一种带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉及自冲铆设备和
方法
技术领域
[0001] 本
发明属于金属及非金属板材连接领域，尤其涉及
一种带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉及自冲铆设备和方法，特别适用于拥有较高强度与厚度的、同种及异种金属材料、大多非金属材料的机械连接。
背景技术
[0002] 薄质金属及非金属板材在机械行业及
汽车产业中有着广泛的应用，自冲铆接技术作为替代传统
电阻点焊的一种新型薄质板材连接技术，不需要像传统铆接技术那样预先冲孔，工艺简单，通过半空心自冲
铆钉与轻质
合金板材共同进行塑性大
变形，形成机械内
锁，实现牢固的机械连接；特别适用于2～6mm并且难于
焊接的轻质合金及
复合材料板材的紧固连接，但由于铆钉材料及其尺寸的限制，铆接成型过程中铆钉所发生的塑性变形不能太大，否则会造成铆钉断裂失效，这对自冲铆接技术在较厚以及多层板材之间的连接造成了困难。
[0003] 实用新型
专利(
申请号为201520328312.5)公开了一种螺纹铆钉，该专利在
铆钉头部增设钻切头，通过去除材料的方式实现铆接的一步成型，但该铆钉加工难度大，对钻切头材料要求高，成本较大，且不适用于现有半空心自冲铆设备的铆接工艺过程，该专利所涉及的
内螺纹是为固定在铆枪上，并无实际连接作用。
[0004] 因此，有必要提供一种自冲铆接螺钉及设备用以解决较厚及多层板材之间的连接问题。
发明内容
[0005] 根据上述提出的技术问题，而提供一种带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉及自冲铆设备和方法。本发明主要利用在传统半空心自冲铆接螺钉
基础上设计螺纹机构，将半空心自冲铆接螺钉与螺纹机构设计为一体，首先通过改进的自冲铆冲杆推动半空心自冲铆接螺钉实现较薄板材的铆接成型，然后通过螺纹机构实现较厚板材之间的机械连接，从而实现多层板材在不同厚度范围内的连接。
[0006] 本发明采用的技术手段如下：
[0007] 一种带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉，其特征在于，所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉包括具有半空心结构的铆钉主体和设置于所述铆钉主体上端面的带有紧固螺纹的螺纹头，所述螺纹头底部设有便于螺纹加工完成后退刀的退刀槽，所述铆钉主体的外径与所述螺纹头的外径相同。
[0008] 进一步地，所述螺纹头用于连接较厚的板材，其具有M3-M8的粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹，其公称长度为12mm-22mm。
[0009] 本发明还公开了一种自冲铆设备，其特征在于，应用上述的带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉，与其配合使用的自冲铆冲头内部的冲杆设有用于容纳所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉的光孔，所述光孔与所述螺纹头顶端互相配合，用于确保铆接成型过程的对心性；所述自冲铆设备还包括嵌套设置在所述自冲铆冲头外侧的压边圈和与所述压边圈呈上下相对设置的自冲铆下模具，将待铆接的上层板材和下层板材上下堆叠放置在所述自冲铆下模具上，通过所述自冲铆冲头带动所述压边圈向下运动与所述自冲铆下模具合模后，推动所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉使得所述铆钉主体与所述上层板材和下层板材之间形成机械互锁，再通过所述螺纹头的螺纹机构实现与较厚的板材之间的连接。
[0010] 进一步地，所述上层板材和下层板材的材质选用高强轻质合金、高强度
钢板、低强度
碳钢或非金属复合材料中的一种；所述较厚的板材是指塑性较差的金属材料或非金属材料。
[0011] 进一步地，所述上层板材和下层板材的板材厚度为2mm-6mm，所述较厚的板材的板材厚度为4mm-16mm。
[0012] 本发明还公开了一种应用上述的自冲铆设备铆接多层板材的方法，其特征在于包括如下步骤：
[0013] S1、将待铆接的上层板材和下层板材上下堆叠放置在所述自冲铆下模具上；
