本發(fā)明屬于攪拌摩擦鉚接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)及其鉚接鋼鋁疊層板的方法。

背景技術(shù)：

鋁合金在車身材料中的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化的重要途徑，以在汽車制造業(yè)中實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。電阻點焊是汽車車身裝配中最為主要的連接方式，由于鋁合金與高強鋼熱物理性質(zhì)差異大，并且熔焊時易形成硬而脆的金屬間化合物，采用傳統(tǒng)電阻點焊工藝難以實現(xiàn)連接。攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡稱fsw)同傳統(tǒng)熔化焊相比，其接頭具有晶粒細小以及疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好的優(yōu)點，此外，焊接接頭不會產(chǎn)生與熔化有關(guān)的裂紋、氣孔及合金元素?zé)龘p等焊接缺陷，然而，由于金屬間固溶度低，熱物理性能差異性大，特別是鋼鋁之間的攪拌摩擦焊容易生成脆性金屬間化合物，使得對鋼鋁進行攪拌摩擦焊接時，會影響接頭力學(xué)性能。

針對上述異種金屬的連接問題，國外提出了自沖鉚接(self-piercingriveting，簡稱spr)的機械連接方法。spr可以有效避免傳統(tǒng)熔化焊在連接輕金屬合金材料、異種金屬材料以及涂有保護層金屬板材時可能面臨的一系列問題，但在鉚接高強度鋼等難變形材料時，由于材料變形抗力大，鉚釘可能發(fā)生鐓粗現(xiàn)象，難以穿透板材從而未能較好的形成機械自鎖，同時，在鉚接處，下層板材會受到極大的局部變形，若下板材為鋼類或其他塑性和變形能力較差的材料，則可能在鉚接處出現(xiàn)開裂。

公開號為us2011073634-a1美國專利申請公開了一種frictionbitjoining工藝，該工藝把一個帶有軸肩的實心釘子插入上層板，釘子穿透上層板并與下層板形成固相連接，再通過軸肩施加壓力卡住上層板形成機械連接。然而，這種連接方式存在以下兩個問題：1.鉚釘在排開并用軸肩卡住上層板材的過程所需時間較長，而且所需提供的鉚接力也較大，經(jīng)濟性不好；2.軸肩承受的反向作用力過大，容易使鉚釘?shù)妮S肩產(chǎn)生變形，從而影響機械連接的強度。公開號為cn2014800626386的中國發(fā)明專利申請公開了一種自沖鉚釘，該鉚釘在桿部部分的外圓周表面沿長度方向上設(shè)有呈螺旋狀的肋狀部，使用這種鉚釘沖壓鉚接，會導(dǎo)致呈螺旋狀的肋狀部所受反力過大，而且極易造成肋狀部斷裂在連接位置中，影響接頭質(zhì)量。

為了解決上述自沖鉚接存在的問題，國內(nèi)提出了一種攪拌摩擦拉鉚接(fsbr)單面連接方法(參考文獻：李博強,何力力.鎂-鋼攪拌摩擦拉鉚接研究[c]//中西部地區(qū)理化檢驗學(xué)術(shù)年會暨實驗室主任經(jīng)驗交流會.2014.)，該方法使用鉚釘在工件搭接處旋轉(zhuǎn)，使其與工件摩擦產(chǎn)生熱量，使得接頭處溫度迅速升高，工件剪切屈服強度迅速降低，待鉚釘完全穿過工件后，拉動鉚芯，使工件緊密結(jié)合在一起。然而，該方法在鉚接過程中，釘芯所受載荷及扭矩較大，極易造成釘芯斷裂損壞，且鉚釘在旋轉(zhuǎn)過程中極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，影響接頭質(zhì)量。

