三種鉚螺母緊固件的應(yīng)用與對(duì)比

王 利，劉佳欣，陳力寧，崔國(guó)亮，林傳冬

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng)111003)

高強(qiáng)度、高延展性、低密度的鋁合金材料被眾多領(lǐng)域采用，但鋁合金焊接存在變形、燒穿、裂紋、接頭弱化和異種材料連接困難等問(wèn)題，所以鉚接和螺紋緊固連接技術(shù)逐漸得到重視，鉚螺母就是其中廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品之一。然而，隨著壓鉚螺母和自沖鉚螺母等非標(biāo)緊固件開(kāi)發(fā)量日益增多，鉚螺母緊固件已經(jīng)不完全屬于傳統(tǒng)意義的標(biāo)準(zhǔn)件。現(xiàn)階段的鉚螺母緊固件既包含國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)件，又包含應(yīng)客戶需求開(kāi)發(fā)的非標(biāo)緊固件，例如壓鉚螺母、拉鉚螺母和自沖鉚螺母，這些鉚螺母不但在鋁合金連接中起到關(guān)鍵作用，也為內(nèi)飾件、總成的安裝提供連接點(diǎn)[1-3]。本文對(duì)比鋁合金產(chǎn)品常用的壓鉚螺母、拉鉚螺母和自沖鉚螺母緊固件優(yōu)缺點(diǎn)，并分析力學(xué)性能，為設(shè)計(jì)師提供選型參考。

1 鉚螺母緊固件

1.1 壓鉚螺母

壓鉚螺母通常一端帶有壓花齒及導(dǎo)向槽，母材需要在壓鉚生產(chǎn)前開(kāi)設(shè)安裝孔，借助壓鉚機(jī)下壓力將螺母壓花齒壓入孔位(圖1)。一般而言，安裝孔的孔徑略小于壓鉚螺母的壓花齒，因此壓花齒能夠擠入材料使安裝孔周邊產(chǎn)生塑性變形，變形物被擠入導(dǎo)向槽，最終螺母與母材鎖緊連接。壓鉚螺母可安裝在各類鋁合金型材和板材，但是連接強(qiáng)度受母材強(qiáng)度影響很大，且在型材內(nèi)腔安裝螺母時(shí)需要開(kāi)工藝孔保證壓鉚模具可以與螺母接觸[4]。

(a)壓鉚螺母 (b)型材內(nèi)壁安裝壓鉚螺母 (c)壓鉚成型圖1 壓鉚螺母Fig.1 Pressure riveting nut

1.2 自沖鉚螺母

自沖鉚螺母是在壓鉚螺母基礎(chǔ)上改進(jìn)的產(chǎn)品，具有無(wú)需在母材上開(kāi)安裝孔的特點(diǎn)，主要通過(guò)自沖鉚螺母自身壓鉚的同時(shí)完成沖孔，安裝后形成與壓鉚螺母相似的鎖緊連接結(jié)構(gòu)(圖2)。由于可以考慮結(jié)合板材沖壓工序一起生產(chǎn)，因此更適合大批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)成本，能夠獲得比壓鉚螺母和拉鉚螺母更好的抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能。

(a)自沖鉚螺母 (b)自沖鉚螺母用于某鋁合金支架 (c)鉚接成型圖2 自沖鉚螺母Fig.2 Self-clinching nut

1.3 拉鉚螺母

拉鉚螺母是一類能夠在拉鉚槍帶動(dòng)下產(chǎn)生塑性變形夾持到材料上的緊固件(圖3)，由于具有單面操作即可完成安裝的特點(diǎn)，所以應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛；另外，拉鉚螺母可以解決金屬薄板、薄管焊接螺母易漏、壓鉚易產(chǎn)生板材變形等缺陷。但是，拉鉚螺母強(qiáng)度通常低于壓鉚螺母，且安裝前也需要在母材開(kāi)設(shè)安裝孔，其力學(xué)性能及樣式可參考GB/T 17880系列標(biāo)準(zhǔn)，通常拉鉚螺母支撐面和圓周表面有花紋提高抗扭轉(zhuǎn)性能[5-6]。

