張穩(wěn)當(dāng),趙志浩

(東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110000)

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展,人們對材料接頭的加工精度、接頭強(qiáng)度和輕量化提出了更高的要求。隨著輕量化生產(chǎn)的推廣,鋁合金、鈦合金等高強(qiáng)度、低密度材料得到了廣泛應(yīng)用。加工精度、接頭強(qiáng)度的提高,以及高強(qiáng)度材料的使用使鉚接技術(shù)的發(fā)展迎來新的挑戰(zhàn)。在制造業(yè)中,由于目前的技術(shù)條件很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體成型,許多產(chǎn)品主要由在不同加工過程中生產(chǎn)的多個部件組成。這些部件之間的裝配不可避免地采用了大量的連接技術(shù)[1,2],主要包括以下三種:螺栓連接、焊接和鉚接。焊接結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致構(gòu)件疲勞強(qiáng)度降低,螺栓連接可靠性低,連接件密封性和氣動性較差。相比之下,鉚接工藝簡單,接頭結(jié)構(gòu)牢固可靠,密封性能好。因此,鉚接技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車、橋梁、鐵路、航空等領(lǐng)域。

鉚接是一種不可拆卸的連接形式,它在輕合金、復(fù)合材料和異種材料的連接方面具有無可比擬的優(yōu)勢。近年來,為了獲得更高質(zhì)量的接頭,研究人員進(jìn)行了大量的研究,以提高其力學(xué)性能。

1 傳統(tǒng)鉚接工藝

1.1 常規(guī)鉚接

實(shí)心鉚釘是常規(guī)鉚接最常使用的一種鉚釘,它利用自身的塑性變形實(shí)現(xiàn)相關(guān)金屬組件的連接。常見的實(shí)心鉚釘有半圓頭鉚釘、半沉頭鉚釘、沉頭鉚釘、平頭鉚釘、扁平頭鉚釘?shù)?。以半圓頭鉚釘為例,其鉚接過程如圖1所示。

圖1 常規(guī)鉚接工藝原理[3]

在鉚接之前,需要預(yù)先在兩個板材上制孔,然后將鉚釘放在板材上的孔中,鉚釘頭部由下模固定,上模由壓力機(jī)驅(qū)動進(jìn)而對鉚釘施加一個變形力,使鉚釘發(fā)生塑性變形,形成墩頭,鉚釘和被連接板材之間形成過盈配合,以達(dá)到鉚接的目的。由此可見,這種鉚釘?shù)倪x材在滿足強(qiáng)度需求的同時,也要兼顧材料本身的流動性。有時當(dāng)所選鉚釘?shù)牟牧蠟殇摬⑶毅T釘直徑較大時,一般需要通過加熱來輔助鉚釘?shù)乃苄宰冃我酝瓿摄T接。對于形狀細(xì)長的鉚釘,需要對鉚釘頭部進(jìn)行加熱,避免鉚釘斷裂[3]。鉚釘材料、被鉚接件的材料、鉚釘尺寸、預(yù)制孔尺寸、鉚接力等,都是影響鉚接精度、強(qiáng)度以及工作壽命的重要工藝參數(shù)。因此在鉚接過程中鉚接參數(shù)的選取應(yīng)遵循工藝手冊的選取原則,并根據(jù)使用工況進(jìn)行必要的工藝驗(yàn)證。

韓鑫[4]等人通過大量的工藝實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)預(yù)制孔的直徑比釘桿直徑偏差大0.1mm鉚接效果較為理想,鉚釘長度比板厚大4mm、鉚釘壓縮量為2mm最為適宜。當(dāng)實(shí)際工況下鉚釘?shù)你T接參數(shù)與工藝手冊有所偏差時,沉頭鉚釘容易出現(xiàn)釘頭凹進(jìn)零件表面或突出零件表面過大、鉚釘釘頭與釘窩之間有間隙等缺陷。

采用常規(guī)鉚接工藝制作的接頭在滿足強(qiáng)度要求的同時,也能達(dá)到防水的要求。然而,常規(guī)鉚接在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)。鉚接產(chǎn)生的過盈配合不均勻,會給結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來隱患;當(dāng)連接復(fù)合材料時,如果使用常規(guī)鉚接工藝,復(fù)合材料容易受到?jīng)_擊而損壞。此外,預(yù)鉆孔工藝使得常規(guī)鉚接的效率偏低;這些缺點(diǎn)都在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