現(xiàn)有的攪拌摩擦鉚接方法對采用的旋轉(zhuǎn)鉚釘及工藝過程有更高的要求。鉚接過程中，由于高速旋轉(zhuǎn)的鉚釘與板材的摩擦面為環(huán)形或者圓形，在摩擦力的作用下，鉚釘可能會發(fā)生旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鉚接失敗。因此，在高速旋轉(zhuǎn)的鉚接過程中，需要設(shè)置定位結(jié)構(gòu)，時刻保持鉚釘軸線與旋轉(zhuǎn)軸線重合，才能保證接頭的質(zhì)量，并且需要保證在攪拌摩擦鉚接過程中，鉚釘受力均勻，不會因為應(yīng)力集中而影響接頭質(zhì)量。同時應(yīng)該在鉚釘表面和與之相配合的攪拌頭下端加工出方便裝載、退刀和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，便于保證鉚接過程的高效、簡潔。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)及其鉚接鋼鋁疊層板的方法，它集沖壓-機械自鎖-冶金-鉚接連接方式為一體，可以解決鋼鋁焊接時由于金屬間化合物導(dǎo)致的接頭脆化而影響接頭力學(xué)性能和因熱膨脹系數(shù)差異過大而導(dǎo)致接頭易產(chǎn)生缺陷的問題，而且可以實現(xiàn)鋁合金和鋼材之間直接、快速、高強度連接。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)，該鉚釘結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)沖壓釘、與所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘相配合的攪拌頭以及置于所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘下方的模具；

所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘包括實心的鉚釘本體以及設(shè)置在所述鉚釘本體上端的鉚釘帽，所述鉚釘本體的下端沿周向設(shè)有螺紋，所述鉚釘帽的上端沿周向均勻設(shè)有多個楔形缺口，所述楔形缺口沿鉚釘帽的邊緣向內(nèi)開設(shè)，所述鉚釘帽的中心設(shè)有用于定位的圓柱形凹槽；

所述攪拌頭的底部設(shè)置有與所述多個楔形缺口相配置的多個楔形凸臺以及與所述圓柱形凹槽相配置的圓柱形凸臺，所述攪拌頭在楔形凸臺和楔形缺口的配合下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)难b卸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；

所述模具采用左右合模的方式，其包括兩個半模，兩個半模的貼合面上開設(shè)有上小下大的半圓臺形凹槽，兩個半模貼合在一起形成的完整的圓臺形凹槽正對旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)南路皆O(shè)置，用于配合所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘控制材料流動。

按上述技術(shù)方案，所述楔形缺口包括用于承受周向扭矩的第一平面和用于退刀的第二平面，所述第一平面和第二平面相對設(shè)置，所述第一平面與所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)妮S線平行，所述第二平面從所述鉚釘帽的上表面向靠近第一平面的方向傾斜。

按上述技術(shù)方案，所述楔形缺口的數(shù)量為4個。

按上述技術(shù)方案，所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)牟馁|(zhì)為碳鋼、不銹鋼或高強鋼。

按上述技術(shù)方案，所述旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)谋砻嬖O(shè)置有鋅或鋁基合金鍍層。

按上述技術(shù)方案，所述攪拌頭的材質(zhì)為碳鋼、不銹鋼或高強鋼。

按上述技術(shù)方案，所述圓臺形凹槽的側(cè)面與底面之間的夾角為45°～89°。

一種根據(jù)上述用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)鉚接鋼鋁疊層板的方法，包括以下步驟：

s1、鉚接前，將旋轉(zhuǎn)沖壓釘豎直置于模具的圓臺形凹槽的上方，并將攪拌頭豎直置于旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)纳戏剑o旋轉(zhuǎn)沖壓釘施加適當?shù)淖枘崾蛊漭S向運動和周向轉(zhuǎn)動均被限制；

s2、驅(qū)動攪拌頭使其向下慢速進給并同時慢速旋轉(zhuǎn)，使攪拌頭的圓柱形凸臺與旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)膱A柱形凹槽自動嚙合，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)淖詫χ校瑫r攪拌頭的楔形凸臺與旋轉(zhuǎn)沖壓釘楔形缺口相接觸，然后驅(qū)動攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并向下施加壓力，當攪拌頭對旋轉(zhuǎn)沖壓釘施加的軸向壓力和周向扭矩大于轉(zhuǎn)沖壓釘受到的外部阻尼時，旋轉(zhuǎn)沖壓釘隨著攪拌頭進行軸向運動和周向轉(zhuǎn)動；

s3、攪拌頭帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)并下壓，使旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)南露嗣媾c鋼鋁疊層板的上表面接觸并發(fā)生摩擦，以產(chǎn)生的大量熱量對鉚接部位實施局部加熱，鋼鋁疊層板被軟化；

