基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置及方法
2024-04-14 16:03:05 1
1.本發明涉及金屬板材連接技術領域，具體涉及一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置及方法。
背景技術：
2.無鉚衝壓連接是利用塑性變形使板材相互鑲嵌產生機械互鎖量而實現連接，可用於難焊接材料的連接。無鉚衝壓連接技術具有工藝簡單、成本低、無熱無煙、接頭疲勞強度高、容易實現自動化和無應力集中等優點。無鉚衝壓連接的連接強度取決於互鎖量和頸厚值，與模具幾何形狀、成形工藝參數，以及材料本身的塑性密切相關。近年來國內外學者採用數值模擬和實驗方法，對無鉚衝壓連接互鎖量和頸厚值的影響因素進行了大量的研究，並開發了一些新的模具結構使連接強度得到明顯提高，但所有的研究均未考慮到屈服強度相差較大的超高強鋼與輕合金板材的無鉚連接技術。隨著節能減排，特別是新能源汽車的發展，高強鋼和鋁合金等高強度低密度材料的應用更加普遍，高強鋼與鋁合金無鉚衝壓連接得到人們的重視。日本學者阿邊等嘗試通過優化模具形狀尺寸來控制金屬流動進行高強度鋼和鋁合金板的無鉚衝壓連接，結果顯示隨著鋼屈服強度的提高，連接強度逐漸降低，當鋼的屈服強度超過800mpa時，屈服強度相對太小的鋁合金板極易發生大塑性應變，在鉚接頸部區域導致頸部斷裂，無法保證連接強度。柳本等通過對模具和板材輔助加熱提高塑性，進行了不鏽鋼和鋁合金板的無鉚衝壓連接，效果並不理想無法實現有效連接。
3.因此，面向汽車減排，特別是新能源汽車輕量化的需求，提出的超高強鋼輕合金連接方法具有重要的實際應用價值。近些年，隨著衝壓技術快速發展，有關超高強鋼板的衝孔和翻邊等工藝已經成功研發，為本發明奠定了理論基礎，但是這些技術並沒有與無鉚連接進行結合，也無人想到將衝壓和翻邊技術與傳統無鉚連接進行結合以提高板材連接性能。
技術實現要素：
4.為了解決上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置及方法，借鑑金屬板材衝壓工藝中複合模結構特點，基於衝孔與翻邊兩工步進行組合，通過鉚接凸模一次壓下完成無鉚連接。其中衝孔工步為實現翻邊變形做前期準備，以翻邊形式為主的變形可以完成兩板鑲嵌互鎖，同時也避開了傳統無鉚連接形式下對超高強鋼板難以壓薄變形的缺點。
5.具體地，本發明提供一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置，其包括帶有衝頭的鉚接凸模、壓邊圈、衝孔凹模、外鉚接凹模、嵌環以及頂杆，所述衝孔凹模設置在所述外鉚接凹模內部；
6.所述帶有衝頭的鉚接凸模與所述帶有衝孔凹模的外鉚接凹模相對設置，輕合金板和超高強鋼板從上至下放置在鉚接凸模與凹模之間，所述壓邊圈設置在輕合金板上方並壓緊輕合金板和超高強鋼板，所述衝孔凹模下方設置有能夠上下移動的頂杆，所述外鉚接凹模內設置有嵌環，所述嵌環縱截面為錐形，所述嵌環具有能夠保證兩板鑲嵌鎖扣量的內側
斜面和能夠保證鉚接板材脫模的外側斜面；
7.在衝孔過程中，鉚接凸模衝頭底端面與衝孔凹模刃口承擔衝裁作用；在鉚接過程中，鉚接凸模衝頭柱面部分、衝孔凹模上表面與外鉚接凹模及其內部嵌環組成鉚接模具型腔，共同完成鉚接成形。
8.優選地，所述嵌環為整體式結構或分體式結構，所述整體式結構為整體圓環，所述分體式結構包括兩個相互拼接的半圓環。
9.優選地，所述外鉚接凹模中間設有用於排除廢料的通孔以及多個安裝頂杆的圓孔。
