CN106246679B - 高抗剪抗拉抽芯铆钉及其钉套的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供一种高抗剪抗拉抽芯铆钉及其钉套的制造方法，在标准抽芯铆钉的结构上，包括如下改动：将钉套采用至少两种材料制成，所述钉套的杆部待变形部位由所述两种材料中的第一种材料制成，所述钉套的杆部非待变形部位由所述两种材料中的第二种材料制成，所述第一种材料的强度小于所述第二种材料的强度。本发明创造具有更高的抗剪抗拉能力。
Description
技术领域
本发明创造属于紧固件设计和制造技术领域，尤其涉及一种具有更高抗剪抗拉性能的抽芯铆钉及其钉套的制造方法。
背景技术
航空航天等高端装备在结构方面一般都设计的较为紧凑，这些设计紧凑的结构件连接安装空间都较为狭小，普通螺栓螺母类紧固件由于其需要进行双面安装，不能胜任这些场合的安装要求。因此，在这些狭小的空间处，一般都选用单面安装的紧固件，即抽芯铆钉。一般抽芯铆钉在结构上包括芯杆、钉套和其他配件，为了实现紧固的功能，需要在安装过程中让钉套变形，因此钉套的材料均选择塑性好但强度较低的材料，由此导致抽芯铆钉的抗剪能力普遍小于同直径规格的高强度螺栓，且抽芯铆钉的抗拉性能也较低。
申请号为201410299271.1的发明专利，提出了一种通过粉末热压烧结的方式制作的钛抽芯铆钉钉套。但是该发明的铆钉套仍然具有很多的缺陷，具体为：1、或多或少，粉末热压烧结得到的金属制品内部总有细微空隙；2、一般粉末热压烧结制品的强度比相应锻件或铸件要低；3、只解决了一些类型的钛抽芯铆钉的问题，未解决其它材料其它类型抽钉问题；4、压制成形所需的压强高，因而对设备能力要求高；5、压模成本高；6、我国在粉末热压烧结行业的整体技术水平偏低，装备落后。
发明内容
本发明创造为解决现有技术中的问题，提供了一种抽芯铆钉及其钉套的制造方法，具有更高的抗剪抗拉能力。
本发明创造提供的抽芯铆钉，在标准抽芯铆钉的结构上，包括如下改动：将钉套采用至少两种材料制成，所述钉套的杆部待变形部位由所述两种材料中的第一种材料制成，所述钉套的杆部非待变形部位由所述两种材料中的第二种材料制成，所述第一种材料的强度小于所述第二种材料的强度。
其中，所述标准抽芯铆钉是指由芯杆、钉套及其他配件组成的，由钉套承担主要变形作用的，由国内外国家级标准、行业级标准或企业级标准已经规定的抽芯铆钉类产品。
其中，所述钉套的杆部待变形部位一般是在铆接过程中于安装孔外侧形成鼓包变形的变形段，采用强度较低塑性较好的第一种材料做成，能够便于变形段发生在安装过程中产生鼓包变形，降低安装驱动力和阻力，提高被安装件的安全性，并提高铆接稳定效果；所述钉套的杆部非待变形部位中，铆接后位于安装孔内的部分将承载剪切力，采用强度较高的第二种材料做成，能够提高抽芯铆钉的抗剪抗拉性能，对铆接的整体稳定性也具有良好影响。
进一步，所述钉套的分别由所述第一种材料和第二种材料制成的不同部位以焊接的方式连接在一起。焊接的连接方式能够保证所述钉套不同部位的连接强度，为了使不同材料构成的不同部位发挥其应有的作用，控制上述焊接部位焊接质量，使得钉套的变形过程中不会在焊接部位发生断裂，造成零件报废和紧固失败。
进一步，所述抽芯铆钉还包括如下改动：保证所述钉套杆部外径不变，将所述钉套的壁厚调整为原来的1.1-2.5倍，将所述芯杆的外径及其他配件的尺寸根据所述钉套壁厚的调整做匹配调整。增大的壁厚提高了铆钉安装端的抗拉能力，同时有利于钉套变形段的鼓包更为厚实，进一步增大抽芯铆钉盲端的抗拉能力；但同时增大的壁厚也容易造成芯杆过细，不利于产品抗剪能力的提升，同时变形驱动力不足，虽然两种不同材料在所述钉套的杆部的使用削弱了芯杆变细对抗剪能力带来的不利影响，但仍需对壁厚的尺寸进行适当控制，以使产品的抗拉和抗剪能力能够同时达到最优状态。
进一步，所述抽芯铆钉还包括如下改动：将芯杆头部提供铆接轴向驱动力的驱动结构的轴向尺寸调整为原来的1.1-3倍。所述芯杆头部提供铆接轴向驱动力的驱动结构是指与钉套接触并向钉套传递变形驱动力的结构部分，一般为芯杆头部的圆台，该结构的尺寸调整弥补了芯杆过细可能造成的变形驱动力不足。