s4、在攪拌頭向下施加壓力的作用下，旋轉(zhuǎn)沖壓釘將鋼鋁疊層板高速沖壓入模具的圓臺形凹槽中，鋼鋁疊層板在圓臺形凹槽中形成機械自鎖，同時旋轉(zhuǎn)沖壓釘下端的螺紋在高溫和高速旋轉(zhuǎn)的配合下，將鋼鋁疊層板間的金屬鍍層熔化并在鋼鋁疊層板間均勻混合，完成冶金結(jié)合；

s5、攪拌頭繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)并下壓，帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘通過其下端的螺紋釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)，使鋼鋁疊層板實現(xiàn)螺紋連接式機械自鎖，同時保證旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端面與鋼鋁疊層板的上端面重合；

s6、控制攪拌頭減速直至停止旋轉(zhuǎn)后，繼續(xù)保持施加壓力1～5s，然后反向轉(zhuǎn)動攪拌頭，完成退刀；

s7、將模具分開，完成鉚接部位的脫模。

按上述技術(shù)方案，步驟s2中，所述攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為100～2500r/min，所述攪拌頭向下施加的壓力為1000n-10000n。

本發(fā)明，具有以下有益效果：該鉚釘結(jié)構(gòu)通過在旋轉(zhuǎn)沖壓釘和攪拌頭之間設(shè)置相互配合的定位結(jié)構(gòu)(即圓柱形凹槽和圓柱形凸臺)，可以使得旋轉(zhuǎn)沖壓釘與攪拌頭始終同軸心，以保證旋轉(zhuǎn)鉚接時的穩(wěn)定性；通過在旋轉(zhuǎn)沖壓釘和攪拌頭之間設(shè)置相互配合的楔形缺口和楔形凸臺，可以保證攪拌摩擦鉚接過程中，旋轉(zhuǎn)沖壓釘受力均勻；通過在旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)南露斯ヂ菁y，更容易在高速旋轉(zhuǎn)下以較小的阻力釘軋進入鋼鋁疊層板內(nèi)，減少旋轉(zhuǎn)沖壓釘被鐓粗的現(xiàn)象，提高接頭質(zhì)量，而且配合高速旋轉(zhuǎn)和大量熱，螺紋可以實現(xiàn)連接材料以及特殊鍍層的均勻混合，避免鋼鋁脆性相的形成，冶金結(jié)合接頭強度更高，另外在旋轉(zhuǎn)沖壓釘釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)后，螺紋可以使鋼鋁疊層板間形成螺紋連接式機械自鎖，可以顯著提高鋼鋁連接強度及疲勞性能；通過在模具上開設(shè)上小下大的圓臺形凹槽，可以使鋼鋁疊層板高溫高速壓入圓臺形凹槽后形成自鎖鉚接。采用該鉚釘結(jié)構(gòu)鉚接鋼鋁疊層板，可以集沖壓-機械自鎖-冶金-鉚接等連接方式為一體，它可以在鋼鋁疊層板高溫高速壓入模具的圓臺形凹槽時形成自鎖鉚接，實現(xiàn)鋼鋁疊層板與鍍層間的冶金結(jié)合，使得旋轉(zhuǎn)沖壓釘與鋼鋁疊層板形成螺紋連接式機械自鎖，這三種連接方式相結(jié)合大大增加了接頭的工藝可靠性和穩(wěn)定性。

該鉚釘結(jié)構(gòu)在鉚接鋼鋁疊層板時，其下端攻有螺紋的旋轉(zhuǎn)沖壓釘作為攪拌針，在與鋼鋁疊層板表面高速旋轉(zhuǎn)摩擦作用下產(chǎn)生熱量，使鉚接部位產(chǎn)生高溫，板材高溫下塑性好，旋轉(zhuǎn)沖壓釘高速沖壓將鋼鋁疊層板成形到帶有機械自鎖角度功能的圓臺形凹槽中，同時旋轉(zhuǎn)沖壓釘進一步高速旋轉(zhuǎn)摩擦攪拌扎入連接的鋼鋁疊層板內(nèi)，產(chǎn)生大量的熱使鋼鋁疊層板間鋅或鋁基合金鍍層發(fā)生融化并在疊層板間形成冶金結(jié)合，最后反向轉(zhuǎn)動攪拌頭，完成退刀，將旋轉(zhuǎn)沖壓釘釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)。該方法在鋁疊層板表面局部高速旋轉(zhuǎn)摩擦，材料軟化塑性提高，有效降低成形力和設(shè)備噸位，同時減少旋轉(zhuǎn)沖壓釘損耗；而且高溫結(jié)合高速沖壓，材料塑性好不易破裂可以成形獲得較大角度的機械自鎖角度。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a是本發(fā)明實施例中旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)母┮晥D；

