带有自锁的螺柱复合连接装置及连接方法
阅读说明：本技术 带有自锁的螺柱复合连接装置及连接方法 (Stud composite connecting device with self-locking function and connecting method ) 是由 山河 李永兵 马运五 杨炳鑫 雷海洋 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：一种带有自锁的螺柱复合连接装置,包括：螺柱、驱动头和螺柱配合件,其中：螺柱包括：依次连接的螺柱体和尾部空心结构,该螺柱体的一端设有作为驱动连接部的盲孔；盲孔通过①设置于开口端外表面的对称双平面结构和/或②设置于内表面的呈棱柱结构及设置于螺柱体外部的螺纹以连接驱动头。本发明通过控制螺柱的尾部空心结构张开产生的底切量形成了基于底切量的机械自锁效果,通过控制待连接板材的流动状态形成了基于环形凹槽的机械自锁效果,在自锁机械连接的基础上实现螺柱与工件之间的固相连接,形成了机械-固相复合连接；仅对上层板材预制连接孔,降低了对中性和装卡精度的要求,避免了螺栓连接上下开放式的接头结构,增强了接头的密封性,提高了抗腐蚀性能。(A stud composite connection with self-locking, comprising: stud, drive head and stud fitting, wherein: the stud includes: the tail part of the tail part; the blind hole is connected with the driving head through a symmetrical biplane structure arranged on the outer surface of the opening end and/or a prismatic structure arranged on the inner surface and a thread arranged outside the screw cylinder. According to the invention, the mechanical self-locking effect based on the undercut amount is formed by controlling the undercut amount generated by the opening of the tail hollow structure of the stud, the mechanical self-locking effect based on the annular groove is formed by controlling the flowing state of the plate to be connected, the solid-phase connection between the stud and the workpiece is realized on the basis of the self-locking mechanical connection, and the mechanical-solid-phase composite connection is formed; only the connecting holes are prefabricated on the upper plate, so that the requirements on the neutrality and the clamping precision are reduced, the problem that bolts are connected with an upper-lower open type joint structure is solved, the sealing performance of the joint is enhanced, and the corrosion resistance is improved.)
