環(huán)槽鉚釘套環(huán)對連接強度影響研究

王 利，代英男，康 銘，張德偉，楊 宇

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁及鋁合金具有密度低、比強度高、成形加工性能好、可再生重復回收利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，備受人們的重視，被公認為汽車輕量化的理想材料[1-2]。鋁合金客車車身設(shè)計時要求連接部位具有較高的承載能力，傳統(tǒng)的鋁合金焊接工藝容易出現(xiàn)焊接裂紋、母材強度弱化和異種金屬不易連接等問題，而環(huán)槽鉚釘在客車鋁合金車身連接中具有操作方便、效率高、抗震性好、強度高、無熱影響及工作環(huán)境友好等優(yōu)點，因此被廣泛采用[3-4]。《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定LMTP套環(huán)和LMTF套環(huán)均可與LMC鉚釘配合使用，但是對于各自鉚接后的強度分析尚無數(shù)據(jù)。

本文選取《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定的LMC頭型鉚釘，分別與LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套環(huán)鉚接配合，通過分析軸向拉脫力和剪切力對比不同類型套環(huán)對鉚接強度的影響。

1 環(huán)槽鉚釘分類及鉚接原理

通常一個完整的環(huán)槽鉚釘鉚接結(jié)構(gòu)由被連接件、環(huán)槽鉚釘和套環(huán)組成。根據(jù)《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》規(guī)定，常用的環(huán)槽鉚釘根據(jù)頭型和鉚接的方式不同，可以分為LMY、LMP和LMC三種形式，與LMY、LMP和LMC環(huán)槽鉚釘配合的套環(huán)共有LMTP、LMTF和LMTH三種形式。

在開展鉚接作業(yè)時，需要根據(jù)鉚接厚度和連接強度要求選取不同規(guī)格的鉚釘，并在被連接件開設(shè)連接孔，將環(huán)槽鉚釘穿入連接孔后將套環(huán)套在環(huán)槽鉚釘桿部，再采用專用鉚釘槍將環(huán)槽尾部抓牢，將套環(huán)壓入鉚釘環(huán)形溝槽上并拉斷鉚釘。鉚接原理主要是通過對鉚釘?shù)睦贡贿B接件相互擠壓在一起，同時套環(huán)在鉚釘?shù)姆忾]槽區(qū)域內(nèi)變形，套環(huán)光滑內(nèi)壁被擠壓到鉚釘環(huán)槽內(nèi)形成互鎖，使鉚釘、套環(huán)和被連接件成為一體。環(huán)槽鉚釘應(yīng)用示例見圖1。

圖1 環(huán)槽鉚釘應(yīng)用示例

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

軸向拉脫試驗采用LMC-T8-28-G鉚釘，直徑為φ8 mm，允許鉚接厚度范圍27～30.2 mm；剪切試驗采用LMC-T8-10-G鉚釘，直徑為φ8 mm，允許鉚接厚度范圍7.9～11.1 mm。LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套環(huán)可與直徑φ8 mm鉚釘配合使用，鉚釘和套環(huán)材質(zhì)均為鋼，鉚釘和套環(huán)出廠檢驗各項指標符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》。

2.2 試驗方法

試驗采用HUCK 256鉚槍完成鉚接，鉚接過程中鉚槍需與面板保持垂直，無傾斜。鉚釘插入釘孔進行拉鉚時，鉚釘頭與表面平齊，不能凸出和凹進，不能歪斜或有間隙。LMC-T8-28-G鉚接軸向拉脫試板總厚度28 mm，LMC-T8-10-G鉚接剪切試板總厚度10 mm。參考GB/T 3098.18—2004《緊固件機械性能盲鉚釘試驗方法》開展力學試驗，鉚接后的產(chǎn)品如圖2所示[5]。