进一步，所述钉套的杆部待变形部位为自所述钉套尾部端面(与所述芯杆头部靠近的一端)向内延伸的变形段，或优选的所述钉套的杆部待变形部位为自靠近所述钉套尾部端面的内部向内延伸的变形段。当所述钉套的杆部待变形部位为自靠近所述钉套尾部端面的内部向内延伸的变形段时，即该变形段不起始于所述钉套的尾部端面，此时自所述钉套的尾部端面起至该变形段的端部可以形成一小段由高强度的第二种材料制成的尾部支撑段，该尾部支撑段能够在安装过程中良好地承载和传递芯杆头部的驱动结构施加的驱动力，有助于变形段的顺利变形。
本发明还提供了本案抽芯铆钉的钉套的制备方法，包括下述步骤：
(1)采用第一种材料制成目标钉套的杆部待变形部位的变形段圆环，采用第二种材料制成目标钉套的其他环形段；
(2)使用焊接的方式将变形段圆环和其他环形段连接在一起形成整个钉套的结构；
(3)通过机加或冲裁的方式去除掉焊接瘤。
进一步，所述焊接过程中，控制焊接部位焊接前后的轴向长度收缩量为0.3-1.5mm，使得焊接后钉套的焊接连接能够达到需要的强度。
进一步，所述步骤(2)中，所述焊接为惯性摩擦焊接或激光焊接。其中，所述惯性摩擦焊接是依靠摩擦焊机，使得要焊合的两个零件中的一个或两个高速自转，然后让两个零件同轴接触，接触处会摩擦生热，使得接触处达到热塑性的状态，进而压焊在一起；所述激光焊接是使得要焊合的两个零件的接触处出现熔融后再凝固，将两者焊接在一起。
进一步，所述激光焊接中，激光开始加热到激光结束加热的时间段内，两个零件保持同步旋转，且控制在旋转4圈以上。
进一步，所述步骤(3)后还包括通过热处理去除焊接应力的处理步骤。
本发明还提供了另一种本案抽芯铆钉的钉套的制备方法，包括下述步骤：
(1)采用第一种材料制成目标钉套的杆部待变形部位的变形段圆柱，采用第二种材料制成目标钉套的其他圆柱段和/或圆锥段；
(2)使用焊接的方式将变形段圆柱和其他圆柱段和/或圆锥段连接在一起形成整个实心的钉套结构；
(3)通过机加或冲裁的方式去除掉焊接瘤；
(4)通过机加的方式加工钉套中心的出贯通孔。
进一步，所述焊接过程中，控制焊接部位焊接前后的轴向长度收缩量为0.3-1.5mm，使得焊接后钉套的焊接连接能够达到需要的强度。
进一步，所述步骤(2)中，所述焊接为惯性摩擦焊接或激光焊接。其中，所述惯性摩擦焊接是依靠摩擦焊机，使得要焊合的两个零件中的一个或两个高速自转，然后让两个零件同轴接触，接触处会摩擦生热，使得接触处达到热塑性的状态，进而压焊在一起；所述激光焊接是使得要焊合的两个零件的接触处出现熔融后再凝固，将两者焊接在一起。
进一步，所述惯性摩擦焊接中，控制焊接的轴向收缩尺寸(单位mm)同杆部直径(单位mm)的乘积值在范围在3～7内。该数值过小则会使焊接质量下降，过大会增大焊接难度和对焊接设备的要求，并会增加后续加工难度。
进一步，所述激光焊接中，激光开始加热到激光结束加热的时间段内，两个零件保持同步旋转，且控制在旋转4圈以上。
进一步，所述步骤(4)后还包括通过热处理去除焊接应力的处理步骤。
本发明创造的优势在于：一般技术和市场均很成熟的标准抽芯铆钉，承载剪切力是由低强度材料的钉套和高强度材料的芯杆共同承担，本发明的抽芯铆钉的承载剪切力的部位都是由高强度的材料来承担，所以在此主要改变钉套的材料结构和钉套的加工方式就使得抗剪和抗拉能力大为提升，一般抗剪和抗拉强度都能提升30％以上。通过本发明做出的钉套，在两种材料结合处，非常平整、致密和牢固，能够满足本发明抽芯铆钉的紧固需要。
附图说明
图1是航空上常用的一种抽芯铆钉的示意图；
图2是图1所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图3是本发明对图1结构改进后的抽芯铆钉；
图4是图3所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图5是另一种航空上用的抽芯铆钉的示意图；