1.2 盲鉚接

盲鉚接又稱抽芯拉鉚,是一種施鉚前需要預(yù)先在連接件上鉆孔,利用拉鉚槍與鉚釘將被鉚合件鉚接在一起的連接方法[5]。其工作原理是用抽芯鉚釘專用設(shè)備將兩個結(jié)合件夾緊,然后將鎖環(huán)擠壓變形并充滿鉚釘芯桿的凹槽內(nèi),使鎖環(huán)與芯桿緊密結(jié)合在一起(圖2)。因此,在鉚接完成后,每根鉚釘都具有相同的緊固力以及永不松動的特性。盲鉚接可用于一般需栓接或鉚接的部件,由于其具有高緊固力、永不松動、高抗剪力等特點(diǎn),盲鉚接也經(jīng)常被用來取代焊接。盲鉚接常用的抽芯鉚釘有開口型、封閉型、導(dǎo)向式封閉型、開口拱狀、溝槽型、雙鼓型、拉花型、拉絲型等[6]。其材料涉及合金鋼、不銹鋼、鋁合金、高溫合金及鈦合金等。

圖2 盲鉚接工藝原理

美國是最早研究抽芯鉚釘?shù)膰抑?。?0年代,德事隆公司就研制出了多種類型的抽芯鉚釘。目前僅Cherry型抽芯鉚釘就有包括Cherry MAXR “Bulbed” Rive、Cherry MAXR“AB”、“Wiredraw” Rivet、Cherry1900、Cherry SSTR Blind Rivet、Cherry MBCR Rivet等多個型號,形成了完整的系列。國內(nèi)在21世紀(jì)初,也成功研制了國產(chǎn)抽芯鉚釘,并編制了對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),并在某型飛機(jī)上使用了多種規(guī)格數(shù)千件的抽芯鉚釘[7]。

張德偉[8]等人對抽芯鉚釘?shù)你T接過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了鉚接過程中鉚體形變時的應(yīng)力分布以及塑性應(yīng)變比的變化,預(yù)測了鉚體的應(yīng)力值以及變形程度。研究發(fā)現(xiàn)在盲鉚接的鉚接過程中鉚體形變主要分為屈服階段和墩粗階段,且在鉚釘中間位置應(yīng)力比較小,最大應(yīng)力主要集中在鉚體的尾部區(qū)域,在鉚接過程中,塑性應(yīng)變比呈先大幅度增長后趨于平緩的趨勢,模擬結(jié)果與實(shí)際鉚接過程相吻合。張榮[9]等人通過有限元模擬和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究了鉚接間距對鉚接質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)在采用抽芯鉚釘進(jìn)行鋁板鉚接時,安裝孔的間距應(yīng)大于或等于4倍孔距。抽芯鉚釘在安裝過程中有時會出現(xiàn)異常斷裂的現(xiàn)象,王霞[10]等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這主要是由于原材料中存在大量微孔導(dǎo)致的。這些微孔的存在和聚集,降低了原材料的韌性和強(qiáng)度,使得鉚釘在斷裂時常表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。Billy[11]等人用有限元模型準(zhǔn)確地預(yù)測了鉚釘?shù)膶?shí)際變形形狀,通過仿真模擬可以看到鉚釘在拉伸載荷作用下的失效位置。此外,Billy還發(fā)現(xiàn)軸對稱有限元模型在預(yù)測抽芯鉚釘鉚接過程中的非對稱行為時表現(xiàn)不佳。Witek[12]發(fā)現(xiàn)在抽芯鉚釘?shù)募羟薪孛嫔嫌泻艽蟮臍堄鄳?yīng)力,這將會降低接頭的極限承載力。釘套和芯桿頭部之間的摩擦系數(shù)對最終的鉚接力的值以及成形后鉚釘頭部形狀的影響可以忽略不計(jì)。此外,Witek還指出板材孔洞周圍殘余應(yīng)力較高會降低接頭的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