圖3b是沿圖3a中a-a線的剖視圖；

圖3c是本發(fā)明實施例中旋轉(zhuǎn)沖壓釘攻螺紋處的螺紋示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中攪拌頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a是鉚接前旋轉(zhuǎn)沖壓釘與攪拌頭嚙合前的示意圖；

圖5b是鉚接前旋轉(zhuǎn)沖壓釘與攪拌頭嚙合后的示意圖；

圖5c是鉚接過程中旋轉(zhuǎn)沖壓釘與鋼鋁疊層板接觸的示意圖；

圖5d是鉚接過程中鋼鋁疊層板進入模具的圓臺形凹槽中的示意圖；

圖5e是鉚接后保壓階段的示意圖；

圖5f是鉚接結(jié)束后退刀階段的示意圖；

圖5g是鉚接結(jié)束后脫模階段的示意圖；

圖6是鉚接結(jié)束后的鉚接接頭的示意圖。

圖中：100-旋轉(zhuǎn)沖壓釘，101-鉚釘本體，102-鉚釘帽，103-螺紋，104-楔形缺口，105-圓柱形凹槽,106-第一平面，107-第二平面，200-攪拌頭，201-楔形凸臺，202-圓柱形凸臺，300-模具，301-圓臺形凹槽。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在本發(fā)明的較佳實施例中，如圖1-圖4所示，一種用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)，包括旋轉(zhuǎn)沖壓釘100、與旋轉(zhuǎn)沖壓釘100相配合的攪拌頭200以及置于旋轉(zhuǎn)沖壓釘100下方的模具300；

如圖2-圖3c所示，旋轉(zhuǎn)沖壓釘100包括實心的鉚釘本體101以及設(shè)置在鉚釘本體101上端的鉚釘帽102，鉚釘本體101的下端沿周向設(shè)有螺紋103，鉚釘帽102的上端沿周向均勻設(shè)有多個楔形缺口104，楔形缺口104沿鉚釘帽的邊緣向內(nèi)開設(shè)，鉚釘帽102的中心設(shè)有用于定位的圓柱形凹槽105；

如圖4所示，攪拌頭200的底部設(shè)置有與多個楔形缺口104相配置的多個楔形凸臺201以及與圓柱形凹槽105相配置的圓柱形凸臺202，攪拌頭200在楔形凸臺201和楔形缺口104的配合下實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)难b卸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；

如圖1所示，模具300采用左右合模的方式以便在鉚接過程結(jié)束后脫模，其包括兩個半模，兩個半模的貼合面上開設(shè)有上小下大的半圓臺形凹槽，兩個半模貼合在一起形成的完整的圓臺形凹槽301正對旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)南路皆O(shè)置，用于配合旋轉(zhuǎn)沖壓釘控制材料流動。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，如圖2、圖3c所示，楔形缺口104包括用于承受周向扭矩的第一平面106和用于退刀的第二平面107，第一平面106和第二平面107相對設(shè)置，第一平面109與旋轉(zhuǎn)沖壓釘100的軸線平行，第二平面107從鉚釘帽102的上表面向靠近第一平面106的方向傾斜。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，如圖2、圖3c所示，楔形缺口104的數(shù)量為4個。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)牟馁|(zhì)為碳鋼、不銹鋼或高強鋼，優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)谋砻嬖O(shè)置有鋅或鋁基合金鍍層。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，攪拌頭的材質(zhì)為碳鋼、不銹鋼或高強鋼。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，如圖1所示，圓臺形凹槽的側(cè)面與底面之間的夾角為45°～89°。

