CN115803129A - 用于铆接紧固件的旋转安装工具 - Google Patents

Abstract

一种保持在旋转冲床的前端内的工具，并且当该工具旋转并压迫工件时，工具内的紧固件变得固接到工件上。该工具具有位移器，该位移器使工件非破坏性变形且再成形，而不损失任何工件材料。该工具具有各种类型的位移器，包括；协同作用以逐渐作用在工件上的锥形及弧形位移器；可固定或可旋转的球形位移器，比如保持架式滚珠轴承；以及整圆位移器环，当它压靠在工件上时会摆动。对于固定式球形位移器，能够采用多行程方法，其中工具在安装行程组中的每个行程之后旋转。

Description

用于铆接紧固件的旋转安装工具

相关申请的交叉引用

这是与2020年4月23日提交的题为“旋转安装工具”的美国临时专利申请序列号63/014,417和2020年6月1日提交的题为“用于铆接紧固件(clinch fastener)的旋转安装工具”的美国临时专利申请序列号63/033,098相关的PCT专利申请，特此要求优先权。

技术领域

本发明涉及通过使用旋转压机将铆接紧固件安装到板材或面板工件中，该旋转压力机赋予工件旋转力和压力，以实现紧固件与工件的附接。

背景技术

旋转安装位移器(displacer)可以是径向楔形件，它从安装面板的表面围绕铆接紧固件的基部推拉金属。此方法大大降低了安装力，并由此降低了轴向压应力，但这可能会导致面板与安装相反的一侧出现不想要的装饰痕迹。

虽然标准旋转安装位移器确实减少了安装力和轴向应力，但已观察到以下问题：

1.通常，金属围绕紧固件呈不同形状的斜面是理想的。据观察，若有来自不同位移器形状的另一压制将比仅一种楔形形状更好地填充紧固件周围的区域。能够添加不同的位移器形状到同一安装工具中，将有助于更充分地填充紧固件周围的体积。在同一冲床上具有以不同位移器的形式分离的不同几何形状的能力也降低了各独立位移器的制造复杂性，当它们结合在一起时会生成复合填充形状，而这种形状很难用一种位移器形状生成。

2.金属从安装面板表面剪切并在安装过程期间再成形，主要来自位移器上的摩擦和必须在安装孔周围滑动的锋利边缘。

3.扭转应力从带有固体位移器的旋转安装过程中生成。这些应力虽然不是竖直轴向的，但仍会导致在面板的外侧上的痕迹。因此，降低扭转应力也是本公开的预期目标。

发明内容

为了解决上述技术中的问题，申请人已经设计了用于旋转压机的新工具。当工具旋转并压迫工件时，所设计的工具被保持在旋转冲床的前端内，通常是由铝等金属组成的可延展面板。在安装过程期间，面板围绕保持在工具内的紧固件发生非破坏性变形，以将紧固件固接到工件。工件面板金属在没有任何材料损失的情况下进行再成形。

旋转安装利用面积减小的位移器，通过将大部分安装力转换为安装扭矩来降低轴向安装力。在附图和下文所述的实施例中描述的五种不同类型的位移器可以实现紧固件的旋转安装的目标，即：

1.全都具有相同的轮廓的多个固定式、减少面积的位移器。

2.不同轮廓的多个固定式、减少面积的位移器，以实现顺序作用的复合金属流动形状，所有这些都在一个工具上得以实现。

3.多个位移器，其中位移器在轴向推动时在金属表面上滚动，比如滚珠轴承。结果是减少了摩擦，因为位移器不是围绕安装孔的表面拖动，而是滚动。

4.整环形位移器，其在向前推进以位移金属时，在一个点处每无限360度增量地被逐渐推动，其具有如上相同的降低质量的力，并且由于位移器不旋转，减少摩擦。

5.围绕工具膛均匀分布的固定位置位移器被按压设定的距离并按增量旋转。这种类型利用轴向振动来减轻每个工具行程后的面板应力。每组的轴向行程数由每个行程后工具中的旋转量决定。

