[发明专利]双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法

说明书

一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，通过将上层待连接材料和下层待连接材料层叠置于模具和半空心铆钉之间，通过马达驱动主轴旋转，使主轴及与其相连的飞轮转速达到设定值，驱动马达与主轴分离，通过滑移端驱动主轴及与其相连的飞轮进给运动，利用飞轮的惯性带动半空心铆钉旋转，并轴向进给铆入待连接材料，当主轴转速在待连接材料阻力作用下降为零时继续进给，直至铆钉体腰部向内侧收缩变形，铆钉体尖端向外侧张开变形，即在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁，同时在铆钉空腔外侧形成铆钉尖端与下层待连接材料之间的腔外机械互锁。本发明实现对铆钉空腔外侧机械互锁的强化，显著提升接头的剪切强度和疲劳强度，突破现有单一机械连接或固相连接接头的性能极限。

技术领域

本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法。

背景技术

薄壁产品通常以点连接的方式实现各个零部件之间的固定与装配，机械连接和固相连接是现有轻合金构件点连接的主要方法。机械连接以铆接为主，通过外力使铆钉和待连接材料发生塑性变形，实现机械互锁。固相连接方法通过外加热源或待连接材料之间机械运动产生摩擦热的方式使待连接材料之间发生原子扩散，形成固相焊合。然而，采用现有单一机械连接或固相连接方法获得的接头已经达到性能上限，难以进一步提升，尤其是机械连接，在连接低延展性材料时面临接头开裂等巨大风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，分别在半空心铆钉的空腔内侧和外侧与待连接材料形成双向机械互锁，同时在铆钉空腔内侧的待连接材料之间形成固相连接。铆钉内腔机械互锁和固相连接能够有效阻碍外载作用下铆钉的旋转、收缩和拉脱失效，实现对铆钉空腔外侧机械互锁的强化，显著提升接头的剪切强度和疲劳强度，突破现有单一机械连接或固相连接接头的性能极限。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种双向机械互锁与固相连接复合的点连接方法，通过将上层待连接材料和下层待连接材料层叠置于模具和半空心铆钉之间，通过马达驱动主轴旋转，使主轴及与其相连的飞轮转速达到设定值，驱动马达与主轴分离，通过滑移端驱动主轴及与其相连的飞轮进给运动，利用飞轮的惯性带动半空心铆钉旋转，并轴向进给铆入待连接材料，当主轴转速在待连接材料阻力作用下降为零时继续进给，直至铆钉体腰部向内侧收缩变形，铆钉体尖端向外侧张开变形，即在铆钉空腔内侧形成铆钉体与截留材料之间的腔内机械互锁，同时在铆钉空腔外侧形成铆钉尖端与下层待连接材料之间的腔外机械互锁。

所述滑移端采用直线电机、丝杠或电驱动气缸等机构实现直线运动。

所述的上层待连接材料被铆钉的进给运动切断后形成位于铆钉空腔内侧的截留材料。

所述的截留材料在工艺结束后与下层待连接材料形成固相连接。

所述的主轴转速设定值(ω)通过以下方法计算：

飞轮以转速设定值(ω)旋转产生的动能(E)等于待连接材料之间形成固相连接所需的能量(Q)，即：E＝Q，其中：ω为主轴转速设定值，I₀为主轴的转动惯量，I₁为飞轮的转动惯量；Q通过截留金属体积V和单位体积材料发生动态再结晶的临界能量Q₀计算，即：Q＝kVQ₀，R为铆钉外壁半径，f(t)为铆钉进给速率，k为修正系数，Q₀为材料常数，Δt为铆钉穿透上层板的时间。

所述的主轴转速通过驱动马达的编码器测量。

所述的半空心铆钉包括，铆钉头部、铆钉腰部和铆钉腿部。

所述的铆钉头部设有用于传递扭矩的周向分布凸起/凹槽驱动结构。

所述的铆钉腿部尖端顶点与外壁重合。