一種根據(jù)上述用于旋轉(zhuǎn)摩擦沖壓的鉚釘結(jié)構(gòu)鉚接鋼鋁疊層板的方法，如圖5a-圖6所示，包括以下步驟：

s1、如圖5a所示，鉚接前，將旋轉(zhuǎn)沖壓釘豎直置于模具的圓臺形凹槽的上方，并將攪拌頭豎直置于旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)纳戏?，給旋轉(zhuǎn)沖壓釘施加適當?shù)淖枘崾蛊漭S向運動和周向轉(zhuǎn)動均被限制；

s2、如圖5b所示，驅(qū)動攪拌頭使其向下慢速進給并同時慢速旋轉(zhuǎn)，使攪拌頭的圓柱形凸臺與旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)膱A柱形凹槽自動嚙合，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)淖詫χ校瑫r攪拌頭的楔形凸臺與旋轉(zhuǎn)沖壓釘楔形缺口相接觸，然后驅(qū)動攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并向下施加壓力，當攪拌頭對旋轉(zhuǎn)沖壓釘施加的軸向壓力和周向扭矩大于轉(zhuǎn)沖壓釘受到的外部阻尼時，旋轉(zhuǎn)沖壓釘隨著攪拌頭進行軸向運動和周向轉(zhuǎn)動；

s3、如圖5c所示，攪拌頭帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)并下壓，使旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)南露嗣媾c鋼鋁疊層板的上表面接觸并發(fā)生摩擦，以產(chǎn)生的大量熱量對鉚接部位實施局部加熱，鋼鋁疊層板被軟化；

s4、如圖5d所示，在攪拌頭向下施加壓力的作用下，旋轉(zhuǎn)沖壓釘將鋼鋁疊層板高速沖壓入模具的圓臺形凹槽中，鋼鋁疊層板在圓臺形凹槽中形成機械自鎖，同時旋轉(zhuǎn)沖壓釘下端的螺紋在高溫和高速旋轉(zhuǎn)的配合下，將鋼鋁疊層板間的金屬鍍層熔化并在鋼鋁疊層板間均勻混合，完成冶金結(jié)合；

s5、如圖5e所示，攪拌頭繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)并下壓，帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘通過其下端的螺紋釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)，使鋼鋁疊層板實現(xiàn)螺紋連接式機械自鎖，同時保證旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端面與鋼鋁疊層板的上端面重合；

s6、如圖5d所示，控制攪拌頭減速直至停止旋轉(zhuǎn)后，繼續(xù)保持施加壓力1～5s，然后反向轉(zhuǎn)動攪拌頭，完成退刀，即可獲得如圖5所示的鉚接接頭。

s7、如圖5g所示，將模具分開，完成鉚接部位的脫模。

步驟s2中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為100～2500r/min，攪拌頭向下施加的壓力為1000n-10000n。

本發(fā)明的鉚釘結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用時，如圖1-圖4所示，包括旋轉(zhuǎn)沖壓釘100、能與旋轉(zhuǎn)沖壓釘100相配的攪拌頭200以及模具300；旋轉(zhuǎn)沖壓釘100的上端加工有四個楔形缺口104和一個圓柱形凹槽105，下端外圈攻有螺紋103，攪拌頭200的下端能與旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)纳隙伺浜?；攪拌頭200的下端加工有用于裝卸和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的四個楔形凸臺201以及定位用的圓柱形凸臺202；模具300上開設(shè)有上小下大的圓臺形凹槽301。

該鉚釘結(jié)構(gòu)中，四個楔形缺口和四個楔形凸臺均沿周向均勻分布，兩者配合作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)是指楔形缺口中與旋轉(zhuǎn)沖壓釘旋轉(zhuǎn)軸線平行的豎直平面、楔形凸臺中與攪拌頭旋轉(zhuǎn)軸線平行的豎直平面，通過楔形凸臺的豎直平面對楔形缺口的豎直平面施加周向扭矩，帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘旋轉(zhuǎn)，其中四個楔形缺口和四個楔形凸臺均沿周向均勻分布，且能相互配合。旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)纳隙似矫媾c攪拌頭的下端平面在配合過程中重合作為裝載結(jié)構(gòu)，該重合的平面與旋轉(zhuǎn)軸線垂直，通過攪拌頭自沖下壓，對旋轉(zhuǎn)沖壓釘施加軸向載荷，旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)纳隙似矫娉惺苡蓴嚢桀^的下端平面施加的壓力。楔形缺口中的第二平面與對應(yīng)的楔形凸臺的斜面相配合作為退刀結(jié)構(gòu)，當鉚接過程結(jié)束后，通過順時針旋轉(zhuǎn)攪拌頭，即完成退刀。圓柱形凸臺和圓柱形凹槽均沿中心對稱且鏡像對稱，作為定位結(jié)構(gòu)。攪拌頭下端楔形凸臺的最外圈是圓弧面，該圓弧面半徑等于旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端球體部分的圓弧面半徑，當攪拌頭與旋轉(zhuǎn)沖壓釘裝配后，外表面為一個完整的圓弧面。該鉚釘結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方向、裝載和退刀方向唯一，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方向是指攪拌頭帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘逆時針旋轉(zhuǎn)，裝載方向是指攪拌頭下壓旋轉(zhuǎn)沖壓釘，退刀方向是指攪拌頭順時針旋轉(zhuǎn)脫離旋轉(zhuǎn)沖壓釘。

