铆接1

板料铆接方法及其装置的研究

一、铆钉铆接的6种类型：

1、冲压铆接：较早兴起、研究较早的传统铆接技术。人工锤击、机器冲压对轴向进行施加铆接力（多为冲击力）。缺点：假如铆接所需铆接力较大，难以铆接较大直径的铆钉。冲击式铆接的铆接质量不高，噪音大，工作环境较差。

2、碾压铆接：碾压铆接过程中铆接凸模(铆杆)与铆钉轴线呈锐夹角，其在做特定的运动轨迹时也有向下压的运动，使铆钉头部受到连续局部均匀的碾压作用后形成所需铆接形状。可分为径向式和摆碾式。相对传统的铆钉铆接，碾压铆接在铆接过程中，无相对滑动无冲击，铆接质量高、能耗低（铆接力小、效率高），噪音和振动小，可以铆接多种材料。实用范围广，即可用于有铆钉铆接、也可用于无铆钉铆接，而且对于许多难铆材料和特殊接头形状可胜任。只要按照所需的铆接来改变铆接凸模的形状。

3、哈克拉铆钉（HUCK）铆接：利用虎克定律原理，用拉铆钉专用设备将结合件夹紧后，将套环的金属挤压并充满到带有多条环状沟槽的栓柱凹槽内，使套环与栓柱严密结合的一种紧固方式。优点：夹紧力高、抗振和抗疲劳性能好、工作效率高。缺点：铆钉较长较重，制造难度和价格相对传统铆钉铆接贵一些，主要适合于附加值高、载荷要求较高等行业。HUCK紧固件是目前世界上唯一不需要扭力而产生紧固力的紧固件。其紧固力大小取决于螺杆直径大小及相配套的套环。重型载货汽车应用比较多。

图1 哈克拉铆钉铆接过程

4、锌合金铆钉旋转法：利用铆钉材料的熔点低和摩擦生热的原理，在铆钉旋转钻入板料时互相摩擦，使材料局部变热软化，增加塑性，形成墩头，从而达到铆合的目的。优点：铆接前不需要预先钻孔，相对工艺简单，操作方便。铆接的产品美观，劳动强度低，生产效率高。缺点：铆钉制造价格贵，并且铆接过程还要考虑冷却的因素。

图2 锌合金铆钉示意图

5、实心铆钉自冲铆接：是把要连接的板料固定在凹模和压边圈之间，通过冲头向下运动将实心铆钉穿透上下层板料，并冲出小块金属，然后在下模的反作用力下，把部分下层板料材料压入环形沟槽，进而形成互锁机构。实心铆钉的自冲铆接时一种典型的局部塑性大变形过程，包括冲裁剪切和挤压两个工艺过程。优点：费用低、连接质量高。缺点：铆接噪声大，铆钉几何形状、压边力、铆钉和凹模（下模）的间隙对铆接质量有着较大的影响。

图3 实心铆钉自冲铆接原理图

6、半空心铆钉自冲铆接：半空心铆钉被冲头压下时，铆钉穿透上层板料，在凹模与冲头的共同作用下铆钉尾部在下层金属中张开，在两板料间形成一个机械互锁机构。注意，半空心铆钉的自冲铆接工艺在铆接两层相同金属材料时，较厚的放在下层；铆接两层不同金属材料时，将塑性好的材料放在下层；铆接金属与非金属材料时，将金属材料放下层。优点：能够连接多层材料，不需要预钻孔，耐疲劳，对环境影响小，便于质量检查。跟实心铆钉自冲铆接相比，它无火花、无废料、低能耗、低噪声。缺点：模具制造精度要求高、铆钉和板料性能的匹配性。