10.優選地，所述衝孔凹模裝配在所述外鉚接凹模的定位槽中。
11.優選地，所述頂杆設置有兩根或兩根以上。
12.優選地，另一方面，本發明還提供一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置進行無鉚連接的方法，其包括以下步驟：
13.s1、衝孔階段：將雙層板材放置在對應位置，衝孔凹模藉助於頂杆上移到下層板材底面並頂住下層板材，隨後帶有衝頭的鉚接凸模下壓對雙層板材進行衝孔；
14.s2、鉚接階段：衝孔完成後頂杆下移，衝孔凹模快速下落至與外鉚接凹模底面持平，並與所述嵌環共同組成鉚接凹模，在鉚接凸模持續衝壓下完成雙層鋼板的無鉚連接成形過程；
15.s3、保壓階段：鉚接凸模繼續保持一定時間壓力，減小板材大幅度回彈，使板材充分填充型腔、鑲嵌互鎖和定型；
16.s4、頂件復位階段：鉚接凸模和壓邊圈依次上移復位，動力機構向上驅動頂杆，帶動衝孔凹模頂出板材，並準備下一次鉚接。
17.優選地，步驟s1中的雙層板材為超高強鋼板和輕合金板，雙層板材的放置順序為輕合金板在上，超高強鋼板在下。
18.與現有技術相比，本發明的有益效果如下：
19.(1)本發明的無鉚連接裝置適合於超高強鋼板與輕合金板無鉚連接應用，能夠保證超高強鋼板與輕合金板的連接強度，能夠拓展無鉚連接技術的應用場景。在成形過程中，利用衝孔工步為實現翻邊變形做前期準備，以翻邊形式為主的變形能夠完成兩板之間相互的鑲嵌與互鎖，同時也解決了傳統無鉚連接形式下對超高強鋼板難以壓薄變形的缺陷，保證無鉚連接的連接性能。
20.(2)本發明採用頂杆實現衝孔凹模精確定位，頂杆上端頂在衝孔凹模底部，下端通過設備上動力機構實現上下移動，另外，頂杆還有頂料作用，當無鉚連接完成後，向上驅動頂杆，可以通過衝孔凹模頂出板材。
21.(3)本發明採用壓邊圈對兩層金屬板材起到壓緊作用，能夠防止板材發生翹曲和錯移，保證板材的加工質量。
22.(4)本發明的外鉚接凹模內部放置嵌環，與衝孔凹模共同組成鉚接凹模型腔，承擔成形載荷。外鉚接凹模型腔內壁斜度比傳統大一些，更有利於鉚接後嵌環脫模。外鉚接凹模中間設有通孔，用來排掉衝孔廢料。外鉚接凹模中還加工若干圓孔等結構，用來裝配定位衝孔凹模與頂杆。在工作前嵌環放置在外鉚接凹模中組成外鉚接凹模，嵌環的縱截面設置為錐形，上寬下窄，嵌環內側的斜面可保證兩板鑲嵌鎖扣量，防止兩板脫扣；嵌環外側斜面用
來保證鉚接板材順利脫模；嵌環還具有保護外鉚接凹模磨損的作用。
23.(5)本發明的整體工藝方法在常溫下就能夠進行，不需要額外進行加熱，也不需要增加其餘工藝即能夠完成成形及無鉚連接，並且廢料可及時回收，能夠簡化工藝，且不會對環境造成額外負擔。
附圖說明
24.圖1為本發明基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置的衝孔前模具示意圖；
25.圖2為本發明的衝孔完成示意圖；
26.圖3為本發明的鉚接前模具示意圖；
27.圖4為本發明的鉚接保壓結束示意圖；
28.圖5為本發明的模具中衝頭和衝孔凹模尺寸示意圖；
29.圖6為本發明的嵌環結構示意圖；
30.圖7為超高強鋼與鋁合金板採用傳統無鉚連接的應變模擬圖；
31.圖8為超高強鋼與鋁合金板採用本發明方法無鉚連接的應變模擬圖。
具體實施方式
32.以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