附图说明

图1是右下等轴测视图。

图2是正立面分解组装视图。

图3是正立面剖视图。

图4是示出等轴测视图和分解视图的两个视图的组合。

图5和图6是正立面剖视图。

图7和图8是正立面剖视图。

图9是示出右下等轴测视图及其基部平面图的组合视图。

图10是正立面剖视图。

具体实施方式

本发明的安装工具包括保持紧固件的旋转冲床压机尖端。尖端具有位移器，其接触诸如金属面板之类的接收工件，以迫使面板的材料附接到紧固件的凸缘上。尖端在他们采用的不同类型的位移器中有所变化。下文说明和讨论以下四个位移器实施例。在本文中，可替换的尖端也称为“工具”。术语“轮廓”是指位移器的三维构造。

1.不同轮廓的多个固定式、减少面积的位移器，以实现顺序作用的复合金属流动形状，所有这些都在一个工具上实现。(图1)

2.带有多个位移器的尖端，其中诸如滚珠轴承之类的位移器在轴向推动的同时在金属表面上滚动(图4)。结果是减少了摩擦，因为位移器不是围绕安装孔的表面拖动，而是滚动。

3.整环形位移器，其在向前推进以位移金属时在一个点处每无限360度增量地被逐渐推动，具有如上相同的降低质量的力，并且由于位移器本身不旋转，减少摩擦。(图7和8)

4.振动冲床尖端，其适配有固定位置位移器，无论圆形或楔形形状皆均匀分布在工具膛周围。尖端在行程之间逐渐按压和旋转，在每个连续的安装深度处重复。轴向振动用于减轻面板应力。扭转应力积聚几乎被消除，并且仅在工具已经旋转完整360度后的每个行程和旋转安装组结束时发生，然后工具在最后的行程深度处旋转360度以使位移的面板材料平滑。(图9和10)

图1描述了根据本发明的位移器工具10的一个实施例，该位移器工具旨在用于标准CNC机床，该机床将压力和旋转力都施加到冲床夹具12上，如图2所示。这种类型的冲床的完整描述在未决的共同拥有的美国专利申请16/307,133中公开，该专利申请通过引用并入本文，如同完整阐述。使用保持在如下所述的冲床12内工具尖端10，紧固件可以固接在可锻金属面板上。在所有这些实施例中，面板都准备有盲接收孔。

继续参考图1，工具尖端的主要元件是带有附接装置13的主体14，用于被保持在旋转冲床夹具12内，如图2所示。在此和本文所述的其他实施例中，工具的工作端具有凸缘15，其端面具有多个位移器，比如在16a、16b和16c处所示的围绕中心膛17的位移器，中心膛在紧固件被安装时保持该紧固件。在安装期间，将工具压到给定点，然后以该深度旋转工具。示出了三个独立的位移器，每个位移器均带有不同的轮廓，随着工具的旋转而作用在工件面板上。位移器16a具有斜面轮廓，该轮廓将金属的外径切去拉入并部分向正在安装的紧固件的外径移动的部分。其轮廓沿着以轴向膛为中心的弧形脊从最高高度的位移器后端向下到位移器最小高度的前端地竖直地逐渐变细(tapered)，其中脊与端面相交。位移器16b就像紧随第一位移器之后附加的扫雪犁，其构造为使分开的金属更接近所安装紧固件的外周。最后，截面上具有矩形轮廓的位移器16c，接着压缩位移的材料的尖部，以将金属围绕紧固件紧紧地下压。

如图3所示，这些位移器说明了不同的位移器如何在独立操作的同时共同发挥功能以形成工件材料21的所需的顺序复合位移。该面板材料围绕紧固件25的凸缘23的外部且在其上方再成形，该凸缘25已插入到接收面板24的盲孔中。工件面板不损失任何面板材料地进行切削变形。

在图4中可见的另一实施例中，滚动滚珠41被采用在工具尖端40中以位移面板材料。

滚珠在尖端本体44的滚道43和固接到主体端部的卡入式保持件45之间滚动。滚珠41在工具内旋转，同时被压入到安装面板中，在紧固件上的凸缘或突出部上方推动金属，如图3所示。与固定式位移器相比，面板中的扭转应力大大降低，滚动摩擦存在但是最小化。图5和6示出了图4的滚珠型位移器的滚珠41如何移动面板51的金属以固附紧固件的前后面板位移。滚珠位移器消除了安装面板表面处的金属的滑动摩擦和拖曳，从而降低了楔形轮廓旋转位移器所承受的安装应力。