抽芯鉚釘可以代替實(shí)心鉚釘或螺釘用于許多封閉和半封閉結(jié)構(gòu)中,以確保結(jié)構(gòu)的機(jī)械傳動效果、安全性和可靠性。由于盲鉚接安裝的主要特點(diǎn)是預(yù)制孔必須略大于釘套直徑,以便于將釘套膨脹部分插入孔中,這使得安裝孔松動成為盲鉚釘裝配過程中的常見問題。這種缺陷可以通過以下兩種方法進(jìn)行改善:(1)計(jì)算疊層厚度,使材料疊層厚度近似等于抽芯鉚釘夾層范圍的一半;(2)安裝抽芯鉚釘之前,確保零件之間的所有間隙都已消除。

2 新型鉚接工藝

2.1 電磁鉚接

電磁鉚接技術(shù)是一種在傳統(tǒng)鉚接和電磁成形基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鉚接工藝[13],其鉚接原理如圖3所示。電磁成形裝置通過對電容器組充電來存儲能量,在充電到預(yù)定值后關(guān)閉放電開關(guān),并通過放置在鉚接工件中的扁平線圈放電,從而在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場。在交變磁場的作用下,附著在線圈上的銅驅(qū)動板表面會產(chǎn)生可變渦流,進(jìn)而產(chǎn)生渦流場。線圈磁場和渦流磁場產(chǎn)生相反的排斥力,推動沖頭擠壓鉚釘,形成墩頭并鎖定連接板[14-16]。

圖3 電磁鉚接工藝原理[17]

電磁鉚接的一個重要特征就是存在絕熱剪切帶,由于電磁鉚接在鉚接過程中鉚接速度快、沖擊力大,使得鉚釘?shù)乃苄宰冃芜^程非常接近絕熱過程。此外電磁鉚接使得鉚釘?shù)乃苄宰冃尉哂懈叨鹊木植炕卣?高應(yīng)力區(qū)集中分布在絕熱剪切帶上[18]。Cui[19]等人研究了絕熱剪切帶的形成機(jī)制。結(jié)果表明,絕熱剪切帶是在材料的不均勻流動和熱軟化的共同作用下形成的。Song[20]等人研究了電磁鉚接接頭的過盈配合,發(fā)現(xiàn)由于接頭的成形時間很短,釘桿的膨脹和釘頭的鐓粗幾乎同時發(fā)生。因此,電磁鉚接接頭的過盈配合比普通鉚接的更加均勻,該特性使得電磁鉚接非常適合復(fù)合材料的連接。

與常規(guī)鉚接工藝[21,22]相比,電磁鉚接工藝的加載速度快、沖擊力大,更有利于強(qiáng)度高難變形材質(zhì)的鉚釘成形。此外電磁鉚接可減少板材孔壁的沖擊損失,且鉚接過程中參數(shù)便于控制,鉚接工藝精確穩(wěn)定。

2.2 自沖鉚接

自沖鉚接工藝起源于約半個世紀(jì)前,主要用于電器和包裝行業(yè),它最初是為了代替鋁連接電阻點(diǎn)焊工藝而開發(fā)出來的[23]。自沖鉚接可用于緊固各種材料,包括鋼、鋁、尼龍、塑料、橡膠等。其鉚接工藝原理如圖4所示。通過液壓設(shè)備或伺服電機(jī)將典型的半管鉚釘推入目標(biāo)板材,在此期間,目標(biāo)材料和鉚釘?shù)乃苄宰冃问菇饘侔逍纬蓹C(jī)械鎖以完成鉚接[24]。半管狀鉚釘?shù)氖褂檬广T接部位在具有較高的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的同時,還大大減輕了結(jié)構(gòu)的重量。