[0014] S2、通过所述自冲铆冲头带动所述压边圈向下运动与所述自冲铆下模具合模后，推动所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉使得所述铆钉主体与所述上层板材和下层板材之间形成机械互锁；
[0015] S3、再通过所述螺纹头的螺纹机构实现与较厚的板材之间的连接，从而实现多层板材在不同厚度范围内的连接。
[0016] 进一步地，当铆接高强度轻质合金或高强度钢板时，所述步骤S1还包括将待铆接的上层板材和下层板材放入加热炉中加热，使其
温度快速达到预设的固溶温度，保温一段时间后使溶质
原子充分溶解到基体中以获得饱和
固溶体，然后将固溶后的两层板材快速转运至自冲铆下模具上准备进行步骤S2的自冲铆接，再对铆接部件进行保压淬火。
[0017] 较
现有技术相比，本发明带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉可用于轻质合金、
碳钢及复合材料等大多非金属材料板材的连接，并且可用于高强轻质合金及高强钢板之间的温热铆接，通
过热处理的方式改善材料成型性能，可以在高温下实现自冲铆接成型，在经过螺纹实现与其他高强材料或复合材料等塑性较差的板材之间的机械连接。本发明自冲铆接的成型过程是通过铆钉尾部的扩张形成机械互锁，从而实现有效的机械连接，且螺纹头可用于连接其他厚度较大的板材，具有实际连接作用。
[0018] 本发明具有以下优点：
[0019] 1)克服传统半空心
自冲铆钉所铆接板材厚度的限制，可以实现三层或多层较厚板材之间的机械连接。
[0020] 2)高强轻质合金及高强钢经过合适
热处理工艺，可使用带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉铆接并得到较好
质量的接头。
[0021] 3)可以实现复合材料、碳
纤维等多种塑性较差的异质板材之间的连接。
[0022] 4)本发明的带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉结构形式简单，便于加工制造，成本较低。
[0023] 基于上述理由本发明可在多层板材铆接领域广泛推广。
附图说明
[0024] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025] 图1为本发明带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉的结构示意图。
[0026] 图2为实施例中应用本发明带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉实施多层板材连接的示意图。
[0027] 图3为本发明带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉与铆接装置的剖面图。
[0028] 图中：1、自冲铆冲头；2、压边圈；3、带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉；31、铆钉主体；32、螺纹头；33、退刀槽；4、上层板材；5、下层板材；6、自冲铆下模具。
具体实施方式
[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 如图1所示，一种带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉，所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3包括具有半空心结构的铆钉主体31和设置于所述铆钉主体31上端面的带有紧固螺纹的螺纹头32，所述螺纹头32底部设有便于螺纹加工完成后退刀的退刀槽33，所述铆钉主体31的外径与所述螺纹头32的外径相同。所述螺纹头32用于连接较厚的板材，其具有M3-M8的粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹，其公称长度为12mm-22mm。
