CN108518397A - 一种高温环境使用的钛合金铆钉及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温环境使用的钛合金铆钉，包括钉杆，套接在其上的钉套，钉套的一端与钉杆的端部相接触，在钉套的另一端设有凸起的挡圈，在挡圈区域的内孔设有锥度，在铆钉杆上钉套的另一端还依次套接有卡簧；在钉杆上开设有拉断槽和卡簧卡槽，铆接后的卡簧楔入在卡簧卡槽内；其特征在于：所述钉杆为耐蚀不锈钢材质；所述钉套为高温钛合金材料制成的钉套；所述卡簧为钛合金材料制成的卡环。本发明还公开了高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法；本发明在满足高温下的强度要求的同时，具有较低的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及铆接装置技术领域，具体涉及一种高温环境使用的钛合金铆钉其制作方法。
背景技术
在机械行业(如航空、航天、船舶、高铁、民航)中需要大量使用紧固件的机械连接方法来组成零件，各类铆钉组件被大量使用，通常在以往铆钉的使用中，因普通铆钉使用温度原因，无法在高温环境下长期使用；这里所说的高温环境是指高于300℃的使用环境。
为满足高温状态下的强度需要，常会选用钛合金制作铆钉和钉套；而钛合金强度过高难以发生形变，所以还需要对钛合金钉套进行局部热处理，以改变形变部分的力学性能，从而实现局部塑性变形。但是局部热处理工艺极为繁琐，加之钉套尺寸小、壁薄、传热快，难以实现精确热处理，且成本较高、成功率非常低，无法实现标准规格化生产。
申请号为201210276835.0的中国专利中，采用纯钛制作钉套，采用高强度钛合金制作铆钉杆，使形变部分在铆接过程中成功发生塑性变形。但是纯钛的强度不够，承载能力低，所以该方法将铆钉杆(即铆钉钉芯)留在了钉套内，以便提高该铆钉的强度。但如此一来，额外的钛合金消耗，使得生产成本就大大的增加。
发明内容
本发明意在提供一种高温环境使用的钛合金铆钉，在满足高温下的强度要求的同时，具有较低的生产成本。
高温环境使用的钛合金铆钉，包括钉杆，套接在其上的钉套，钉套的一端与钉杆的端部相接触，在钉套的另一端设有凸起的挡圈，在挡圈区域的内孔设有锥度，在铆钉杆上钉套的另一端还依次套接有卡簧；在钉杆上开设有拉断槽和卡簧卡槽，铆接后的卡簧楔入卡簧卡槽内；
所述钉杆为耐蚀不锈钢材质；所述钉套为高温钛合金材料制成的钉套；所述卡簧为钛合金材料制成的卡环。
高温钛合金以其优良的热强性和高比强度，在航空发动机上获得了广泛的应用。高温钛合金主要用在航空发动机的风扇、压气机中，如压气机盘、叶片、导航仪、连接环等。高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展，使用温度逐步提高，从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的400℃提高到了以IMI834合金为代表的600℃。典型的钛合金牌号及其主要技术指标如下表所示。
表1典型高温钛合金的主要技术指标
本发明的钉套选用高温钛合金作为材料，这样使其具有重量轻、抗剪强度高的等特点，特别是在高温环境下同样可以保持极高的强度；由于钉杆的用料要大大高于钉套，钉杆采用耐蚀不锈钢材质降低了生产成本，由于钉套本身已经采用了高强度的钛合金，所以本发明整体的强度不会降低，并且在高温环境下的性能更加的好，同时也满足了耐腐蚀的要求。
本发明的另一目的提供一种高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法，
钛合金铆钉包括钉套，所述钉套的加工方法，包括以下步骤：
1)取牌号为Ti-1100的钛合金原材料改制为设计要求对应强度的丝材；
2)用切断机将所述丝材切制为制作钉套的坯料；
3)精磨所述坯料的外径；