該鉚釘結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)沖壓釘中，鉚釘帽的圓柱部分的外圈直徑為5-10mm，優(yōu)選10mm，其高度為1-2mm，優(yōu)選2mm；鉚釘帽的球體部分的直徑為5-10mm，優(yōu)選10mm，其高度為3-4mm，優(yōu)選3mm；楔形缺口包括相對的第一平面和第二平面，第一平面與旋轉(zhuǎn)沖壓釘旋轉(zhuǎn)軸線平行，用于承受周向扭矩，第二平面為楔形斜面，從旋轉(zhuǎn)沖壓釘表面繞旋轉(zhuǎn)軸線向下端傾斜，用于退刀，第二平面與旋轉(zhuǎn)沖壓釘鉚釘帽的上端平面之間的夾角為30°-45°，優(yōu)選30°，第二平面靠內(nèi)的楔形斜邊與其下部的直邊之間的夾角為120°-150°，優(yōu)選120°，以便于裝卸；圓柱形凹槽位于旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)闹行?，深度?mm，且與旋轉(zhuǎn)沖壓釘同軸設(shè)置，以確保旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)男D(zhuǎn)軸線與幾何軸線重合，其同軸度誤差小于0.012mm；鉚釘本體的直徑為5-8mm，優(yōu)選7mm，高度為8-10mm，優(yōu)選8mm；螺紋的螺距p為0.5mm，螺紋高度h為0.433mm，大徑d為5-8mm、優(yōu)選7mm，小徑d1為4-7mm、優(yōu)選6.45mm，中徑d2為6.67mm，牙型角為0°-60°、優(yōu)選60°，高度為5mm，螺紋長度為5-10mm，用于穿過鋼鋁疊層板時形成板間螺紋連接；旋轉(zhuǎn)沖壓釘最下端倒有斜錐角，斜錐角母線與旋轉(zhuǎn)沖壓釘旋轉(zhuǎn)軸線之間的夾角為45°-60°，優(yōu)選45°，其頂點距外壁的徑向距離為0.5-1.5mm，優(yōu)選1.5mm；旋轉(zhuǎn)沖壓釘材質(zhì)為高強鋼，且表面鍍有10μm厚的鋅合金鍍層。

相應(yīng)的，該鉚釘結(jié)構(gòu)的攪拌頭中，楔形凸臺的楔形斜面與攪拌頭下端平面之間的夾角為30°-45°，優(yōu)選30°；楔形凸臺中的楔形斜邊與下部直邊之間的夾角為120°-150°，優(yōu)選120°；圓柱形凸臺的高度為1.5mm，且與攪拌頭同軸設(shè)置，其同軸度誤差小于0.012mm；攪拌頭材質(zhì)為高強鋼，表面沒有鍍層。在裝配時，旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端圓柱形凹槽與攪拌頭下端圓柱形凸臺的同軸度誤差小于0.0014mm。

該鉚釘結(jié)構(gòu)的模具中，圓臺形凹槽的側(cè)面與底面之間的夾角為45°-89°，優(yōu)選45°，槽深為10-15mm，優(yōu)選12mm，其上端口直徑為30-40mm，優(yōu)選30mm，其底部倒直徑10mm的圓角。