圖4 自沖鉚接工藝原理

目前,國內(nèi)外已有一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者進(jìn)行了自沖鉚接工藝優(yōu)化方面的研究。劉付曙[25]等通過自沖鉚接實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)釘模比在1.7～2.0時鉚釘?shù)牡撞坎粫霈F(xiàn)裂紋。此外,劉付曙等人還發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用同類型的底模時,深度淺的底模不容易出現(xiàn)裂紋;使用同樣深度的底模時,球形底面不容易出現(xiàn)裂紋。Khanna[26]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鉚釘?shù)淖畲笃谳d荷隨板材厚度的增加而增加,且在高壽命周期內(nèi),這種強(qiáng)度增加的幅度較小。如果被連接的上板和下板厚度不同,接頭強(qiáng)度則主要取決于厚度較小的板材。此外,Khanna還發(fā)現(xiàn)對于厚度不等的板材組合,裂紋通常發(fā)生在較薄的板材中。杜愛民[24]等人建立了三層板的包括自鎖量、最小底部厚度等性能指標(biāo)的回歸模型,分析了各工藝參數(shù)對三層板性能指標(biāo)的影響。結(jié)果表明,鉚接速度對自鎖量影響不大,鉚釘長度和凹模半徑對自鎖量有正相關(guān)影響,凹模深度對自鎖量的影響為負(fù),鉚釘?shù)耐炔堪霃綄ψ枣i量的影響呈先增加后減小的趨勢。

與傳統(tǒng)板材連接方法相比,自沖鉚接具有可用于連接異種材料、無需預(yù)鉆孔、循環(huán)時間快、易于納入基礎(chǔ)設(shè)施中等優(yōu)勢。此外,自沖鉚接的接頭還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度,尤其是疲勞強(qiáng)度[27]。雖然自沖鉚接在連接輕質(zhì)異種材料方面已成為一種較為成熟的技術(shù),但是它仍具有一定的局限性。例如既定的鉚釘型號只能用于較為有限的板材厚度范圍,并且需要使用模具和通道才能使鉚釘發(fā)生塑性變形。此外,自沖鉚釘在強(qiáng)度高的材料內(nèi)部難以展開,鉚釘接頭的突出量比較大,這些都限制了其在緊湊空間中的使用。

2.3 摩擦攪拌鉚接

摩擦攪拌鉚接是一種單面的機(jī)械連接方法,與傳統(tǒng)盲鉚接不同的是摩擦攪拌鉚接無需預(yù)鉆孔。如圖5所示,在鉚接過程中,抽芯鉚釘以6 000～12 000 rpm的速度旋轉(zhuǎn)并接近工件,由于摩擦熱促使工件軟化,高速旋轉(zhuǎn)的鉚釘可以以較低的驅(qū)動力和扭矩穿透工件,鉚釘完全穿透工件后,拉動鉚釘芯桿直至斷裂,釘套就會像傳統(tǒng)抽芯鉚釘?shù)尼斕滓粯隅叴?將工件連接在一起[28]。

圖5 摩擦攪拌鉚接工藝原理

Min[28]等人基于摩擦攪拌鉚接工藝的機(jī)械和傳熱分析,發(fā)現(xiàn)增加芯軸和芯軸夾具之間的摩擦力,可以有效降低芯軸夾具對桿的作用力。此外,增加抽芯鉚釘?shù)墓?可以使鉚釘承受更高的扭矩載荷。Li[29]等人研究了鋁-鎂攪拌摩擦鉚接接頭在惡劣海洋試驗(yàn)環(huán)境下的大氣腐蝕行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用摩擦攪拌鉚接工藝將鋁與鎂連接時,會出現(xiàn)縫隙內(nèi)部以及外部的腐蝕。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在縫隙的內(nèi)部鎂已經(jīng)發(fā)生鈍化,而且鋁上有明顯的腐蝕痕跡。楊秀建等[30]人提出的剛度計(jì)算模型可以方便地用于鋼-鋁摩擦攪拌鉚接的連接剛度計(jì)算和分析,對基于摩擦攪拌鉚接的鋼-鋁混合車身骨架的連接設(shè)計(jì),有重要的理論參考意義。Ma[31]等人研究了鉚釘進(jìn)給速度和主軸速度對接頭的形成和橫截面幾何形狀的影響,發(fā)現(xiàn)較高的主軸速度和較低的鉚釘進(jìn)給速度(即高熱量輸入)更容易產(chǎn)生良好的接頭,而低熱量輸入可能會導(dǎo)致板材軟化不足,進(jìn)而引發(fā)一系列嚴(yán)重問題。此外,穿孔時產(chǎn)生的金屬屑留在板材之間的間隙中也會降低接頭的強(qiáng)度。