在图7中描述的又一个工具尖端实施例70中，面板材料借由通过摆动的位移器环71的连续位移方法进行移动。位移器环通过顶部的附接装置76在径向和轴向上都松松地适配到工具主题，以允许其在主体旋转时向一侧或向另一侧倾斜。位移器环还具有滚道，单个滚珠轴承73可以在该滚道上行进，该滚珠轴承进一步起到将滚珠73保持在工具组件内的功能。位移器环在其底端处具有锥形轮廓，带有圆形切削边缘74。此位移器经过固附在工具主体上的单个滚珠轴承73向整圆位移器的一部分施加力。随着位移器尖端旋转并推入面板，位移器环会摆动。位移力沿着围绕安装部的圆周的滚珠轴承施加，导致位移器摆动，并因此及时地仅将位于点75处的位移器环切削边缘的一部分在任何点位处压入到面板中。位移器和面板之间没有滑动或滚动接触。与全部平等地压入面板的多个位移器不同，随着尖端旋转，此位移器的一小部分仅以小增量按压。由于在整个安装期间，在任何给定时间都只按压位移器的一小部分，因此安装力大大降低。面板和位移器之间没有滑动或滚动摩擦，因此扭转应力大大降低。

图8描述了另一个实施例，其利用类似于图7所示的增量位移器。此位移器用锥齿轮82代替图7中的滚珠和滚道结构，锥齿轮82与两个圆形锥齿条84和85啮合，一个在上方，一个在下方。还添加了弹簧87的合并，以说明如何在必要时为位移器尖端添加稳定性。锥齿轮保证齿轮面之间不会打滑，由此确保主体每次旋转都能以整个360度按压。

在图9和10所示的又一实施例90中，面板材料的增量位移是使用利用单个位移器的振动方法实现的。术语“振动”用于描述工具在安装过程期间的轴向向上和向下的行程运动，向下运动是指工具向工件推进。术语“行程(stroke)”是指工具周期性地向下接着向上运动，使其返回到其起始位置。

现在参考图9，位移器94是加工和抛光的圆形表面或圆形固定销，形成主体92的整体部分。如图10所示，所示的位移器在可以接触面板98的任何点处都是球形的。位移器几何形状也可以是楔形形状的，如此设计的在先实施例所示。图10所示的工具主体和位移器统一在一个固体加工主体中。

在此实施例中，工具被逐渐击打，并在给定长度的行程之间旋转，这导致工件变形到预定的深度水平。如图所示，在施加下一个行程之前，工具将旋转设定的量(例如20°)。安装是通过逐渐推进位移深度水平来实现的。每个深度水平的轴向行程数由每个行程后工具中的旋转量决定。一旦工具旋转到足以覆盖位移器之间的角距离，行程组就完成了。接着，工具旋转完整的360度以使位移的材料平滑，并在下一个深度，即初始深度的标量增量处再次开始该过程。

下文的表1提供了如何经由安装组实现安装的细分。每个组对应于一个安装深度或“水平”。在此示例中，位移器的数量为6(如图8所示)，因此它们之间的距离为60度(360/N)。

表1：按安装组细分的安装

使用此方法为每个部件定制安装组，并对应于盲孔深度、位移器数量和位移器之间的角距离。例如，如果有5个位移器，它们之间的距离是72度。此距离由任意数量的行程覆盖，具体取决于每个行程的旋转量。如果每个行程的旋转是12度，则有5个行程，然后在最终行程之后立即发生工具的完整旋转。专门使用单个位移器，无论是球形还是楔形，均最小化面板上的凸出区域，同时移动足够的材料以实现安装；这是每次行程后工具旋转的目的。

图10是已经安装部件后振动尖端(固定滚珠变型)的剖视图。与此技术的先前实施例一样，尖端在部件凸缘上移动材料，主要区别在于在行程过程期间消除了动力学干涉摩擦；工具在行程之间的旋转与面板98没有接触。附加地，变形点97处的压缩面板应力在工具的每次行程后完全消去，从而在点95处开始面板与位移器的接触。振动尖端使用一系列复合行程和旋转来实现零件的安装，这些行程和旋转成组地并在连续的安装深度水平处施加。