(a)LMTP套環(huán)軸向拉脫;(b)LMTF套環(huán)軸向拉脫;(c)LMTP套環(huán)剪切;(d)LMTF套環(huán)剪切

共制備LMC-T8-28-G 軸向拉脫接頭20件，其中LMC鉚釘與LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套環(huán)配合的軸向拉脫接頭各10件，分別標記為1#～10#；同樣制備LMC-T8-10-G 剪切接頭10件，其中LMC鉚釘與LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套環(huán)配合的剪切接頭各5件，分別標記為1#～5#。采用電子萬能拉伸試驗機對軸向拉脫接頭和剪切接頭施加載荷直至接頭破壞，加載速度為7 mm/s，記錄破壞時的載荷值。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 配合不同套環(huán)鉚接性能對比

軸向拉脫力測試結(jié)果見表1和表2，LMTF、LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合均符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》技術(shù)要求，但LMTF套環(huán)與LMC鉚釘配合后的軸向拉脫力明顯高于LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合的軸向拉脫力，鉚釘與LMTF套環(huán)、LMTP套環(huán)配合后的剪切力基本接近，剪切力測試結(jié)果見表3、表4、圖3和圖4。

表1 與LMTF套環(huán)配合軸向拉脫力

表2 與LMTP套環(huán)配合軸向拉脫力

表3 與LMTF套環(huán)配合剪切力

表4 與LMTP套環(huán)配合剪切力

3.2 數(shù)值模擬分析

利用Catia軟件及環(huán)槽鉚釘鉚接過程建立三維模型，根據(jù)軸對稱特點對鉚接模型進行對稱分析，得出如圖5所示的載荷-位移曲線及受力云圖。從曲線圖中分析可知，配合LMTF型套環(huán)的環(huán)槽鉚釘軸向承載能力優(yōu)于配合LMTP型套環(huán)的環(huán)槽鉚釘，與軸向拉脫試驗結(jié)果相吻合。分析原因為環(huán)槽鉚接承載能力主要是徑向抗膨脹能力和軸向抗剪切能力，在嚙合部分相同的情況下，其承載能力主要取決于套環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，LMTF型套環(huán)在徑向增加了加強結(jié)構(gòu)，提高了徑向抗膨脹能力從而提升了承載能力，同時在承受相同軸向拉脫載荷時LMTF型套環(huán)引起的應(yīng)變均勻，LMTP型套環(huán)與被連接件貼合處應(yīng)變較大，因此更容易發(fā)生開裂失效。所以LMTP套環(huán)與LMC鉚釘配合后的軸向拉脫力低于LMTF套環(huán)與LMC鉚釘配合的軸向拉脫力[6]。

圖3 軸向拉脫載荷

圖4 剪切載荷

3.3 結(jié)果討論

根據(jù)《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》的規(guī)定，LMTP-T8-G套環(huán)高度8.85～9.65 mm，LMTF-T8-G套環(huán)高度10.01～10.83 mm，但是LMTF-T8-G鉚釘法蘭面內(nèi)孔倒角1.58～2.39 mm，導致可供連接的有效高度為7.62～9.25 mm。兩種套環(huán)鉚接后與鉚釘配合部分承載面積接近，但是由于LMTF套環(huán)具有的法蘭面使其在與被鉚接件貼合部分具有更大的承載面積，承受相同軸向載荷時表現(xiàn)出更大的承載能力，LMTF套環(huán)軸向拉脫力平均值高于LMTP套環(huán)軸向拉脫力平均值6%，而剪切力基本相同，因此在承受較大軸向載荷的應(yīng)用場合，選擇LMTF 套環(huán)安全系數(shù)更高[7]。

(a)載荷曲線;(b)受力云圖

4 結(jié)論

1)采用LMTP套環(huán)、LMTF套環(huán)分別和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強度和剪切強度均符合《鐵路貨車專用拉鉚釘及鉚接技術(shù)條件》；

2)LMTF套環(huán)和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強度高于LMTP套環(huán)和LMC鉚釘配合的鉚接接頭軸向拉脫強度。

3)承受較大軸向載荷的應(yīng)用場合，推薦選用LMTF套環(huán)。