半空心螺纹铆钉及其单边连接方法
阅读说明：本技术 半空心螺纹铆钉及其单边连接方法 (Semi-hollow threaded rivet and unilateral connection method thereof ) 是由 杨炳鑫 李永兵 马运五 山河 雷海洋 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：一种半空心螺纹铆钉,包括：一体成形的铆钉头和空心结构的铆钉体,该铆钉体从下而上依次包括：流钻部、攻丝部和螺纹部,其中：流钻部和攻丝部位于空心结构的外缘,流钻部的底端为楔形锥角。本发明通过攻丝与拧紧实现螺纹连接,最终形成螺纹-固相复合连接；铆接完成后,铆钉尖端未刺穿下层板材,保证了接头的密封性,提升抗腐蚀能力；由于下层板无尖锐凸起,使该工艺可以用于型材外其他类型的连接,扩大了工艺的应用范围。(A semi-hollow threaded rivet comprising: integrative shaping rivet head and hollow structure's rivet body, this rivet body from down and upward include in proper order: a flow drill portion, a thread forming portion, and a threaded portion, wherein: the flow drilling part and the tapping part are positioned at the outer edge of the hollow structure, and the bottom end of the flow drilling part is provided with a wedge-shaped taper angle. The invention realizes the threaded connection through tapping and screwing, and finally forms the thread-solid phase composite connection; after riveting is finished, the tip of the rivet does not pierce through the lower-layer plate, so that the sealing property of the joint is ensured, and the corrosion resistance is improved; because the lower plate has no sharp bulge, the process can be used for other types of connection outside the section bar, and the application range of the process is expanded.)
技术领域
本发明涉及的是一种单边连接领域的技术，具体是一种半空心螺纹铆钉及其单边连接方法。
背景技术
轻合金铸件、挤压型材等轻量化结构因其较于板材在薄壁结构刚度方面的显著优势而被广泛应用于汽车、机车、火箭等壳体的制造中。然而，在连接封闭/半封闭型材或轻合金铸件时，受空间限制，双边连接难以实现，需要采用单边连接技术。现有单边连接技术中，抽芯铆接技术需要在连接板上预制通孔，这不仅降低了生产节拍，还因预制孔与铆钉的同轴度要求高给生产带来困难，且预制孔产生的金属碎屑也将给使用者带来不适体验。流动钻铆技术无需预制孔，但由于螺钉需要穿透所有连接板材而降低了接头的密封性，从而降低了接头的耐腐蚀性；穿孔过程中软化的轻合金被挤入板材间，使接头中出现间隙；螺钉尾端与螺纹成形区对连接强度无实际作用，额外增加了螺钉的长度和重量，不利于轻量化，且限制了其在较小腔体结构中的应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种半空心螺纹铆钉及其单边连接方法，在半空心铆钉外壁从下至上依次设计流钻、攻丝与螺纹三个部分，实现螺纹连接。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种半空心螺纹铆钉，包括：一体成形的铆钉头和空心结构的铆钉体，该铆钉体从下而上依次包括：流钻部、攻丝部和螺纹部，其中：流钻部和攻丝部位于空心结构的外缘。