技术领域
本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种带有自锁的螺柱复合连接装置及连接方法。
背景技术
在金属材料的板连接中，对于上层板为钢、下层板为轻质合金板材的组合，由于下层轻质合金板材较厚，而无法采用自冲铆接、流钻铆接等适用于薄板的机械连接方法。此外，钢板在上、轻质合金在下的叠加方式使搅拌摩擦焊、摩擦单元焊等固相连接工艺无法应用，故此类板材组合的连接主要采用上、下板材预置通孔的传统螺栓连接工艺实现。现有螺栓连接技术适用于连接可拆卸结构部件，存在的问题有以下几点：需要对连接板材预先钻孔和攻丝，不仅增加了螺栓连接工艺额外的加工步骤，而且各层板材预制螺孔和攻丝在装卡过程中的对中性要求较高；各层板材预制通孔的开放结构导致接头密封性差，降低了接头的耐腐蚀性能，限制了螺栓连接接头的服役范围；所用螺栓贯穿多层板材，尺寸长、重量大，与轻量化要求相左。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种带有自锁的螺柱复合连接装置及连接方法，形成了机械-固相-螺纹复合连接，强化接头的静、动态力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置，包括：螺柱、驱动头和螺柱配合件，其中：螺柱包括：依次连接的螺柱体和尾部空心结构。
所述的螺柱体的一端设有作为驱动连接部的盲孔。
所述的盲孔通过①设置于开口端外表面的对称双平面结构和/或②设置于内表面的呈棱柱结构及设置于螺柱体外部的螺纹以连接驱动头。
所述的尾部空心结构的内壁和/或外壁设有多组自锁环形凹槽；其末端设有圆弧过渡的楔形结构以引导底切量的产生和塑性态材料流动。
所述的驱动头设有球头柱塞以与螺柱锁紧并驱动其钻入下层待连接板材预定深度，随后将上层待连接板材的预制孔穿过螺柱，与下层连接板材贴合，使用螺柱配合件将上层连接板材和下层连接板材压紧，最终形成机械-固相-螺纹复合连接接头。
优选地，当螺柱采用强度较高材料或尾部空心结构壁厚较大时，为保证其产生足够的张开，形成基于底切量的有效机械自锁，可在尾部空心结构末端设置至少两个贯通槽，形状为任意一种几何形状，数量至少为两个，等角度沿周向均匀分布。
所述的驱动头优选为磁性棱柱。
所述的螺柱的螺柱体露出高度、螺纹结构高度和尾部空心结构高度，与上、下层板厚度和螺母尺寸相匹配，具体地：
对于内螺纹螺柱：h1<t1，h2＝k·t2(k<1)，h-h2＝t1；
对于外螺纹螺柱：h＝h1+h2，h1≥t1+h0，h2＝k·t2(k<1)，其中：h为螺柱总高度；h1为螺纹结构高度；h2为尾部空心结构高度；h0为与外螺纹螺柱匹配的螺母高度；t1为上层板厚度；t2为下层板厚度；k为根据板材属性设定的匹配系数，一般设定为0.6-0.8。
所述的自锁环形凹槽产生的空腔应在工艺结束后被填满，即工艺结束后下层板材上方剩余的空腔被尾部空心结构挤入空腔内部的材料填满且满足：πr2·(D-h2)＝π(R2-r2)·h2，其中：D为螺柱空腔深度；R为尾部空心结构外径；r为尾部空心结构内径；即螺柱空腔深度D应满足：
所述的下层板采用但不限于由同种或异种轻质合金组成的多层结构，此时t2为多层板总厚度。
本发明涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置的连接方法，将装卡好的下层连接板材预置压边圈压紧，将驱动头与螺柱配合并置于与压边圈同轴的位置，驱动头带动螺柱以高速旋转、低速进给的方式钻入下层连接板材，通过螺柱旋转与板材的相对摩擦产生并积累摩擦热使连接区域温度升高，同时板材塑性增加，塑性态金属流入螺柱的尾部空心结构，形成截留金属机械自锁；再令驱动头停转并带动螺柱快速下镦使尾部空心结构的楔形末端向外张开，形成基于底切量的机械自锁，同时螺柱下段的空腔因下镦而被塑性态金属填满，待冷却后形成基于环形凹槽的机械自锁，将上层连接板材的预制孔加装至已完成铆接的螺柱处，将螺柱配合结构与螺柱结合以压紧上层连接板材和下层连接板材，形成机械-固相-螺纹复合连接接头。