图6是图5所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图7是本发明对图5结构改进后的抽芯铆钉；
图8是图7所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图9是图7的钉套在制造过程中的一种状态的示意图。
图10是航空航天常用的一种抽芯铆钉的示意图；
图11是图10所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图12是本发明对图10结构改进后的抽芯铆钉；
图13是图12所示抽芯铆钉在铆接安装后的示意图；
图14是图12的钉套在制造过程中的一种状态的示意图。
具体实施方式
下面通过结合附图对本发明创造进行进一步说明。
实施例一
图1是航空上常用的一种抽芯铆钉，是由CHERRY公司生产的标准号为CR3212规格为-5的抽芯铆钉。该型抽芯铆钉由芯杆1、钉套2、锁环3、顶片4共四个零件组成。芯杆由合金钢或不锈钢或其它的强度高的材料做成。钉套由铝合金或蒙乃尔合金或其它的低强度软材料做成。由图2看到，铆接安装于待安装件5、6后，该型抽芯铆钉承受剪切力是由低强度和高强度两种材料同时承受，因此可承载的剪切力相对较小。
图3是本发明对图1结构改进后的抽芯铆钉。该型抽芯铆钉仍然由芯杆7、钉套8、锁环9、顶片10共四个零件组成。但钉套8不再只是由低强度软材料做成，而是由高强度的短钉套8-1和低强度软材料的圆环8-2通过焊接方式结合在一起做成的。
在尺寸方面，钉套8杆部的外径不变，钉套8的壁厚加大到钉套2的壁厚1.2倍，相应地芯杆7的直径匹配减小；加大芯杆1头部的提供铆接轴向驱动力的圆环7-1的轴向尺寸为原来的1.4倍，这保证了铆接成形性能。锁环9的外径和内径以及顶片10的内孔尺寸也做了相应减小的匹配调整。
本发明的抽芯铆钉的铆接安装方式与之前的没有不同，但由铆接安装后的图4可以看出，抽芯铆钉承载剪切力全是由高强度材料承受，其能够承载的最大剪切力会远高于图2所示的情况。
图3中的钉套8的制造方法是：
步骤一，使用传统的机加或冲压的方式，使用塑性好但强度低的材料加工出圆环，该圆环在后续步骤中，会做成钉套8上的用来形变的部位；使用传统的机加或镦压的方式，使用强度高的材料加工出短钉套8-1，短钉套8-1的长度加上圆环的轴向长度略长于最后成品钉套8的长度。
步骤二，通过激光焊接的方式，将第一步得到圆环和短钉套8-1焊接在一起。激光焊接是使得圆环和短钉套8-1的接触处出现熔融后再凝固将两者焊接在一起。焊接时，要保证焊接部位的金属表面干净无污染，保证圆环和短钉套8-1的同轴度。激光焊接时，使得两个零件在激光对其加热的过程中保持同步旋转，其旋转速度是在激光开始加热到激光结束加热的时间段内零件旋转了8圈；焊接加热和冷却过程中，使得两零件之间持续保持着轴向的压力，调节该压力的大小和激光功率大小要保证焊接后零件的轴向长度收缩量为1mm。
步骤三，通过机加或冲裁的方式去除掉焊接瘤。
步骤四，通过热处理去除焊接应力。
实施例二
图5是另一种航空上用的由无锡安士达公司生产的抽芯铆钉。该型抽芯铆钉由芯杆11和钉套12共两个零件组成。芯杆由合金钢或不锈钢或其它的强度高的材料做成。钉套由铝合金或蒙乃尔合金或其它的低强度软材料做成。由图6看到，铆接安装于待安装件13、14后，该型抽芯铆钉承受剪切力是由低强度和高强度两种材料同时承受，因此可承载的剪切力相对较小。
图7是本发明对图5结构改进后的抽芯铆钉。该型抽芯铆钉仍然由芯杆15和钉套16共两个零件组成。但钉套16不再只是由低强度软材料做成，而是由高强度的短钉套16-1和低强度软材料的圆环16-2通过焊接方式结合在一起做成的。
在尺寸方面，钉套16的壁厚加大到钉套12的壁厚1.3倍，钉套16杆部的外径不变，相应地芯杆15的直径匹配减小；加大芯杆15头部的提供铆接轴向驱动力的圆环15-1的轴向尺寸为原来的1.5倍，这保证了铆接成形性能。