33.具體地，本發明提供一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置，如圖1及圖2所示，其包括帶有衝頭的鉚接凸模1、壓邊圈2、衝孔凹模3、外鉚接凹模4、嵌環5以及頂杆6，衝孔凹模3設置在外鉚接凹模4內部，鉚接凸模1的衝頭與衝孔凹模3可共同配合為衝裁模具。
34.帶有衝頭的鉚接凸模1與衝孔凹模3相對設置，輕合金板7和超高強鋼板8依次設置在鉚接凸模1與衝孔凹模3之間，壓邊圈2設置在輕合金板7上方並壓緊輕合金板7和超高強鋼板8，衝孔凹模3外部設置有外鉚接凹模4，衝孔凹模3的下方設置有頂杆6，衝孔凹模3與外鉚接凹模4之間設置有嵌環5，嵌環5放置在外鉚接凹模4中與外鉚接凹模4共同組成鉚接凹模，嵌環5縱截面為錐形，嵌環5具有能夠保證兩板鑲嵌鎖扣量的內側斜面和能夠保證鉚接板材脫模的外側斜面。
35.在衝孔過程中，鉚接凸模1的衝頭底端面和衝孔凹模3刃口承擔衝裁作用。在鉚接過程中，鉚接凸模1衝頭柱面部分、衝孔凹模3上表面與外鉚接凹模4組成鉚接模具型腔，共同完成鉚接成形，鉚接凸模1和衝孔凹模3承擔衝孔和鉚接兩個工步的工作。
36.採用頂杆6實現衝孔凹模3精確定位，頂杆6上端頂在衝孔凹模3底部，頂杆6下端通過設備上設置的動力機構實現上下移動，另外，頂杆6還具有頂料的作用，當無鉚連接完成後，利用動力機構向上驅動頂杆，可以通過衝孔凹模3頂出板材，從而更加容易的完成脫模。在具體實施例中，根據需要，頂杆可以設置為兩根或兩根以上。
37.具體實施過程中，外鉚接凹模4內部放置嵌環5，與衝孔凹模3共同組成鉚接凹模的型腔，承擔成形載荷。外鉚接凹模4型腔內壁斜度可以比傳統大一些，更有利於鉚接後嵌環5脫模。外鉚接凹模4中間設有通孔，用來排掉衝孔廢料。外鉚接凹模4中還加工若干圓孔等結構，用來裝配定位衝孔凹模3與頂杆6。
38.具體實施過程中，如圖6所示，嵌環5可設置為兩種形式，分別為整體式結構和分體
式結構，整體式結構做成整體環，整體環在鉚接後與鋼板凸起部分箍在一起，對超強鋼板開裂失效具有抑制作用，該種結構的嵌環5可以用中碳鋼等材料製作。分體式結構兩個半環組成，鉚接後可拆下繼續使用，該種結構的嵌環5可以用模具鋼材料製作。
39.優選地，外鉚接凹模4中間設有用於排除廢料的通孔以及多個安裝圓孔。安裝圓孔用於安裝頂杆等其餘部件。
40.本發明還提供一種基於衝孔與嵌環的雙層板材無鉚連接裝置進行無鉚連接的方法，其包括以下步驟：
41.s1、衝孔階段：按照輕合金板7在上，超高強鋼板8在下的順序將雙層板材放置在對應位置，衝孔凹模3藉助於頂杆6上移到下層板材底面並頂住下層板材，此時帶有衝頭的鉚接凸模1下壓對雙層板材進行衝孔。
42.s2、鉚接階段：衝孔完成後頂杆6下移，衝孔凹模3下落至與外鉚接凹模4底面持平，並與嵌環5共同組成鉚接凹模，在鉚接凸模1持續衝壓下完成雙層金屬板材的無鉚連接成形過程。
43.s3、保壓階段：鉚接凸模1繼續保持一定時間壓力，減小板材大幅度回彈，以保證板材充分填充型腔、鑲嵌互鎖和定型目的。
44.s4、頂件復位階段：鉚接凸模1和壓邊圈2依次上移返回，再由設備上動力機構向上驅動頂杆6，推動衝孔凹模3頂出板材，並準備下一次鉚接。
45.在衝孔過程中，鉚接凸模衝頭底端面承擔衝裁作用。在鉚接過程中，鉚接凸模衝頭柱面部分與外鉚接凹模4及內部嵌環5又合成鉚接模具型腔，完成鉚接成形，鉚接凸模1承擔衝孔和鉚接兩個工步的工作。同時，在衝孔過程中，衝孔凹模3刃口承擔衝裁作用。在鉚接過程中，衝孔凹模3上表面又參與組合外鉚接凹模4功能，完成鉚接成形，衝孔凹模3也承擔衝孔和鉚接兩個工步的工作。