以通过轴向振动实现的深度增量的方式位移面板材料，可减少面板中的压应力积聚。面板上的扭转应力积聚几乎被消除，并且仅在提供完整的360度“平滑”旋转的最后步骤期间发生。其结果是减小了面板应力，旨在防止外观面96附近的材料达到屈服点。

上述实施例仅公开了本发明的一些可能示例，其包括具有相同功能概念的机械元件的组合，但不限于具体公开的那些实施例。许多变型和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，而不会偏离发明的只能由以下权利要求及其法律等同物来定义的范围和精神。

Claims (20)

1.一种用于旋转压机冲床的工具尖端，包括：

本体，所述本体具有柄、轴向膛、和位于所述柄上靠近所述主体的底端的凸缘，所述膛构设且构造为保持紧固件；

至少一个工件位移器，所述至少一个工件位移器绕所述膛沿着所述主体的外围固接，并适用于围绕所述紧固件的外部位移工件材料：以及

其中，所述至少一个位移器具有使所述工件的非破坏性变形最大化的轮廓，以便在不损失工件材料情况下将所述紧固件固接到所述工件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸缘的远端表面与所述轴向膛正交，并且具有所述至少一个位移器，所述至少一个位移器沿着以所述轴向膛为中心的弧形脊从最高高度的所述位移器的后端向下到所述位移器的最小高度的前端竖直地逐渐变细，其中所述脊与所述端面相交。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个位移器的内部边缘从所述脊斜切到所述轴向膛，并且其中，所述位移器从所述位移器脊斜切到所述位移器的外部边缘，并且其中，所述位移器的所述宽度逐渐变细，使得所述位移器的所述前端在一点处与所述远端表面相交。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括用于旋转压机的冲床，所述冲床具有带有顶端、底端和中心旋转轴线的壳体；所述顶端适用于固接到工业机器的旋转和竖直交互的主轴；并且其中，所述工具尖端被可释放地保持在所述冲床的所述底端内。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移器轮廓中的至少两个是不同的。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轮廓是球形的。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所有的所述位移器是相同的。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述位移器是可旋转的滚珠轴承。

9.一种用于旋转压机冲床的工具尖端，包括：

主体，所述主体具有柄、轴向膛、位于在所述柄上靠近所述主体的底端的径向延伸凸缘；

轴向膛，所述轴向膛位于所述主体内，所述轴向膛构设且构造为保持紧固件；

位移器环，所述位移器环固附到所述主体并轴向和径向地松松地固接到所述柄，所述环在其底部处具有360度切削边缘；以及

力传递装置，所述力传递装置位于所述凸缘和所述位移器环之间，所述力传递装置构设且构造为在所述环上的单个点处将来自所述柄的压力传递到所述环上，使得当所述工具被抵靠在工件上并旋转时，所述环执行摆动运动，仅将所述切削边缘的一部分抵靠在所述工件上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述力传递装置是单个滚珠轴承。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述力传递装置是小齿轮，所述小齿轮与附接到所述凸缘的顶部环齿轮和附接到所述位移器环的底部环齿轮啮合。

12.根据权利要求9所述的装置，还包括弹簧，所述弹簧能在位于所述主体的所述底端处的第二凸缘和位于所述位移器环的所述顶部处的内表面之间操作。

13.一种围绕紧固件非破坏性地位移工件材料以将所述紧固件固接到工件上的方法，包括以下步骤：

提供带有盲孔的可锻金属工件面板；

将具有靠近其底端的凸缘的紧固件插入到所述孔中；

提供根据权利要求1所述的工具；以及

将所述工具以多个行程轴向和径向地抵靠着所述工件移动到预定的工件变形深度的第一行程水平，同时在每个行程后旋转所述工具，直到预定的行程或第一组行程已经完成为止。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在第二行程或第二组工具行程期间，所述步骤随后在比所述第一水平更深的第二预定工件变形水平处进行。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，每个深度水平的工具旋转数由每个行程后所述工具中的所述旋转量决定。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一组行程在所述工具已经旋转了总共360度时完成。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述完成的安装以逐渐推进的位移深度水平实现。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工具在所述行程之间旋转角度的量相同。

19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述位移器是球形的。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括最终平滑步骤，其中，所述工具在被保持在预定行程水平处的同时旋转360度。

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