所述的流钻部、攻丝部和螺纹部的高度同时满足：H1＝K1H2，H1+H2＝K2R1，H1+H2+H3＝H，其中：H为铆钉体的高度，H1为流钻部的高度，H2为攻丝部的高度，H3为螺纹部的高度，R1为铆钉体的外径，K1和K2为修正系数；通过流钻部、攻丝部和螺纹部的一体式设计实现钻孔、攻丝、连接操作一体化，工艺完成后获得螺纹-固相复合连接接头。
所述的修正系数K1优选为[1.2,2.0]，K2优选为[0.5,0.8]。
所述的铆钉体的高度满足：H＝t1+Kt2-0.2，其中：H为铆钉体高度，t1为上层连接件的厚度，t2为下层连接件的厚度，K为修正系数；通过优化铆钉体高度，精确控制施工过程中工件材料的挤出量，保证下层板不被刺透的同时提供更长的连接长度。
所述的修正系数K优选为[1.5,2.0]。
所述的铆钉体的空心结构的深度满足：其中：h为空心结构的深度，t为待连接件的总厚度，δ为下层连接件的延展率，R1为铆钉体的外径，R2为铆钉体的内径，K3为修正系数；在减轻接头的重量的同时为受挤的工件材料提供流动空间。
所述的修正系数K3优选为[0.01,0.04]。
本发明涉及一种半空心螺纹铆钉的单边连接方法，待连接件经压边圈压紧，铆钉和与之匹配的驱动头装配后置于上层连接件上并与压边圈同轴，铆钉经穿入阶段、攻丝阶段和拧紧阶段与待连接件形成未刺穿待连接件的螺纹-固相复合连接。
所述的穿入阶段具体是：驱动头带动铆钉以高速旋转、低速进给的方式刺入上层连接件至铆钉的流钻部完全进入待连接件内以使铆钉内、外侧之间形成固相连接，此时通过流钻部的摩擦产热软化待连接件并使下层连接件产生塑性流动。
所述的攻丝阶段具体是：驱动头带动铆钉降低旋转速度，攻丝部与待连接件接触形成螺纹。
所述的拧紧阶段具体是：驱动头带动铆钉进一步降低旋转速度，铆钉体外侧的螺纹相继与待连接件实现螺纹啮合至驱动头的扭矩达到预设值则停止。
技术效果
本发明整体解决了现有技术中：流动钻铆技术需要穿透所有连接板材而降低了接头的密封性，从而降低了接头的耐腐蚀性；穿孔过程中软化的轻合金被挤入板材间，使接头中出现间隙；螺钉尾端与螺纹成形区对连接强度无实际作用，额外增加了螺钉的长度和重量，不利于轻量化，且限制了其在较小腔体结构中的应用等诸多问题。
与现有技术相比，本发明在半空心铆钉外壁从下至上依次设计流钻、攻丝与螺纹三个部分，通过攻丝与拧紧实现螺纹连接，最终形成螺纹-固相复合连接；铆接完成后，铆钉尖端未刺穿下层板材，保证了接头的密封性，提升抗腐蚀能力；由于下层板无尖锐凸起，使该工艺可以用于型材外其他类型的连接，扩大了工艺的应用范围；半空心结构设计一方面使铆钉体变粗，以传递更大的扭矩，提供更高的螺纹负载，另一方面减轻了铆钉的质量，使该工艺更满足轻量化生产的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：a为正视图；b为俯视图；
图2为铆钉的结构示意图；
图中：a为实施例1的铆钉示意图；b为实施例2的铆钉示意图；c为实施例3的铆钉示意图；
图3为实施例1的应用过程图；
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；e为实施例1形成的螺纹-固相复合接头示意图；
图4为实施例2的应用过程图；
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；e为实施例2形成的螺纹-固相复合接头示意图；
图5为实施例3的应用过程图；
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；e为实施例3形成的螺纹-固相复合接头示意图；
