高抗剪抗拉抽芯鉚釘及其釘套的製造方法與流程

2023-04-24 02:32:31

本發明創造屬於緊固件設計和製造技術領域，尤其涉及一種具有更高抗剪抗拉性能的抽芯鉚釘及其釘套的製造方法。

背景技術：

航空航天等高端裝備在結構方面一般都設計的較為緊湊，這些設計緊湊的結構件連接安裝空間都較為狹小，普通螺栓螺母類緊固件由於其需要進行雙面安裝，不能勝任這些場合的安裝要求。因此，在這些狹小的空間處，一般都選用單面安裝的緊固件，即抽芯鉚釘。一般抽芯鉚釘在結構上包括芯杆、釘套和其他配件，為了實現緊固的功能，需要在安裝過程中讓釘套變形，因此釘套的材料均選擇塑性好但強度較低的材料，由此導致抽芯鉚釘的抗剪能力普遍小於同直徑規格的高強度螺栓，且抽芯鉚釘的抗拉性能也較低。

申請號為201410299271.1的發明專利，提出了一種通過粉末熱壓燒結的方式製作的鈦抽芯鉚釘釘套。但是該發明的鉚釘套仍然具有很多的缺陷，具體為：1、或多或少，粉末熱壓燒結得到的金屬製品內部總有細微空隙；2、一般粉末熱壓燒結製品的強度比相應鍛件或鑄件要低；3、只解決了一些類型的鈦抽芯鉚釘的問題，未解決其它材料其它類型抽釘問題；4、壓製成形所需的壓強高，因而對設備能力要求高；5、壓模成本高；6、我國在粉末熱壓燒結行業的整體技術水平偏低，裝備落後。

技術實現要素：

本發明創造為解決現有技術中的問題，提供了一種抽芯鉚釘及其釘套的製造方法，具有更高的抗剪抗拉能力。

本發明創造提供的抽芯鉚釘，在標準抽芯鉚釘的結構上，包括如下改動：將釘套採用至少兩種材料製成，所述釘套的杆部待變形部位由所述兩種材料中的第一種材料製成，所述釘套的杆部非待變形部位由所述兩種材料中的第二種材料製成，所述第一種材料的強度小於所述第二種材料的強度。

其中，所述標準抽芯鉚釘是指由芯杆、釘套及其他配件組成的，由釘套承擔主要變形作用的，由國內外國家級標準、行業級標準或企業級標準已經規定的抽芯鉚釘類產品。

其中，所述釘套的杆部待變形部位一般是在鉚接過程中於安裝孔外側形成鼓包變形的變形段，採用強度較低塑性較好的第一種材料做成，能夠便於變形段發生在安裝過程中產生鼓包變形，降低安裝驅動力和阻力，提高被安裝件的安全性，並提高鉚接穩定效果；所述釘套的杆部非待變形部位中，鉚接後位於安裝孔內的部分將承載剪切力，採用強度較高的第二種材料做成，能夠提高抽芯鉚釘的抗剪抗拉性能，對鉚接的整體穩定性也具有良好影響。

進一步，所述釘套的分別由所述第一種材料和第二種材料製成的不同部位以焊接的方式連接在一起。焊接的連接方式能夠保證所述釘套不同部位的連接強度，為了使不同材料構成的不同部位發揮其應有的作用，控制上述焊接部位焊接質量，使得釘套的變形過程中不會在焊接部位發生斷裂，造成零件報廢和緊固失敗。

進一步，所述抽芯鉚釘還包括如下改動：保證所述釘套杆部外徑不變，將所述釘套的壁厚調整為原來的1.1-2.5倍，將所述芯杆的外徑及其他配件的尺寸根據所述釘套壁厚的調整做匹配調整。增大的壁厚提高了鉚釘安裝端的抗拉能力，同時有利於釘套變形段的鼓包更為厚實，進一步增大抽芯鉚釘盲端的抗拉能力；但同時增大的壁厚也容易造成芯杆過細，不利於產品抗剪能力的提升，同時變形驅動力不足，雖然兩種不同材料在所述釘套的杆部的使用削弱了芯杆變細對抗剪能力帶來的不利影響，但仍需對壁厚的尺寸進行適當控制，以使產品的抗拉和抗剪能力能夠同時達到最優狀態。

進一步，所述抽芯鉚釘還包括如下改動：將芯桿頭部提供鉚接軸向驅動力的驅動結構的軸向尺寸調整為原來的1.1-3倍。所述芯桿頭部提供鉚接軸向驅動力的驅動結構是指與釘套接觸並向釘套傳遞變形驅動力的結構部分，一般為芯桿頭部的圓臺，該結構的尺寸調整彌補了芯杆過細可能造成的變形驅動力不足。