[0031] 如图3所示，本发明还公开了一种自冲铆设备，应用上述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3，与其配合使用的自冲铆冲头1内部的冲杆设有用于容纳所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3的光孔，所述光孔与所述螺纹头32顶端互相配合，用于确保铆接成型过程的对心性；所述自冲铆设备还包括嵌套设置在所述自冲铆冲头1外侧的压边圈2和与所述压边圈2呈上下相对设置的自冲铆下模具6，将待铆接的上层板材4和下层板材5上下堆叠放置在所述自冲铆下模具6上，通过所述自冲铆冲头1带动所述压边圈2向下运动与所述自冲铆下模具6合模后，推动所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3，所述铆钉主体31的腿部扩张并带动板材的流动，铆钉和板材同时产生较大的塑性变形，使得所述铆钉主体31与所述上层板材4和下层板材5之间形成机械互锁，再通过所述螺纹头32的螺纹机构穿过预先钻孔的较厚的板材，并配合
螺母锁紧，实现与较厚的板材之间的连接，从而实现三层或者多层较厚板材之间的连接(如图2所示)。
[0032] 所述上层板材4和下层板材5的材质选用高强轻质合金、高强度钢板、低强度碳钢或非金属复合材料中的一种；所述较厚的板材是指塑性较差的金属材料或非金属材料。
[0033] 所述上层板材4和下层板材5的板材厚度为2mm-6mm，所述较厚的板材的板材厚度为4mm-16mm。
[0034] 本发明还公开了一种应用上述自冲铆设备铆接多层板材的方法，包括如下步骤：
[0035] S1、将带铆接的上层板材4和下层板材5上下堆叠放置在所述自冲铆下模具6上；
[0036] S2、通过所述自冲铆冲头1带动所述压边圈2向下运动与所述自冲铆下模具6合模后，推动所述带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3使得所述铆钉主体31与所述上层板材4和下层板材5之间形成机械互锁；
[0037] S3、再通过所述螺纹头32的螺纹机构实现与较厚的板材之间的连接，从而实现多层板材在不同厚度范围内的连接。
[0038] 当铆接高强度轻质合金或高强度钢板时，所述步骤S1还包括将待铆接的上层板材4和下层板材5放入加热炉中加热，使其温度快速达到预设的固溶温度，保温一段时间后使溶质原子充分溶解到基体中以获得饱和固溶体，然后将固溶后的两层板材快速转运至自冲铆下模具6上准备进行步骤S2的自冲铆接，再对铆接部件进行保压淬火，铆接部件冷却期间将所述部件保持在闭合模具中，对双层板材继续保压，完成模具内淬火过程。
[0039] 实施例1
[0040] 如图3所示，本实施例中采用的上层板材4为1层2mm厚6061-T6
铝合金，下层板材5为1层3mm厚Q235低碳钢和1层4mm厚
碳纤维板材，板材总厚度为9mm，其中6061-T6
铝合金屈服强度为200～230Mpa，
抗拉强度为340～380Mpa，Q235钢屈服强度为230～240Mpa，抗拉强度为370～500Mpa。
[0041] 6061-T6铝合金及Q235低碳钢在常温下可以实现较好自冲铆成型，其中塑性较好的Q235作为下层板材5放在中部，6061-T6铝合金放在上层，
定位夹裝后实现铆接成型，碳纤维板材由于塑性较差，不适宜作为铆接板材，故预先冲孔后作为最上层板材，铆接完成后螺纹头32穿过碳纤维的通孔并用配合螺母锁紧，从而实现三层不同厚度的异质板材之间的机械连接。
[0042] 实施例2
[0043] 如图3所示，本实施例中所采用的上层板材4和下层板材5均为2mm厚的7075-T6高强度铝合金，以及1层6mm厚高强钢板，板材总厚度为10mm，其中7075-T6铝合金屈服强度为480～520Mpa，抗拉强度为630～670Mpa；高强钢板屈服强度为800～900Mpa，抗拉强度为
1200～1300Mpa。
[0044] 常温下7075-T6铝合金无法铆接成型，因此先进行热处理，改善材料的成形性。
[0045] 首先将待铆接的双层7075-T6铝合金板材加热固溶处理，其中固溶温度为470-480℃，保温时间为25-35min，7075铝合金在400℃左右成形性较好，因此固溶完成后待7075铝合金降温至380-410℃时，自冲铆冲头1下行推动带有紧固螺纹的半空心自冲铆接螺钉3进行铆接，同时在压边圈2及自冲铆下模具6的作用下对7075铝合金进行淬火，强化接头附近7075材料基体性能，待板材温度降温至100℃以下，完成双层
轻质板料自冲铆接过程。
[0046] 将冷却至常温的双层自冲铆连接件通过螺纹头部穿入较厚的高强钢板，并用螺母锁紧，最终实现三层较厚板材的连接。
[0047] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