图中：铆钉1、驱动头2、压边圈3、待连接件4、预制孔5、铆钉头101、铆钉体102、定位孔103、驱动结构104、集屑槽105、支承面106、螺纹部107、攻丝部108、流钻部109、锥角110、上层连接件401、中层连接件402、下层连接件403。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用的待连接件4包括：牌号为AA6061-T6的上层连接件401和牌号为6005A-T6的下层连接件403；所述的上层连接件401的厚度为2.5mm；所述的下层连接件403的厚度为4.0mm。
如图1所示，本实施例涉及一种半空心螺纹铆钉，包括：一体连接的铆钉头101和铆钉体102。
所述的铆钉1的高度为10.6mm；所述的铆钉头101的高度为2.0mm，其直径为10.0mm。
所述的铆钉头101的上端部中央设有定位孔103，该定位孔103外设有六个均匀分布的呈楔形齿状的驱动结构104。
所述的驱动结构104的齿深为1.2mm。
所述铆钉头101的下端部由内而外设有一体化的凹入式的集屑槽105和支承面106，其中：集屑槽105与铆钉体102相连。
所述的集屑槽105和支承面106均为磨砂处理的粗糙面以与上层连接件401保持良好的密封性，该集屑槽105的尺寸根据铆钉1的尺寸确定。
所述的集屑槽105的内径为7.0mm，其外径为8.5mm，其最深处高度为0.5mm。
所述的铆钉体102从上而下依次包括：螺纹部107、攻丝部108和流钻部109，其中：流钻部109的硬度大于螺纹部107和攻丝部108以便于流钻刺入待连接件4。
所述的流钻部109的底端设有楔形锥角110，该锥角110的尖端位于铆钉体102的内壁和外壁之间。
所述的攻丝部108的作用是在待连接件4因流钻而形成的孔内壁加工内螺纹以为铆钉1的螺纹部107的拧紧创造基础。
所述的螺纹部107的作用是与待连接件4形成螺纹连接，螺纹设在铆钉体102的外侧和/或内侧，该螺纹为标准连接螺纹、三角细牙螺纹或三角粗牙螺纹。
所述的螺纹的旋向与驱动结构104的旋转方向相同，根据实际确定螺纹为单线螺纹或多线螺纹。
本实施例所述的螺纹部107的螺纹设在铆钉体102的外侧，线形为单线螺纹，螺纹旋向与驱动头2的旋转方向相同，如图2a所示。
所述的铆钉体102的高度为8.6mm，其内径为4.2mm，其外径为7.0mm，其下段空心结构的深度为4.8mm；所述的螺纹部107的高度为4.1mm；所述的攻丝部108的高度为1.5mm；所述的流钻部109的高度为3.0mm。
所述的铆钉1的材质为镍基合金、钴基合金或硼处理中碳钢。
如图3所示，本实施例涉及一种半空心螺纹铆钉的单边连接方法，具体包括以下步骤：
步骤1、准备阶段：压边圈3将待连接件4压紧，驱动头2与铆钉1的驱动结构104相啮合以带动铆钉1以低速正转和反转以保证驱动头2与铆钉1的驱动结构104形成稳定的配合，同时驱动头2带动铆钉1在与压边圈3同轴的位置低速进给使铆钉1的锥角110与上层连接件401表面接触。
步骤2、穿入阶段：驱动头2带动铆钉1以4000rpm的转速、1mm/s的速度进给，刺入上层连接件401内3mm，直到铆钉的流钻部109完全进入待连接件4内，通过流钻部109的摩擦产热软化上层连接件401并使下层连接件403产生塑性流动，铆钉1的内、外侧与待连接件4之间形成固相连接，还为攻丝和拧紧创造软化基础。
步骤3、攻丝阶段：驱动头2以2500rpm的转速旋转，进给4.5mm，铆钉1的攻丝部108与待连接件4接触并形成螺纹。
步骤4、拧紧阶段：驱动头2以200rpm的转速旋转，铆钉1的螺纹部107相继与上层连接件401和下层连接件403实现螺纹啮合，驱动头2扭矩达到10N·m时停止。
步骤5、复合接头成形：驱动头2反向进给退出，支承面106与上层连接件401的上表面压紧使毛刺和碎屑包覆在凹入式的集屑槽105内，支承面106的压紧作用防止接头中扭矩衰减而产生松动，铆钉1的螺纹部107和流钻部109与待连接件4形成未刺穿螺纹-固相复合接头。
所述的压边圈3的直径为12mm，其运动依靠弹簧机构控制。