進一步，所述釘套的杆部待變形部位為自所述釘套尾部端面(與所述芯桿頭部靠近的一端)向內延伸的變形段，或優選的所述釘套的杆部待變形部位為自靠近所述釘套尾部端面的內部向內延伸的變形段。當所述釘套的杆部待變形部位為自靠近所述釘套尾部端面的內部向內延伸的變形段時，即該變形段不起始於所述釘套的尾部端面，此時自所述釘套的尾部端面起至該變形段的端部可以形成一小段由高強度的第二種材料製成的尾部支撐段，該尾部支撐段能夠在安裝過程中良好地承載和傳遞芯桿頭部的驅動結構施加的驅動力，有助於變形段的順利變形。

本發明還提供了本案抽芯鉚釘的釘套的製備方法，包括下述步驟：

(1)採用第一種材料製成目標釘套的杆部待變形部位的變形段圓環，採用第二種材料製成目標釘套的其他環形段；

(2)使用焊接的方式將變形段圓環和其他環形段連接在一起形成整個釘套的結構；

(3)通過機加或衝裁的方式去除掉焊接瘤。

進一步，所述焊接過程中，控制焊接部位焊接前後的軸向長度收縮量為0.3-1.5mm，使得焊接後釘套的焊接連接能夠達到需要的強度。

進一步，所述步驟(2)中，所述焊接為慣性摩擦焊接或雷射焊接。其中，所述慣性摩擦焊接是依靠摩擦焊機，使得要焊合的兩個零件中的一個或兩個高速自轉，然後讓兩個零件同軸接觸，接觸處會摩擦生熱，使得接觸處達到熱塑性的狀態，進而壓焊在一起；所述雷射焊接是使得要焊合的兩個零件的接觸處出現熔融後再凝固，將兩者焊接在一起。

進一步，所述雷射焊接中，雷射開始加熱到雷射結束加熱的時間段內，兩個零件保持同步旋轉，且控制在旋轉4圈以上。

進一步，所述步驟(3)後還包括通過熱處理去除焊接應力的處理步驟。

本發明還提供了另一種本案抽芯鉚釘的釘套的製備方法，包括下述步驟：

(1)採用第一種材料製成目標釘套的杆部待變形部位的變形段圓柱，採用第二種材料製成目標釘套的其他圓柱段和/或圓錐段；

(2)使用焊接的方式將變形段圓柱和其他圓柱段和/或圓錐段連接在一起形成整個實心的釘套結構；

(3)通過機加或衝裁的方式去除掉焊接瘤；

(4)通過機加的方式加工釘套中心的出貫通孔。

進一步，所述焊接過程中，控制焊接部位焊接前後的軸向長度收縮量為0.3-1.5mm，使得焊接後釘套的焊接連接能夠達到需要的強度。

進一步，所述步驟(2)中，所述焊接為慣性摩擦焊接或雷射焊接。其中，所述慣性摩擦焊接是依靠摩擦焊機，使得要焊合的兩個零件中的一個或兩個高速自轉，然後讓兩個零件同軸接觸，接觸處會摩擦生熱，使得接觸處達到熱塑性的狀態，進而壓焊在一起；所述雷射焊接是使得要焊合的兩個零件的接觸處出現熔融後再凝固，將兩者焊接在一起。

進一步，所述慣性摩擦焊接中，控制焊接的軸向收縮尺寸(單位mm)同杆部直徑(單位mm)的乘積值在範圍在3～7內。該數值過小則會使焊接質量下降，過大會增大焊接難度和對焊接設備的要求，並會增加後續加工難度。

進一步，所述雷射焊接中，雷射開始加熱到雷射結束加熱的時間段內，兩個零件保持同步旋轉，且控制在旋轉4圈以上。

進一步，所述步驟(4)後還包括通過熱處理去除焊接應力的處理步驟。

本發明創造的優勢在於：一般技術和市場均很成熟的標準抽芯鉚釘，承載剪切力是由低強度材料的釘套和高強度材料的芯杆共同承擔，本發明的抽芯鉚釘的承載剪切力的部位都是由高強度的材料來承擔，所以在此主要改變釘套的材料結構和釘套的加工方式就使得抗剪和抗拉能力大為提升，一般抗剪和抗拉強度都能提升30％以上。通過本發明做出的釘套，在兩種材料結合處，非常平整、緻密和牢固，能夠滿足本發明抽芯鉚釘的緊固需要。

附圖說明

圖1是航空上常用的一種抽芯鉚釘的示意圖；

圖2是圖1所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖3是本發明對圖1結構改進後的抽芯鉚釘；

圖4是圖3所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖5是另一種航空上用的抽芯鉚釘的示意圖；

圖6是圖5所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖7是本發明對圖5結構改進後的抽芯鉚釘；

圖8是圖7所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖9是圖7的釘套在製造過程中的一種狀態的示意圖。