本發(fā)明在具體應(yīng)用時，鋼鋁疊層板為上層鋁合金2024-o板件和下層高強鋼dp540板件，板件厚度分別為5mm和7mm，其中下層板件表面鍍有10μm厚的鋅合金鍍層，其包括以下步驟：

s1、通過施加適當?shù)淖枘?，將旋轉(zhuǎn)沖壓釘正對攪拌頭下方放置，兩者的幾何軸線重合，旋轉(zhuǎn)沖壓釘?shù)妮S向運動與周向運動均被限制；

s2、通過手動操作結(jié)構(gòu)來調(diào)整攪拌頭的位置，使定位結(jié)構(gòu)相接合并且攪拌頭下端的楔形凸臺與旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端的楔形缺口嚙合，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)沖壓釘自對中；

s3、然后啟動開關(guān)，攪拌頭開始帶動旋轉(zhuǎn)沖壓釘克服阻尼轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度為2000r/min，同時施加5000n的壓力；

s4、旋轉(zhuǎn)沖壓釘高速旋轉(zhuǎn)，其下端與板材發(fā)生摩擦，產(chǎn)生的大量的熱使鉚接部位產(chǎn)生局部高溫，板材被軟化，塑性得到極大的提高；

s5、通過攪拌頭施加壓力，旋轉(zhuǎn)沖壓釘將鋼鋁疊層板高速沖壓入帶有60°的機械自鎖角度的圓臺形凹槽中，疊層板形成較大角度的機械自鎖，同時旋轉(zhuǎn)沖壓釘下端螺紋配合高溫和高速旋轉(zhuǎn)，使疊層板間的金屬鍍層熔化并與連接材料均勻混合，完成冶金結(jié)合；

s6、攪拌頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并下壓，旋轉(zhuǎn)沖壓釘通過下端螺紋釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)，實現(xiàn)疊層板的螺紋連接，同時保證旋轉(zhuǎn)沖壓釘上端平面與上板材平面重合；

s7、控制攪拌頭減速直至停止旋轉(zhuǎn)后，繼續(xù)保持施加壓力3s，然后反向轉(zhuǎn)動攪拌頭，完成退刀；

s8、將模具分開，完成鉚接部位的脫模。

本發(fā)明在鉚接鋼鋁疊層板時，主要包括四個步驟：1.進行攪拌摩擦鉚接時，控制攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)和下壓；2.完成鉚接后，繼續(xù)保壓1-5s；3.退刀時，控制攪拌頭順時針旋轉(zhuǎn)；4.最后，旋轉(zhuǎn)沖壓釘留在鉚接接頭中。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：(1)通過旋轉(zhuǎn)沖壓釘與攪拌頭定位結(jié)構(gòu)的接合，能保持旋轉(zhuǎn)沖壓釘軸線與旋轉(zhuǎn)軸垂直，保證旋轉(zhuǎn)鉚接時的穩(wěn)定性；(2)通過四個楔形缺口和楔形凸臺的嚙合，保證攪拌摩擦鉚接過程中，旋轉(zhuǎn)沖壓釘受力均勻；(3)局部高速旋轉(zhuǎn)摩擦，材料軟化塑性提高，有效降低成形力和設(shè)備噸位，同時減少旋轉(zhuǎn)沖壓釘損耗；(4)高溫結(jié)合高速沖壓，材料塑性好不易破裂可以成形獲得較大角度的機械自鎖角度；(5)旋轉(zhuǎn)沖壓釘下端攻有特殊螺紋，更容易高速旋轉(zhuǎn)以較小的阻力釘軋進入鋼鋁疊層板內(nèi)，減少旋轉(zhuǎn)沖壓釘被鐓粗的現(xiàn)象，提高接頭質(zhì)量；同時螺紋的存在配合高速的旋轉(zhuǎn)和大量熱可以實現(xiàn)連接材料以及特殊鍍層的均勻混合，避免鋼鋁脆性相的形成，冶金結(jié)合接頭強度更高；(6)最后旋轉(zhuǎn)沖壓釘釘軋在鋼鋁疊層板內(nèi)，其下端螺紋使鋼鋁疊層板間形成螺紋連接式機械自鎖，可以顯著提高鋼鋁連接強度及疲勞性能；(7)通過鋼鋁疊層板同時高溫高速壓入凹模形成自鎖鉚接、鋼鋁疊層板與鍍層間的冶金結(jié)合，旋轉(zhuǎn)沖壓釘與鋼鋁疊層板形成螺紋連接式機械自鎖，三種連接方式相結(jié)合能大大增加接頭的工藝可靠性和穩(wěn)定性。

應(yīng)當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。