所述的步骤3的驱动头2的旋转速度低于步骤2以防止螺纹在咬合时产生金属屑；所述的步骤4的驱动头2的旋转速度低于步骤3以避免待连接件4的孔壁螺纹损坏。
对接头进行金相观察发现，铆钉与工件间实现较好的螺纹连接，且铆钉尖端与工件及两层工件间均发生固相连接；对接头进行拉剪测试，其强度超过AA6061-T6铝合金母材强度。
与现有流动钻铆工艺相比，本实施例中获得的接头由于铆钉未刺穿下层连接件，使接头的防腐蚀性明显提高；本实施例与工件在交界面处形成螺纹连接，同时通过流钻部109的高速旋转积累摩擦热，在上下板材之间形成固相连接，使接头的力学性能得到提升。
实施例2
如图4所示，本实施例采用的待连接件4包括：上层连接件401、中层连接件402和下层连接件403；所述的上层连接件401为1mm厚的6A01-T5铝合金；所述的中层连接件402为1mm厚的AZ31B镁合金；所述的下层连接件403为3.0mm厚的6005A-T6型材，其空心结构的深度为18mm。
与实施例1相比，本实施例的铆钉1的高度为9.6mm，其内径为3.6mm，其外径为6.0mm，其重量为2.0g；铆钉体102高度为7.6mm，其下段空心结构的深度为5.2mm；螺纹部107的高度为3.6mm；攻丝部108的高度为1.5mm；流钻部109的高度为2.5mm。
与实施例1相比，本实施例的铆钉体102的下段内腔壁上设有多层凹槽，如图2b所示。
与实施例1相比，本实施例的步骤2中，驱动头2以3600rpm的旋转速度、0.8mm/s的进给速度带动铆钉1进给2.5mm；步骤3中，驱动头2以2500rpm的旋转速度带动铆钉1进给4.0mm；步骤4中，驱动头2以200rpm的旋转速度带动铆钉1至扭矩达到10N·m停止。
本实施例在下层连接件403的空心结构深度较浅的情况下，相较于采用采用德国Arnold公司的FDS专用螺钉(尺寸为M5×28.5mm，重量为5.0g)，单个连接点的质量减少了3/5，同时解决了流钻螺钉因长度较长难以连接小空心结构型材的问题。
实施例3
如图5所示，本实施例采用的待连接件4包括：上层连接件401和下层连接件403；所述的上层连接件401为2.0mm厚的DP590高强钢并设有预制孔5；所述的下层连接件403为3.5mm厚的6061-T6铝板。
与实施例1相比，本实施例的铆钉1的高度为9.0mm，其内径为3.2mm，其外径为6.0mm；铆钉体102的高度为7.0mm，其下段空心结构的深度为4.2mm；螺纹部107的高度为3.0mm；攻丝部108的高度为1.5mm；流钻部109的高度为2.5mm。
与实施例1相比，本实施例的铆钉体102的下段内腔壁上设有三角形螺纹，如图2c所示。
与实施例1相比，本实施例的步骤1中，铆钉1、驱动头2、压边圈3和预制孔5同轴设置，驱动头2带动铆钉1进给使铆钉1的锥角110穿过上层连接件401的预制孔5，并与下层连接板403的上表面接触；步骤2中，驱动头2以3600rpm的旋转速度旋转、1mm/s的进给速度带动铆钉1进给2.5mm；步骤3中，驱动头2以2500rpm的旋转速度带动铆钉1进给4.0mm；步骤4中，驱动头2以200rpm的旋转速度带动铆钉1至扭矩达到8N·m停止。
本实施例通过预制孔5解决了高强钢板与轻合金连接的问题。与流钻螺钉工艺相比，本实施例采用的铆钉1为半空心设计，铆钉体102变粗从而传递更大的铆接力，提供更高的螺纹负载。
综上，采用本发明铆钉尖端未刺穿下层板材，与现有单边连接工艺如抽芯铆接技术及流动钻铆技术相比，接头密封性和抗腐蚀能力大幅提高。与流动钻铆工艺相比，一方面，本装置铆钉为半空心结构，此设计使铆钉体变粗，以传递更大的扭矩，螺纹负载显著提升，同时铆钉质量可减轻3/5，使该工艺更满足轻量化生产的需求；另一方面，利用本装置获得的接头除实现螺纹连接外，也在铆钉及工件间实现了固相连接，螺纹-固相复合连接提高了接头的承载能力。
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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