圖10是航空航天常用的一種抽芯鉚釘的示意圖；

圖11是圖10所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖12是本發明對圖10結構改進後的抽芯鉚釘；

圖13是圖12所示抽芯鉚釘在鉚接安裝後的示意圖；

圖14是圖12的釘套在製造過程中的一種狀態的示意圖。

具體實施方式

下面通過結合附圖對本發明創造進行進一步說明。

實施例一

圖1是航空上常用的一種抽芯鉚釘，是由CHERRY公司生產的標準號為CR3212規格為-5的抽芯鉚釘。該型抽芯鉚釘由芯杆1、釘套2、鎖環3、頂片4共四個零件組成。芯杆由合金鋼或不鏽鋼或其它的強度高的材料做成。釘套由鋁合金或蒙乃爾合金或其它的低強度軟材料做成。由圖2看到，鉚接安裝於待安裝件5、6後，該型抽芯鉚釘承受剪切力是由低強度和高強度兩種材料同時承受，因此可承載的剪切力相對較小。

圖3是本發明對圖1結構改進後的抽芯鉚釘。該型抽芯鉚釘仍然由芯杆7、釘套8、鎖環9、頂片10共四個零件組成。但釘套8不再只是由低強度軟材料做成，而是由高強度的短釘套8-1和低強度軟材料的圓環8-2通過焊接方式結合在一起做成的。

在尺寸方面，釘套8桿部的外徑不變，釘套8的壁厚加大到釘套2的壁厚1.2倍，相應地芯杆7的直徑匹配減小；加大芯杆1頭部的提供鉚接軸向驅動力的圓環7-1的軸向尺寸為原來的1.4倍，這保證了鉚接成形性能。鎖環9的外徑和內徑以及頂片10的內孔尺寸也做了相應減小的匹配調整。

本發明的抽芯鉚釘的鉚接安裝方式與之前的沒有不同，但由鉚接安裝後的圖4可以看出，抽芯鉚釘承載剪切力全是由高強度材料承受，其能夠承載的最大剪切力會遠高於圖2所示的情況。

圖3中的釘套8的製造方法是：

步驟一，使用傳統的機加或衝壓的方式，使用塑性好但強度低的材料加工出圓環8-8，該圓環在後續步驟中，會做成釘套8上的用來形變的部位；使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用強度高的材料加工出短釘套8-1，短釘套8-1的長度加上圓環8-8的軸向長度略長於最後成品釘套8的長度。

步驟二，通過雷射焊接的方式，將第一步得到圓環8-8和短釘套8-1焊接在一起。雷射焊接是使得圓環8-8和短釘套8-1的接觸處出現熔融後再凝固將兩者焊接在一起。焊接時，要保證焊接部位的金屬表面乾淨無汙染，保證圓環8-8和短釘套8-1的同軸度。雷射焊接時，使得兩個零件在雷射對其加熱的過程中保持同步旋轉，其旋轉速度是在雷射開始加熱到雷射結束加熱的時間段內零件旋轉了8圈；焊接加熱和冷卻過程中，使得兩零件之間持續保持著軸向的壓力，調節該壓力的大小和雷射功率大小要保證焊接後零件的軸向長度收縮量為1mm。

步驟三，通過機加或衝裁的方式去除掉焊接瘤。

步驟四，通過熱處理去除焊接應力。

實施例二

圖5是另一種航空上用的由無錫安士達公司生產的抽芯鉚釘。該型抽芯鉚釘由芯杆11和釘套12共兩個零件組成。芯杆由合金鋼或不鏽鋼或其它的強度高的材料做成。釘套由鋁合金或蒙乃爾合金或其它的低強度軟材料做成。由圖6看到，鉚接安裝於待安裝件13、14後，該型抽芯鉚釘承受剪切力是由低強度和高強度兩種材料同時承受，因此可承載的剪切力相對較小。

圖7是本發明對圖5結構改進後的抽芯鉚釘。該型抽芯鉚釘仍然由芯杆15和釘套16共兩個零件組成。但釘套16不再只是由低強度軟材料做成，而是由高強度的短釘套16-1和低強度軟材料的圓環16-2通過焊接方式結合在一起做成的。

在尺寸方面，釘套16的壁厚加大到釘套12的壁厚1.3倍，釘套16桿部的外徑不變，相應地芯杆15的直徑匹配減小；加大芯杆15頭部的提供鉚接軸向驅動力的圓環15-1的軸向尺寸為原來的1.5倍，這保證了鉚接成形性能。

本發明的抽芯鉚釘的鉚接安裝方式與之前的沒有不同，但由鉚接安裝後的圖8可以看出，抽芯鉚釘承載剪切力全是由高強度材料承受，其能夠承載的最大剪切力會遠高於圖6所示的情況。

