一种热熔钻孔连接系统及其连接方法与流程

本发明涉及机械连接，具体涉及一种热熔钻孔连接系统及其连接方法。

背景技术：

1、轻量化技术是汽车行业的关键共性技术之一，其核心是在保证汽车强度及安全性能的前提下，尽可能降低汽车的整体质量。随着高强钢、铝合金等轻质材料在汽车制造领域应用逐渐增高，为了实现各种板材之间高效可靠的连接，热熔流钻连接（fds）以其强度高、单面操作方便的独特优势在主机厂逐渐得到了开发利用。

2、fds（flow drill screw）工艺即流钻螺钉工艺，它是通过高转速与高压力将特定螺钉拧入板材的连接工艺。它具有较高的抗拉与抗剪强度，热变形与热应力极小，适合与胶水连接配合。螺钉可重复拆装，既可连接有预开孔的板材也可连接无预开孔的板材等优点。

3、现有技术中fds连接由于连接工艺复杂，铆钉钻孔的压力、转速及相对位置调整困难，往往需要依赖人工经验来把握。两层（或多层）金属薄板间连接不密实，要么没拧紧，层间有间隙；要么拧得过紧，出现螺纹打滑。这样容易导致螺钉易松动，连接强度不稳定，易形成腐蚀通道。这样就会增加试验成本，生产效率低，影响连接质量。

技术实现思路

1、热熔钻孔连接具有强度较高、单面操作方便的特点，但由于连接工艺复杂，铆钉钻孔的压力、转速及相对位置调整困难，往往需要依赖人工经验来把握。两层（或多层）金属薄板间连接不密实，要么没拧紧，层间有间隙；要么拧得过紧，出现螺纹打滑。导致螺钉易松动，连接强度不稳定，容易形成腐蚀通道。这样往往增加试验成本，生产效率低下，影响连接质量。本发明的热熔钻孔连接系统及其连接方法能有效解决上述问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明的热熔钻孔连接系统主要由桌面电脑、控制系统、铆钉传送器及铆接装置四部分组成。

4、桌面电脑是设备进行可视化操作的工具，主要用于输入铆接参数、显示连接运行结果。通过电脑软件界面，设置铆接加工参数（转速、压力、扭矩、位移等）以及各种类型铆钉数据，同时将铆钉传送器运行状态、铆接装置连接加工数据实时反馈到系统电脑，供用户记录、分析、诊断，同时存储报表，实现双向通讯控制。

5、控制系统是连接系统的中枢，它由可编程逻辑控制模块组成，通过伺服电机、压力传感器、编码器及实时闭环控制器，在铆钉连接的定位压紧、热熔钻孔、攻丝及拧紧紧固四个工艺阶段动态协同转速、压力、扭矩、位移四大参数运行，实现单面高强度螺纹连接。四部分控制模块工作原理及功能如下：

6、转速控制模块a：伺服电机+编码器闭环。当系统接到工作指令后，伺服电机开始旋转，并协同螺钉下移位置分段调速。在最高转速9000rpm状态下，螺钉与连接板摩擦生热产生孔通、孔通后转低转速螺纹攻丝、拧紧固定。按位移/压力触发分档切换。

7、压力控制模块b：伺服电缸+压力传感器闭环。采用低压力定位，热熔钻孔高压力穿透，中等压力螺纹成型、低压大扭矩螺钉紧固，保证上连接板与螺钉头部之间接触紧密。

8、扭矩控制模块c：扭矩传感器+限扭算法。主要在钻孔阶段监测穿透、控制攻丝扭矩，并按设定安装扭矩精准紧固，保证连接强度。

9、位移控制模块d：光栅尺+位置闭环。采用节点识别、阶段触发、协同调速，实现全流程自动化。

10、通过对四个关键工艺参数的精准调控与实时闭环反馈机制，实现对材料热软化、穿孔、螺纹成型及紧固全过程的动态优化，从而确保连接强度与质量稳定性。

11、铆钉传送系统主要由储料仓、分钉器及气动传输管道组成，分钉器从料仓中拾取铆钉，分发至传送带上，通过高压空气管道推送到铆接装置的铆钉接头处，为铆接提供“子弹”。

12、铆接装置是热熔钻孔连接的核心工具。铆钉到达接头处后，铆钉头的梅花状端面与旋转轴凹槽接洽，伺服电机带动旋转轴上的铆钉高速旋转，铆钉与连接板间产生摩擦生热，金属板熔化，铆钉在向下压力作用下钻穿通孔、攻丝、拧紧，完成自攻螺纹连接。

13、热熔钻孔连接系统的运行机制如下：

14、桌面电脑（hmi-pc/fds-hmi-001）↔控制系统（plc/fds-plc-001）：hmi-pc作为人机交互终端，下发fds铆接工艺参数（转速、压力、扭矩、位置）、操作指令及程序，plc接收指令后进行逻辑运算，同时回传系统整体运行数据、故障报警信息及生产报表至hmi-pc，实现双向闭环通讯。

15、控制系统（plc/fds-plc-001）→铆钉传送器（ftu/fds-ftu-001）：plc输出数字量控制信号，驱动ftu完成铆钉仓储、输送、定位等供料动作，确保铆钉精准送达铆接工位，满足fds铆接的供料节拍要求。