所述的机械-固相-螺纹复合连接是指：螺柱附件各界面间隙被消除，实现以下至少一个界面处的两侧材料紧密固相连接：
①螺柱尾部空心结构的内壁与截留金属的界面；
②螺柱尾部空心结构的外壁与待连接板的界面。
技术效果
本发明在自冲摩擦铆接基本原理的基础上，创造性的设计了兼顾机械自锁功能和螺纹锁紧功能的半空心螺柱，解决了传统板材点连接工艺对于钢板在上、轻质合金在下的板材组合无法适用的问题，并回避了传统螺栓连接工艺的诸多劣势，实现了机械-固相-螺纹复合连接接头。
本发明采用半空心的螺柱结构和非贯穿的接头形式，减小了接头螺柱尺寸和接头重量，符合结构轻量化的要求，提高了工艺应用前景和结构设计的灵活性；仅对上层板材预制连接孔，降低了对中性和装卡精度的要求，避免了螺栓连接上下开放式的接头结构，增强了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能；螺柱尾部空心结构为挤出材料提供空间，仅产生相对于板材和螺柱尺寸很小的摩擦金属飞边，保证了上层预制孔钢板的精确安装。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图中：a为螺柱；b为驱动头；c为螺栓；
图2为实施例1的应用步骤图；
图中：a为步骤1)的示意图；b为步骤2)的示意图；c为步骤3)的示意图；d为步骤4)的示意图；
图3为实施例1形成的复合连接接头的示意图；
图4为实施例2的结构示意图；
图中：a为螺柱；b为驱动头；c为螺母；
图5为实施例2的应用步骤图；
图中：a为步骤1)的示意图；b为步骤2)的示意图；c为步骤3)的示意图；d为步骤4)的示意图；
图6为实施例2形成的复合连接接头的示意图；
图中：螺柱1、驱动头2、压边圈3、待连接板材4、平底模具5、螺栓6、螺母7、螺柱体101、驱动连接部102、螺纹103、自锁环形凹槽104、尾部空心结构105、球头柱塞201、上层板材401、下层板材402、内自锁特征位置403。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置，包括：螺柱1、驱动头2、螺栓6、压边圈3和平底模具5，其中：驱动头2、螺柱1、压边圈3和平底模具5同轴设置，驱动头2驱动螺柱1插入待连接板材4，压边圈3设置于螺柱1外并与待连接板材4接触，平底模具5设置于待连接板材4的下方，螺栓6与螺柱1配合与待连接板材4形成复合连接接头。
所述的螺柱1从上到下依次包括：驱动连接部102、螺柱体101和尾部空心结构105，其中：驱动连接部102和螺柱体101的上段形成空腔且内部设有螺纹103。
所述的驱动头2上设有球头柱塞201以与螺柱1紧密接触。
所述的待连接板材4具体包括：带预制孔的上层板材401和下层板材402，其中：上层板材401为热成型钢板，下层板材402为铝合金7A52。
所述的预制孔的直径为螺柱1外径的1.1-1.3倍。
所述的螺柱体101的高度、螺纹103的高度和尾部空心结构105的高度与上层板材401和下层板材402的厚度及螺栓6的尺寸相配合，具体满足：h1<t1，h2＝k·t2(k<1)，h-h2＝t1，其中：h为螺柱1的高度，h1为螺纹103的高度，h2为尾部空心结构105的高度，t1为上层板材401的厚度，t2为下层板材402的厚度，k为根据板材属性设定的匹配系数(设为0.6-0.8)。
所述的尾部空心结构105的空腔深度为23.0mm。
所述的螺柱1为M8内螺纹螺柱1，其材质为45钢，其高度为28.0mm。
所述的螺柱体101的外径为16.0mm，其高度为10.0mm。
所述的尾部空心结构105的内壁等间距设有三组自锁环形凹槽104。
所述的自锁环形凹槽104的形状为一种或多种几何形状的组合，本实施例的凹槽的横断面为矩形，其高度为1.0mm，其深度为0.5mm。
所述的等间距的长度具体为1.0mm。