本发明的抽芯铆钉的铆接安装方式与之前的没有不同，但由铆接安装后的图8可以看出，抽芯铆钉承载剪切力全是由高强度材料承受，其能够承载的最大剪切力会远高于图6所示的情况。
图7中的钉套12的制造方法是：
步骤一，如图9，使用传统的机加或镦压的方式，使用塑性好但强度低的材料加工出圆柱18，该圆柱18在后续步骤中，会做成钉套16上的用来形变的部位；使用传统的机加或镦压的方式，使用强度高的材料加工出实心的短钉体17，该短钉体在后续步骤中，会做成成品钉套16上的不发生形变的部位，短钉体17的长度加上圆柱18的轴向长度略长于最后成品钉套16的长度。
步骤二，通过惯性摩擦焊接的方式，将第一步得到圆柱18和短钉体17焊接在一起。摩擦焊接的方法是依靠摩擦焊机，使得圆柱18或短钉体17高速自转，然后让圆柱18与短钉体17同轴接触，圆柱18与短钉体17摩擦生热，使得接触位置达到热塑性的状态，进而压焊在一起。焊接时，要保证焊接部位的金属表面干净无污染，保证圆柱18和短钉体17的同轴度。在焊接中，通过调整转速和压力值，使得圆柱18与短钉体17的轴向总长度收缩值(mm)同其杆部直径(mm)的乘积值为5。
步骤三，通过机加或冲裁的方式将焊接瘤去除，并通过机加的方式加工出贯通孔，使得焊接后的实心钉体变成空心的钉套16。
步骤四，通过热处理去除焊接应力。
实施例三
图10是航空航天上另一种常用的抽芯铆钉，是由CHERRY公司生产的标准号为CR7770规格为-6的抽芯铆钉。该型抽芯铆钉由芯杆19、钉套20、锁环21、推压衬套22共四个零件组成。其中的钉套20是由低强度材料做成，芯杆19由高强度材料做成。由图11看到，铆接安装于待安装件23、24后，从中看出该型抽芯铆钉承受剪切力是由低强度和高强度两种材料同时承受，因此可承载的剪切力相对较小。
图12是本发明对图10结构改进后的抽芯铆钉，由芯杆25、钉套26、锁环27和推压衬套28共四个零件组成。其中的芯杆25由高强度材料做成。钉套26由三种不同强度材料通过焊接方式结合在一起做成，从一端至另一端，依次为高强度材料做成的26-1、低强度材料做成的26-2、另一种高强度材料做成的26-3。
在尺寸方面，钉套26的壁厚加大到钉套20的壁厚1.5倍，钉套26杆部的外径不变，相应地芯杆25的直径匹配减小；加大芯杆头部25-1的轴向尺寸为原来芯杆头部19-1轴向尺寸的1.7倍，这保证了铆接成形性能。锁环27的外径和内径以及推压衬套28的内孔尺寸也做了相应减小。
其铆接安装后得到图13，从中看出，独特的高强度-低强度-高强度的三段结构，正好能够保证钉套发生局部鼓包变形，将被联接板夹紧，同时保证了芯杆头部没有挤入钉套内，保证了安装后的抽芯铆钉的轴向承载力。从图13中还能得到，该抽芯铆钉承受剪切力的部位均由高强度的材料做成，因此其可承载的剪切力值很高，可以匹配高强度材料螺栓的抗剪能力。
图12所示的高抗剪抽芯铆钉的钉套的制造方法为：
步骤一，如图14，使用传统的机加或镦压的方式，使用塑性好但强度低的材料加工出圆柱30，该圆柱在后续步骤中，会做成钉套上的用来形变的部位26-2；使用传统的机加或镦压的方式，使用高强度材料加工出圆柱29，该圆柱29在后续步骤中，会做成钉套26上的与芯杆25头部接触的非形变部位26-1；使用传统的机加或镦压的方式，使用高强度材料加工出短钉体31，短钉体31的长度加上低强度材料圆柱30的轴向长度再加上高强度材料圆柱29的轴向长度略大于最后成品钉套26的长度。
步骤二，通过惯性摩擦焊接的方式，将第一步得到的圆柱29、圆柱30和短钉体31依次焊接在一起。摩擦焊接的方法是依靠摩擦焊机，使得要焊合的两个零件中的一个或两个高速自转，然后让两个零件同轴接触，接触处会摩擦生热，使得接触处达到热塑性的状态，进而压焊在一起。焊接时，要保证焊接部位的金属表面干净无污染，保证零件间的同轴度。在焊接中，通过调整转速和压力值，使得每次焊接后的两零件轴向总长度收缩值(mm)同其杆部直径(mm)的乘积值为6。
步骤三，通过机加或冲裁的方式将焊接瘤去除，并通过机加的方式加工出贯通孔，使得焊接后的实心钉体变成空心的钉套26。