图4 半空心铆钉的挤压成形CAD模型图5 半空心铆钉自冲铆接示意图

二、螺栓连接、铆钉铆接、电阻点焊的强度进行对比

1、实心铆钉铆接与螺栓连接强度的对比：

实心铆钉铆接是常用的装配工艺之一。它的费用要比用螺纹紧固件连接经济得多，装配效率高，而且很适于自动化。在铆接过程中，铆钉高度与孔径、板厚要有良好的匹配关系，厚板料可能会使长铆钉产生弯曲，铆钉杆部太长也会产生弯折或弯曲，致使头部变形偏移，可能损坏铆钉。另一方面，如果铆钉杆部太短，则头部成形不完整或者损坏板料。但是对于金属板零件，杆径与板料的厚度有关，铆钉直径太大，头部成形困难，铆钉直径太小，可能弯曲。

试验材料：试验件为厚度2mm的ST12冷轧钢板制作的搭接件及对接件，他们的布置形式及几何尺寸如图6所示，搭接量为50mm，板料预制孔均为直径6mm 的通孔，螺栓和铆钉材料均为SUS201，直径均为6mm，铆钉和螺栓均取10mm的高度。

图6 搭接和对接布置形式及几何尺寸

(a)搭接（b）对接

试验准备：通过单向拉伸实验来测量实心铆钉铆接和螺栓连接的强度。单向拉伸试验在SHIMADZU微机控制电子万能试验机上进行，试验机夹头运动速度为1mm/min。

实心铆钉、螺栓搭接件试验（剪切试验）的载荷-行程曲线如图7所示。

图7 铆钉、螺栓搭接件载荷-行程曲线

在试验起始阶段，实心铆钉连接的载荷与位移近似成比例关系，此阶段可看作是材料的弹性变形阶段，此曲线的斜率近似于材料的弹性模量。而螺栓螺纹与预制孔之间为间隙配合，在螺栓螺纹拉伸初始阶段由于间隙的作用而出现一小段稍平坦的曲线，而后迅速上升。实心铆钉弹性变形阶段曲线的斜率比螺栓的要大，这主要是由于实心铆钉在铆接过程中被镦粗，与铆钉孔有充分的挤压作用，在拉伸试验前已有一定的塑性变形，产生了一定的残余应力，因而其刚度稍大。最终的失效方式都是铆钉帽或螺帽从预制孔剥离，而铆钉或螺栓仅是发生了部分塑性变形，并未剪断。

实心铆钉、螺栓对接件试验（剥离试验）的载荷-行程曲线如图8所示。可以看出，螺栓的抗剥离强度明显要大于实心铆钉的抗剥离强度。剥离试验的开始阶段，试件内部并无明显的损伤，力和位移呈线性关系，在这个阶段，铆钉和螺栓的行程－载荷曲线基本上是重合的。随着载荷的增加，铆钉连接先到达最高点后迅速下降，螺栓连接抗剥离强度曲线与铆钉相似，不过螺栓连接抗剥离强度明显高于铆钉连接抗剥离强度。

图8 铆钉、螺栓对接件载荷-行程曲线

实心铆钉和螺栓连接件搭接试验拉伸失效图和对接试验拉伸失效图见

图9和图10。

图9 铆钉和螺栓连接件搭接试验拉伸失效图

（a）实心铆钉铆接接头（b）螺栓连接接头

图10 铆钉和螺栓连接件对接试验拉伸失效图

（a）实心铆钉铆接接头（b）螺栓连接接头

通过实验得出结论是：

（1）、实心铆钉的长度与板料厚度要有良好的匹配，过长时容易使铆钉弯曲；过短时，铆钉头太小，连接效果不好。

（2）、实心铆钉的抗剪切强度大于其抗剥离强度，螺栓连接件的抗剪切强度也远高于其抗剥离强度（这是因为实心铆钉铆接和螺栓连接件的抗剪切强度主要由材料的性能决定，即抗剪切强度接近于材料的断裂强度；而实心铆钉铆接和螺栓连接件的抗剥离强度则分别由铆钉铆头和螺栓螺帽、螺母的大小共同决定。）。（3）.螺栓连接的抗剥离强度明显大于实心铆钉的抗剥离强度，和实心铆钉铆接