(a)拉鉚螺母 (b)拉鉚螺母安裝在型材 (c)鉚接成型圖3 拉鉚螺母 Fig.3 Pull riveting nut

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

用于試驗(yàn)的螺母規(guī)格M6，其中拉鉚螺母符合GB/T 17880.1-1999技術(shù)要求，試驗(yàn)?zāi)覆臑?061合金，熱處理狀態(tài)T6，厚度2mm，緊固件與母材配合后開(kāi)展推出力和轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩分析。

轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩為緊固件與母材發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最大扭矩，借助壓鉚和拉鉚設(shè)備安裝緊固件后將測(cè)試螺栓從螺母柄部擰入待檢緊固件，螺栓頭下支撐面不應(yīng)與母材接觸(圖4(a))，采用世達(dá)電子扭力扳手對(duì)螺栓順時(shí)針施加扭矩，記錄最大扭矩值。推出力為鉚螺母在母材上被推出的最大力值，將測(cè)試螺栓擰入待檢螺母中(4(b))，并將安裝螺母的試驗(yàn)件放置到電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的平臺(tái)上，配合檢驗(yàn)工裝將緊固件推出，記錄最大壓力值。所有試驗(yàn)件樣品如圖5所示。

(a)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩檢驗(yàn)方法 (b)推出力檢驗(yàn)方法圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩及推出力示意圖 Fig.4 Schematic diagram of rotating torque and pushing force

(a)壓鉚螺母樣品；(b)拉鉚螺母樣品；(c)自沖鉚螺母樣品圖5 試驗(yàn)件 Fig.5 Samples

2.2 結(jié)果分析與討論

轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩和推出力的檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。自沖鉚螺母和壓鉚螺母轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩測(cè)試值高于拉鉚螺母，主要原因是螺母與母材形成的互鎖部分較拉鉚螺母形成的夾緊部分提供更大的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，且互鎖強(qiáng)度與母材牌號(hào)和熱處理狀態(tài)有關(guān)，通常母材強(qiáng)度越高，壓鉚螺母能夠表現(xiàn)出更好的抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能。因此在熱處理狀態(tài)T6時(shí)，壓鉚螺母和自沖鉚螺母轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩表現(xiàn)優(yōu)異，但是由于自沖鉚螺母沖孔的同時(shí)完成壓鉚，所以與母材結(jié)合更緊密，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩更高。拉鉚螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩主要取決于鉚接工藝參數(shù)，在拉鉚行程合理的情況下螺母起鼓均勻且獲得較好的夾緊力，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩平均值可以達(dá)到18.1Nm。另外，三種連接方式的失效形式不同，隨著扭矩值增加，強(qiáng)度最低的拉鉚螺母最先發(fā)生滑牙；自沖鉚螺母強(qiáng)度高、抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能優(yōu)異，施加足夠扭矩后螺紋滑牙而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；壓鉚螺母較拉鉚螺母強(qiáng)度高、抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能低于自沖鉚螺母，因此螺母與母材發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩

表2 推出力

推出力方面，拉鉚螺母的推出力最高，主要是由于拉鉚起鼓部分阻礙螺母推出，顯著提高推出力；雖然壓鉚螺母和自沖鉚螺母的花齒可以鑲嵌到母材中，一定程度提高轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，但是對(duì)于軸向承載能力貢獻(xiàn)較小，因此壓鉚螺母和自沖鉚螺母具有較低的推出力。另外，與母材結(jié)合更緊密的自沖鉚螺母推出力高于壓鉚螺母。

3 結(jié)論

不同種類鉚螺母使得鋁合金連接多樣化，從力學(xué)性能角度分析，母材為T6狀態(tài)6061合金材料時(shí)，自沖鉚螺母具有更優(yōu)異的抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能，拉鉚螺母具有更優(yōu)異的抗推出性能。