步骤四，通过热处理去除焊接应力。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种抽芯铆钉，在标准抽芯铆钉的结构上，包括如下改动：将钉套采用至少两种材料制成，所述钉套的杆部待变形部位由所述两种材料中的第一种材料制成，所述钉套的杆部非待变形部位由所述两种材料中的第二种材料制成，所述第一种材料的强度小于所述第二种材料的强度；所述钉套的分别由所述第一种材料和第二种材料制成的不同部位以焊接的方式连接在一起。
2.根据权利要求1所述的抽芯铆钉，其特征在于，所述抽芯铆钉还包括如下改动：保证所述钉套杆部外径不变，将所述钉套的壁厚调整为原来的1.1-2.5倍，将所述标准抽芯铆钉的与所述钉套匹配的芯杆的外径及其他配件的尺寸根据所述钉套壁厚的调整做匹配调整。
3.根据权利要求1所述的抽芯铆钉，其特征在于，所述抽芯铆钉还包括如下改动：将所述标准抽芯铆钉的与所述钉套匹配的芯杆头部提供铆接轴向驱动力的驱动结构的轴向尺寸调整为原来的1.1-3倍。
4.根据权利要求1所述的抽芯铆钉，其特征在于，所述钉套的杆部待变形部位为自所述钉套尾部端面向内延伸的变形段，或所述钉套的杆部待变形部位为自靠近所述钉套尾部端面的内部向内延伸的变形段。
5.权利要求1所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，包括下述步骤：
（1）采用第一种材料制成目标钉套的杆部待变形部位的变形段圆环，采用第二种材料制成目标钉套的其他环形段；
（2）使用焊接的方式将变形段圆环和其他环形段连接在一起形成整个钉套的结构；
（3）通过机加或冲裁的方式去除掉焊接瘤。
6.根据权利要求5所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，其特征在于，还包括下述一个或多个控制条件：
A．所述焊接过程中，控制焊接部位焊接前后的轴向长度收缩量为0.3-1.5mm；
B．所述步骤（2）中，所述焊接为惯性摩擦焊接或激光焊接；
C．所述步骤（3）后还包括通过热处理去除焊接应力的处理步骤。
7.根据权利要求5所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述焊接为激光焊接，所述激光焊接中，激光开始加热到激光结束加热的时间段内，两个零件保持同步旋转，且控制在旋转4圈以上。
8.权利要求1所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，包括下述步骤：
（1）采用第一种材料制成目标钉套的杆部待变形部位的变形段圆柱，采用第二种材料制成目标钉套的其他圆柱段和/或圆锥段；
（2）使用焊接的方式将变形段圆柱和其他圆柱段和/或圆锥段连接在一起形成整个实心的钉套结构；
（3）通过机加或冲裁的方式去除掉焊接瘤；
（4）通过机加的方式加工出钉套中心的贯通孔。
9.根据权利要求8所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，其特征在于，还包括下述一个或多个控制条件：
A．所述焊接过程中，控制焊接部位焊接前后的轴向长度收缩量为0.3-1.5mm；
B．所述步骤（2）中，所述焊接为惯性摩擦焊接或激光焊接；
C．所述步骤（4）后还包括通过热处理去除焊接应力的处理步骤。
10.根据权利要求8所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述焊接为惯性摩擦焊接，所述惯性摩擦焊接中，控制焊接的轴向收缩尺寸同杆部直径的乘积值在范围3~7内。
11.根据权利要求8所述的抽芯铆钉的钉套的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述焊接为激光焊接，所述激光焊接中，激光开始加热到激光结束加热的时间段内，两个零件保持同步旋转，且控制在旋转4圈以上。
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