部分圆角半径为r1，下部分圆角半径为r2，工作部分整体直径为d1，挤压凸起直径为d1，挤压凸起高度为h1，1mm≤r1≤5mm，1mm≤r2≤5mm，d1为上板材(3)厚度的2～2.5倍，d1为d1的0.3～0.5倍，h1为d1的0.2～0.3倍；

6.根据权利要求1所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，其特征在于，上板材挤压凸模(1)下行速度为v1，下板材挤压凸模(5)下行速度为v2，连接凸模(8)下行速度为v3，1mm/s≤v1≤2mm/s，1mm/s≤v2≤2mm/s，0.5mm/s≤v3≤1mm/s。

7.一种实现权利要求1～6任意一项所述基于局部变形的板材压入式无铆连接方法的装置，其特征在于，包括上板材挤压凸模(1)、上弹性套圈(2)、工作台(4)、下板材挤压凸模(5)、下弹性套圈(6)和连接凸模(8)；

8.根据权利要求7所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接装置，其特征在于，上板材挤压凸模(1)与下板材挤压凸模(5)的实际数量与工位根据上述待连接结构的设计位置与数目需要，进行排布组合设置，能够进行单工位或多工位、单次或连续加工。

9.根据权利要求7所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接装置，其特征在于，连接凸模(8)的工作面积根据单个或多个组合处连接结构需求确定。

10.根据权利要求7所述的基于局部变形的板材压入式无铆连接装置，其特征在于，上弹性套圈(2)与下弹性套圈(6)的材料为高硬度聚氨酯橡胶。

技术总结
本发明属于金属板材连接技术领域，涉及一种基于局部变形的板材压入式无铆连接方法，分别对上下板材进行局部挤压变形，使得板材局部产生塑性流动，形成局部凹形和凸形结构；后进行两板材连接结构的匹配组合，在压力作用下局部结构发生塑性变形，凸起部分底部产生径向形变，从而相互挤压，底部材料相互镶嵌，形成互锁结构；该方法无需预制孔位与辅助件的添加，连接处平整光滑，连接后连接孔位隐藏于板间内部，不会对后续板材的处理与使用产生影响；同时，该方法连接位点确定的自由度高，灵活性强，可根据板材的不同材料性能，应用场景，外形尺寸及实际生产条件做出适应性的调整与确定，连接位点成形效率高，一致性好，板材连接效率高，加工环保。

技术研发人员：王朋义,金一淳,左鹏,王育聪
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23