所述的尾部空心结构105的内径为9.6mm，其外径为12.0mm，其高度为15.0mm，其末端设有圆滑过渡的楔形锥角且外壁为光滑结构。
所述的压边圈3的内径大于螺柱1的外径。
所述的平底模具5的尺寸大于压边圈3的外径。
所述的驱动连接部102的上端外侧为对称的双平面结构以与驱动头2的内表面配合。
所述的上层板材401的厚度为10.0mm；所述的预制孔的直径为18.0mm；所述的下层板材402的厚度为20.0mm。
所述的螺栓6为M8螺栓6，其螺帽的尺寸为20.0mm，其螺杆长度为6.0mm。
所述的平底模具5为光滑的圆形工具钢。
如图2所示，本实施例涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置的连接方法，具体包括以下步骤：
1)将下层板材402装卡于平底模具5的正上方，将螺柱1装卡于驱动头2内并用球头柱塞201锁紧，再将压边圈3置于预装卡好的下层板材402。
2)驱动头2在伺服电机的驱动下以3600rpm的旋转速度和1.0mm/s的进给速度带动螺柱1刺入下层板材402直至钻入10.0mm的深度，期间由于螺柱1与下层板材402之间的剧烈摩擦作用产生并积累摩擦热，使待连接区域板材温度升高，材料软化，塑性增强，当塑性态铝合金填充至自锁环形凹槽104的上方，形成截留金属机械内自锁。
3)随后驱动头2停转，以7mm/s的进给速度下镦4.0mm，尾部空心结构105在楔形末端和轴向力的引导作用下向外张开，产生底切量，形成底切量机械自锁，如图3中的内自锁特征位置403所示；螺柱1与下层板材402的间隙消除，冷却后形成固相连接区，且螺柱体101和尾部空心结构105之间的平台在下镦过程中将螺柱1外壁根部处产生的摩擦金属飞边压实。
所述的内自锁特征位置403具体满足：πr2·(D-h2)＝π(R2-r2)·h2，其中：D为螺柱1下段空腔的深度，D满足：R为尾部空心结构105的外径，r为尾部空心结构105的内径。
4)充分冷却后，将已预制孔的上层板材401准确加装至已铆接完成的螺柱1处，将螺栓6旋入螺柱1的内螺纹103中，将上层板材401与下层板材402压实锁紧，形成机械-固相-螺纹复合连接接头，如图3所示。
与现有技术相比，本实施例通过形成机械-固相-螺纹复合连接接头，解决了螺栓连接需上层板材401打孔、下层板材402打孔攻丝，在装卡时对中性要求高的问题。本实施例形成了有效的截留金属机械内自锁和底切量机械自锁，并在形成了固相焊区域，结合传统螺纹连接的优势将上下板材紧密装配，保证了所得机械-固相-螺纹复合连接接头的静、动态力学性能。
实施例2
如图4所示，本实施例涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置，包括：螺柱1、驱动头2、螺母7、压边圈3和平底模具5，其中：驱动头2、螺柱1、压边圈3和平底模具5同轴设置，驱动头2驱动螺柱1插入待连接板材4，压边圈3设置于螺柱1外并与待连接板材4接触，平底模具5设置于待连接板材4的下方，螺母7与螺柱1配合与待连接板材4形成复合连接接头。
所述的螺柱1从上到下依次包括：螺柱体101和尾部空心结构105。
所述的螺柱体101的一端设有作为驱动连接部102的盲孔，其外表面设有螺纹103。
所述的待连接板材4具体包括：带预制孔的上层板材401和两层下层板材402，其中：上层板材401为热成型钢板，第一下层板材402为铝合金5083，第二下层板材402为铸铝AlSi10MgMn。
所述的预制孔的直径为螺柱1外径的1.1-1.3倍。
所述的螺柱体101的高度、螺纹103高度和尾部空心结构105的高度与上层板材401和下层板材402的厚度及螺母7的尺寸相配合，具体满足：h＝h1+h2，h1≥t1+h0，h2＝k·t2(k<1)，其中：h为螺柱1的高度，h1为螺纹103的高度，h2为尾部空心结构105的高度，h0为与螺母7的高度，t1为上层板材401的厚度，t2为下层板材402的厚度，k为根据板材属性设定的匹配系数(设为0.6-0.8)。
所述的螺柱1为M6外螺纹螺柱1，其材质为45钢，其高度为21.0mm。