摩擦攪拌鉚接結(jié)合了單面連接和無需預(yù)鉆孔的優(yōu)點(diǎn),連接時鉚釘?shù)男緱U首先接觸板材,因此鉚釘芯桿的下部可以設(shè)計(jì)成鋒利的結(jié)構(gòu),便于沖孔。研究人員應(yīng)設(shè)計(jì)不同的鉚釘形狀以優(yōu)化工藝。

3 未來趨勢

近年來,人們已經(jīng)認(rèn)識到環(huán)保的重要性,輕巧的結(jié)構(gòu)、更低的能耗、更高的性能已經(jīng)成為制造業(yè)的主流,輕質(zhì)材料也因其密度低、力學(xué)性能高等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。鉚接在輕質(zhì)材料的連接方面具有很大的優(yōu)勢,越來越多的輕質(zhì)材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的使用,對鉚接質(zhì)量提出了更高的要求,同時也讓鉚接工藝迎來了新的發(fā)展契機(jī)。未來幾年,對傳統(tǒng)鉚接工藝的改進(jìn)創(chuàng)新是鉚接工藝發(fā)展的主要方向之一,本文回顧的電磁鉚接、摩擦攪拌鉚接都是通過對傳統(tǒng)鉚接工藝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)而發(fā)明的。電磁鉚接在傳統(tǒng)鉚接的基礎(chǔ)上,利用洛倫茲力使鉚釘發(fā)生塑性變形以實(shí)現(xiàn)鉚接的目的。與傳統(tǒng)的鉚接工藝相比,電磁鉚接加載速度快、沖擊力大,更有利于強(qiáng)度高、變形困難材質(zhì)的鉚釘成形,這在一定程度上擴(kuò)大了鉚釘?shù)倪x材范圍,提高了接頭的綜合性能。此外,由于電磁鉚接過程的參數(shù)便于控制,相比于傳統(tǒng)鉚接工藝其鉚接性能、鉚接精度更加穩(wěn)定。由此可見,通過對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn),可以提高接頭的力學(xué)性能,引入輔助成形過程的附加步驟用以提高鉚接精度也是一個很好的創(chuàng)新方向。預(yù)鉆孔工藝大幅度降低了常規(guī)盲鉚接的裝配效率以及自動化程度,而相比之下摩擦攪拌鉚接無需預(yù)先在施鉚處制孔,利用摩擦熱軟化目標(biāo)材料以輔助其材料流動,高速旋轉(zhuǎn)的鉚釘可以以較低的驅(qū)動力和扭矩穿透工件以完成鉚接。摩擦攪拌鉚接在兼顧單面鉚接優(yōu)點(diǎn)的同時,還具有無需鉚模的特點(diǎn)。此外,開發(fā)新的成形力低、無需預(yù)鉆孔的鉚接工藝也是鉚接技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

4 結(jié)語

本文綜述了兩類鉚接技術(shù)。一類是傳統(tǒng)鉚接工藝,另一類是基于對現(xiàn)有鉚接工藝再創(chuàng)新而產(chǎn)生的新型鉚接工藝;列舉了不同鉚接技術(shù)近幾年的研究成果,介紹了每種鉚接技術(shù)的鉚接原理以及特點(diǎn)。采用常規(guī)鉚接工藝制作的接頭在滿足強(qiáng)度要求的同時,還能達(dá)到防水要求。然而,常規(guī)鉚接產(chǎn)生的過盈配合不均勻,也會給結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來隱患。當(dāng)使用常規(guī)鉚接工藝連接復(fù)合材料時,復(fù)合材料容易受到?jīng)_擊而損壞。電磁鉚接因其速度快、沖擊力大,使鉚釘變形均勻,更有利于高強(qiáng)度難變形材質(zhì)的鉚釘成形。自沖鉚接具有可用于連接異種材料、無需預(yù)鉆孔、循環(huán)時間短等優(yōu)點(diǎn),此外自沖鉚接的接頭還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。摩擦攪拌鉚接通過引入摩擦熱實(shí)現(xiàn)單面連接和無預(yù)鉆孔連接,這將使其在連接管狀或封閉結(jié)構(gòu)時具有巨大優(yōu)勢?？梢?每種工藝各有特點(diǎn),都能在各自的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。