圖7中的釘套12的製造方法是：

步驟一，如圖9，使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用塑性好但強度低的材料加工出圓柱18，該圓柱18在後續步驟中，會做成釘套16上的用來形變的部位；使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用強度高的材料加工出實心的短釘體17，該短釘體在後續步驟中，會做成成品釘套16上的不發生形變的部位，短釘體17的長度加上圓柱18的軸向長度略長於最後成品釘套16的長度。

步驟二，通過慣性摩擦焊接的方式，將第一步得到圓柱18和短釘體17焊接在一起。摩擦焊接的方法是依靠摩擦焊機，使得圓柱18或短釘體17高速自轉，然後讓圓柱18與短釘體17同軸接觸，圓柱18與短釘體17摩擦生熱，使得接觸位置達到熱塑性的狀態，進而壓焊在一起。焊接時，要保證焊接部位的金屬表面乾淨無汙染，保證圓柱18和短釘體17的同軸度。在焊接中，通過調整轉速和壓力值，使得圓柱18與短釘體17的軸向總長度收縮值(mm)同其杆部直徑(mm)的乘積值為5。

步驟三，通過機加或衝裁的方式將焊接瘤去除，並通過機加的方式加工出貫通孔，使得焊接後的實心釘體變成空心的釘套16。

步驟四，通過熱處理去除焊接應力。

實施例三

圖10是航空航天上另一種常用的抽芯鉚釘，是由CHERRY公司生產的標準號為CR7770規格為-6的抽芯鉚釘。該型抽芯鉚釘由芯杆19、釘套20、鎖環21、推壓襯套22共四個零件組成。其中的釘套20是由低強度材料做成，芯杆19由高強度材料做成。由圖11看到，鉚接安裝於待安裝件23、24後，從中看出該型抽芯鉚釘承受剪切力是由低強度和高強度兩種材料同時承受，因此可承載的剪切力相對較小。

圖12是本發明對圖10結構改進後的抽芯鉚釘，由芯杆25、釘套26、鎖環27和推壓襯套28共四個零件組成。其中的芯杆25由高強度材料做成。釘套26由三種不同強度材料通過焊接方式結合在一起做成，從一端至另一端，依次為高強度材料做成的26-1、低強度材料做成的26-2、另一種高強度材料做成的26-3。

在尺寸方面，釘套26的壁厚加大到釘套20的壁厚1.5倍，釘套26桿部的外徑不變，相應地芯杆25的直徑匹配減小；加大芯桿頭部25-1的軸向尺寸為原來芯桿頭部19-1軸向尺寸的1.7倍，這保證了鉚接成形性能。鎖環27的外徑和內徑以及推壓襯套28的內孔尺寸也做了相應減小。

其鉚接安裝後得到圖13，從中看出，獨特的高強度-低強度-高強度的三段結構，正好能夠保證釘套發生局部鼓包變形，將被聯接板夾緊，同時保證了芯桿頭部沒有擠入釘套內，保證了安裝後的抽芯鉚釘的軸向承載力。從圖13中還能得到，該抽芯鉚釘承受剪切力的部位均由高強度的材料做成，因此其可承載的剪切力值很高，可以匹配高強度材料螺栓的抗剪能力。

圖12所示的高抗剪抽芯鉚釘的釘套的製造方法為：

步驟一，如圖14，使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用塑性好但強度低的材料加工出圓柱30，該圓柱在後續步驟中，會做成釘套上的用來形變的部位26-2；使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用高強度材料加工出圓柱29，該圓柱29在後續步驟中，會做成釘套26上的與芯杆25頭部接觸的非形變部位26-1；使用傳統的機加或鐓壓的方式，使用高強度材料加工出短釘體31，短釘體31的長度加上低強度材料圓柱30的軸向長度再加上高強度材料圓柱29的軸向長度略大於最後成品釘套26的長度。

步驟二，通過慣性摩擦焊接的方式，將第一步得到的圓柱29、圓柱30和短釘體31依次焊接在一起。摩擦焊接的方法是依靠摩擦焊機，使得要焊合的兩個零件中的一個或兩個高速自轉，然後讓兩個零件同軸接觸，接觸處會摩擦生熱，使得接觸處達到熱塑性的狀態，進而壓焊在一起。焊接時，要保證焊接部位的金屬表面乾淨無汙染，保證零件間的同軸度。在焊接中，通過調整轉速和壓力值，使得每次焊接後的兩零件軸向總長度收縮值(mm)同其杆部直徑(mm)的乘積值為6。

步驟三，通過機加或衝裁的方式將焊接瘤去除，並通過機加的方式加工出貫通孔，使得焊接後的實心釘體變成空心的釘套26。

步驟四，通過熱處理去除焊接應力。

以上所述僅為本發明創造的較佳實施例而已，並不用以限制本發明創造，凡在本發明創造的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明創造的保護範圍之內。