16、控制系统（plc/fds-plc-001）→铆接装置（rju/fds-rju-001）：plc根据预设工艺参数，输出脉冲控制信号，驱动rju完成下压、高速旋转、进给铆接及复位等核心动作，精准控制铆接扭矩、行程及转速，保障铆接质量。

17、铆钉传送器（ftu/fds-ftu-001）/ 铆接装置（rju/fds-rju-001）→ 控制系统（plc/fds-plc-001）：ftu实时反馈铆钉有无、供料故障、工位到位信号；rju反馈铆接行程、实际扭矩、主轴转速及设备故障信号，plc汇总反馈信号后，同步上传至hmi-pc，实现全流程状态监控。

18、热熔钻孔连接系统的连接步骤如下：

19、连接板基点位置设定：连接板基点位置是螺钉连接的基准。设定连接板定位夹紧位置为零点，取距铆钉距离为h，通常可取h=30mm。在无钉状态时，用h=30mm高圆柱块垫在铆钉压板正下方，然后操作连接按钮，压板下降顶住圆柱垫块，系统记录下基准位置。

20、螺钉安装扭矩测定：螺钉连接是否牢固与安装扭矩是否合适有直接关系，其连接松紧程度与连接强度、常温腐蚀性能相关。连接过程分为定位压紧、热熔钻孔、攻丝及拧紧4个阶段，分别完成定位压紧、热熔通孔、螺钉攻丝、拧紧固定功能。

21、首先气缸推动压板下降到达零点位置，将连接板（工件）压紧；然后铆钉接头带着螺钉高速旋转，螺钉在下压力作用下与连接板摩擦产生热量将连接板熔融形成穿孔；接着螺钉降速进入攻丝阶段，在热融板通孔中形成自攻螺纹，最后螺钉在低速状态下，按安装扭矩将螺钉拧紧。

22、通过大量试验，发现安装扭矩m与钻孔扭矩m1及打滑扭矩m2直接相关：

23、其中每次测得的扭矩值记为：

24、

25、式中，——每一次测得扭矩值。

26、钻孔扭矩m1的计算公式为：

27、

28、式中，m1——钻孔扭矩平均值，s1——钻孔扭矩的标准差。

29、打滑扭矩m2的计算公式为：

30、

31、式中，m2——打滑扭矩平均值，s2——打滑扭矩的标准差。

32、安装扭矩m的计算公式为：

33、

34、钻孔扭矩m1和打滑扭矩m2可通过试验测得。一般在设备最大扭矩状态下，多次试验测出钻孔扭矩m1和打滑扭矩m2，然后按上述计算出安装扭矩m。

35、螺钉及加工参数设置：根据连接组合的材料，分别在电脑桌面上输入压紧、热熔钻孔、攻丝及拧紧4个不同阶段螺钉转速n、压力f、位移l及安装扭矩m等参数。

36、连接试样制作：启动连接系统，打开气源开关，连接系统开始工作。铆钉传送系统将螺钉输送至铆接装置，压板下降至定位板后将连接板压紧，铆接装置主轴带动铆钉高速旋转，进入热熔通孔阶段；孔通后，伺服电机下降转速，对通孔进行攻丝，形成自攻螺纹；随后主轴进一步降速，在低速高扭矩状态下拧紧螺钉，完成连接接头的制作；

37、图3所示，第一阶段：扭矩从零开始平稳上升，数值由0逐渐增大至约2-3 n·m，对应连接元件与工件表面刚接触的时刻，此时轴向力开始建立。

38、第二阶段：扭矩快速攀升，在极短时间内（约0.5秒）达到峰值扭矩，该峰值约为12-15 n·m。此阶段摩擦生热剧烈，工件材料迅速软化。

39、第三阶段：扭矩从峰值明显回落，下降至约5-7 n·m，并在此水平上维持一段相对平稳的区间，持续约1-2秒。表明材料已充分软化并发生塑性流动，衬套逐渐形成。

40、第四阶段：扭矩再次稳步上升，从约5-7 n·m升高至约10-12 n·m，增幅较为平缓，对应螺纹在衬套内壁挤压成形的过程。

41、第五阶段：扭矩继续上升至最终拧紧扭矩，数值达到约15 n·m后，曲线急剧下降至零，表示连接元件头部贴合工件表面，旋入动作停止，连接完成。

42、本发明具有以下有益效果：

43、现有技术中fds连接由于连接工艺复杂，铆钉钻孔的压力、转速及相对位置调整困难，往往需要依赖人工经验来把握。两层（或多层）金属薄板间连接不紧密，要么没拧紧，层间有间隙；要么拧得过紧，出现螺纹打滑。导致螺钉易松动，连接强度不稳定，试验成本高，效率低，影响连接质量。

44、本发明设计的热熔钻孔连接系统及其连接方法将铆钉连接过程中热熔钻孔转速、压力、打滑扭矩及铆钉所处位置等特征物理量进行动态跟踪记录、实时在线分析，便于及时监控调整。针对不同材料连接组合，通过数据库大量试验数据分析，灵活选择连接参数，预设螺钉合适打滑扭矩，达到螺钉连接既压紧密实，又不损坏螺纹打滑目的。该系统控制精度高，检测方便，为智能化生产提供了很好的途径。