所述的螺柱体101的高度为10.0mm。
所述的尾部空心结构105的内壁等间距设有四组自锁环形凹槽104，该自锁环形凹槽104的横断面为矩形且凹槽的高度为0.5mm，深度为0.4mm。
所述的等间距的长度具体为0.8mm。
所述的尾部空心结构105的内径为5.0mm，其外径为6.0mm，其高度为11.0mm，其末端设有圆滑过渡的楔形锥角且外壁为光滑结构。
所述的尾部空心结构105的空腔深度为15.5mm。
所述的驱动连接部102的表面为棱柱状以与磁性棱柱驱动头2的外表面配合。
所述的上层板材401的厚度为2.0mm；所述的预制孔的直径为7.0mm；所述的第一下层板材402的厚度为4.0mm；所述的第二下层板材402的厚度为10.0mm。
所述的螺母7为M6螺母7，其高度为5.0mm，其外径为10.0mm。
所述的平底模具5为光滑的圆形工具钢。
如图5所示，本实施例涉及一种带有自锁的螺柱复合连接装置的连接方法，具体包括以下步骤：
1)将下层板材402装卡于平底模具5的正上方，将驱动头2装卡于螺柱1内，再将压边圈3置于预装卡好的下层板材402。
2)驱动头2在伺服电机的驱动下以4000rpm的旋转速度和2.0mm/s的进给速度带动螺柱1刺入下层板材402直至钻入4.0mm的深度刺穿第一下层板材402，再以4000rpm的旋转速度和1.0mm/s的进给速度进给4.0mm，充分摩擦软化第二下层板材402，旋转进给完成后，四道自锁环形凹槽104充分填满，形成截留金属机械内自锁。
3)随后驱动头2停转，以5.0mm/s的进给速度下镦2.5mm，使尾部空心结构105向外张开，产生底切量，形成底切量机械自锁，如图6中的内自锁特征位置403所示。
所述的内自锁特征位置403具体满足：πr2·(D-h2)＝π(R2-r2)·h2，其中：D为螺柱1下段空腔的深度，D满足：R为尾部空心结构105的外径，r为尾部空心结构105的内径。
4)充分冷却后，用螺母7将上层板材401压实锁紧，最终获得机械-固相-螺纹复合连接接头，如图6所示。
与实施例1相比，本实施例的下层板材402为双层差厚板叠加，为避免两板缝隙对截留金属内自锁的影响，本实施例的自锁环形凹槽104设计为多、密、细的分布；第一下层板材402为铝合金5083，其塑性和延伸率较好，在刺穿第一下层板材402时增加进给速度，而第二下层板材402为铸铝，其延伸率较差，易发生开裂，因此需要增加旋转进给阶段的比例，减少停转下镦的比例和下镦速度。
优选地，当待铆板材较厚或刚度较大时，可省略上述实施例中的平底模具。
优选地，上述实施例中的驱动头根据不同的螺纹结构(内/外螺纹)，设计了相匹配的外/内驱动结构，用于与螺柱匹配并传递扭矩，外驱动采用套筒驱动模式，套筒内部设置与内螺纹螺柱上端匹配的对称双平面驱动结构，并使用球头柱塞锁紧，内驱动采用与外螺纹螺柱上端匹配的磁性棱柱驱动结构；
综上，与现有技术相比，本发明解决了传统板材点连接工艺对于钢板在上、轻质合金板在下的板材组合无法适用的问题，并回避了传统螺栓连接工艺的诸多劣势。本连接在自冲摩擦铆接基本原理的基础上，创造性的设计了半空心螺柱，通过控制螺柱的尾部空心结构张开产生的底切量形成了基于底切量的机械自锁效果，通过控制待连接板材的流动状态形成了基于环形凹槽的机械自锁效果，同时在机械自锁的基础上实现螺柱与工件之间的固相连接，形成了机械-固相复合连接；仅对上层板材预制连接孔，降低了对中性和装卡精度的要求，避免了螺栓连接上下开放式的接头结构，增强了接头的密封性，提高了抗腐蚀性能；半空心的螺柱结构和非贯穿的接头形式，减小了接头螺柱尺寸和接头重量，符合结构轻量化的要求，提高了工艺应用前景和结构设计的灵活性；螺柱尾部空心结构为挤出材料提供空间，仅产生相对于板材和螺柱尺寸很小的摩擦金属飞边，保证上层预制孔钢板的精确安装。
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。
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