46.如圖1所示，鉚接凸模1和衝孔凹模3為衝孔用的兩個關鍵件，除了嵌環5的其他模具零件對板材和衝孔凹模3均起到壓緊和定位作用，其中衝孔凹模3工作中不能頂出外鉚接凹模4中的定位槽，以保證衝孔凹模3水平定位。
47.如圖3所示，衝孔完成後，衝孔凹模3立刻向下回落到外鉚接凹模4的定位槽中，定位槽深度與衝孔凹模3高度相等，保證外鉚接凹模4底面形成一個平面。
48.下面以具體實施例對本發明的方法及所達到的有益效果進行詳細說明：
49.具體實施例
50.以dp980超高強鋼和5083鋁合金板材無鉚連接為例說明本發明的工作過程。兩板厚度均為1.5mm，鉚接凸模下壓速度1mm/s，嵌環為整環結構，嵌環材料45#，鋼-鋁摩擦係數0.4，鋼-鋼摩擦係數0.12，在常溫下進行成形。圖5為模具中衝頭和衝孔凹模尺寸示意圖，其中衝頭高度d1為3.5mm，外鉚接凹模高度d2為2.2mm，嵌環高度d3為1.8mm，衝頭直徑d4為2mm，外鉚接凹模的外徑d5為7.2mm。
51.具體地，通過下述方法對dp980高強鋼和5083鋁合金板材進行衝孔鉚接，具體包括以下步驟：
52.s1、衝孔階段：將雙層板材按5083鋁合金板材在上、dp980高強鋼在下的位置順序放置在對應位置，壓邊圈壓緊兩塊板材，衝孔凹模藉助於頂杆上移到下層板材底面並頂住下層板材，鉚接凸模啟動向下進給，鉚接凸模的衝頭對雙層板材進行衝孔，衝孔行程約
3.24mm。
53.s2、鉚接階段：衝孔完成後頂杆下移，衝孔凹模下落至與外鉚接凹模底面持平，並與嵌環共同組成鉚接凹模，在鉚接凸模持續衝壓下使金屬充填型腔，完成雙層鋼板的無鉚連接成形過程，鉚接行程約4.48mm。
54.s3、保壓階段：鉚接凸模保持壓力約0.3s，該過程能夠減小板材大幅度回彈，使板材充分填充型腔、鑲嵌互鎖和定型，保證板材的連接強度。
55.s4、頂件復位階段：鉚接凸模和壓邊圈依次上移返回原位，再由設備上設置的動力機構向上驅動頂杆，推動衝孔凹模頂出板材，完成脫模，並準備下一次鉚接。當選用整體式嵌環時，脫模後嵌環箍在鉚接凸出部的外側面，並與板材固定連接為一體，對超高強鋼板可能出現的微裂紋起到抑制開裂的作用；當選用分體式嵌環時，板材脫模後可將嵌環拆下，重複利用。
56.下面結合鋁合金板應變示意圖對傳統無鉚連接方法及本發明無鉚連接方法的板材性能進行詳細分析：
57.如圖7所示為超高強鋼與鋁合金板採用傳統無鉚連接的應變模擬圖，鋁合金板頸部區域最大應變達到7.5，圖中可以看出，此時，劃分單元已發生開裂，無法繼續鉚接模擬。如圖8所示為採用本發明方法無鉚連接的應變模擬圖，鋁合金板頸部區域最大應變僅為2.9，不會產生開裂，鉚接模擬能夠順利完成。兩者比較可見，採用本發明的鉚接方法採用合理工藝參數，得到的板材塑性應變明顯減小，能夠保證鋁合金板頸部不發生斷裂等缺陷。
58.如圖4所示，採用本發明方法無鉚連接後的板材，測得鑲嵌量l1約為0.25mm，頸部厚度為0.2mm，符合無鉚連接質量要求。理論上鑲嵌量和頸部厚度兩參數互相影響，只要能夠獲得合理模具尺寸參數，就能夠得到鑲嵌量和頸部厚度最優值，實際工作中，可以根據具體需要進行設定。
59.通過上述分析可以得知，本發明的無鉚連接方法能夠大幅度降低屈服強度相對較低的輕合金板塑形應變，輕合金板鉚接頸部不易斷裂，滿足超高強鋼板與輕合金板的鉚接使用要求，對進一步輕量化汽車等產品和節能減排具有一定的現實意義。
60.以上所述的實施例僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。