4)将精磨后的坯料按照设计尺寸镦制成型；
5)将已镦制成型的钉套进行时效强化至强度大于等于1300Mpa；
6)车削出经时效强化的钉套的端面槽、外圆及平面；
7)对车削后的钉套进行去毛刺处理；
8)对去毛刺后的钉套进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
9)对挤压后的钉套进行阳极氧化表面处理。
此方案采用了可以在600度高温下保持强度的Ti-1100钛合金，采用拉丝改制，使得该钛合金原材料从退火态变为单相拉拔态，虽然硬度有所降低，但具有更高的强度，也利于后续热处理对钛合金进行强化；再通过镦制成型后，得到满足强度要求的钉套；最后通过时效强化，钛合金过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高钉套合金强度至1300Mpa；在经过车削，去毛刺等机加工工序后，再利用挤压强化，消除机加工对材料的影响，并保证产品的各项指标达到设计要求，产品在400度的使用环境中仍可保持着连接板间的使用强度。最后进行的阳极氧化表面处理，则提高了钉套的耐腐蚀能力。
进一步，钛合金铆钉还包括钉杆，所述钉杆的加工方法包括以下步骤：
1)取牌号为15-5PH的不锈钢原材料；
2)对所述不锈钢原材料进行表面镀铜润滑；
3)将镀铜润滑后的材料改制为设计要求对应强度的丝材；
4)用切断机将所述丝材切制为制作钉杆的坯料；
5)精磨所述坯料的外径；
6)将精磨后的坯料按照设计尺寸镦制成型；
7)将已镦制成型的钉杆进行时效强化至强度大于等于1200Mpa；
8)根据设计的尺寸车削出经时效强化的钉杆的拉断槽、卡簧卡槽、外圆及平面；
9)对车削后的钉杆进行去毛刺处理；
10)对去毛刺后的钉杆进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
11)对挤压后的钉杆进行钝化表面处理。
此方案采用了15-5PH的不锈钢原材料，具有极好的耐腐蚀能力，经润滑、拉丝改制、切制、精磨、镦制成型，而后通过时效强化，提高钉杆强度至1200Mpa；在经过车削，去毛刺等机加工工序后，再利用挤压强化，消除机加工对材料的影响，并保证产品的各项指标达到设计要求；最后进行的钝化表面处理，在钉杆表面形成钝化膜，从而提高了钉杆的耐腐蚀能力。
进一步，钛合金铆钉还包括卡簧，所述卡簧的加工方法包括以下步骤：
1)取钛合金棒料按规格长度制成制作卡簧的坯料；
2)对所述坯料进行机加工成型；
3)对成型后的卡簧进行阳极氧化表面处理。
使得卡簧也具有高强度和耐腐蚀的性能。
进一步，在所述钉套的加工方法中，步骤2)之前还包括，对所述钛合金原材料进行表面润滑的步骤。
保证材料在拉制成丝材时表面不被划伤。
进一步，钛合金铆钉的组装方法包括以下步骤。
1)将钉杆装入钉套内；
2)再将卡簧装入钉套内对应于钉杆上卡簧卡槽的位置；
3)对钉杆杆部靠近卡簧处滚齿。
防止卡簧在本发明用铆接前，从钉杆上滑出，造成各部件的分离。
附图说明
图1为本发明实施例一种高温环境使用的钛合金铆钉的用于铆接夹层板时的剖视图。
图2为本发明实施例中的切断机的剖视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：钉杆1、钉套2、卡簧3、第一夹层板4、第二夹层板5；
工作台200、第一竖直齿条201、第一压板202、第一支撑杆203、第一齿轮204、第一压杆205、出气管206、出液管207、切断刀头208、驱动板209。
本实施例中的高温环境使用的钛合金铆钉，包括钉杆1，套接在钉杆1上的钉套2，钉套2的一端与钉杆1的端部相接触，在钉套2的另一端设有凸起的挡圈，在挡圈区域的内孔设有锥度，在铆钉杆1上钉套2的另一端还依次套接有卡簧3；在钉杆1上开设有拉断槽和卡簧卡槽，铆接后的卡簧3楔入卡簧卡槽内；钉杆1为耐蚀不锈钢材质，牌号15-5PH；所述钉套2为高温钛合金材料制成的钉套2，合金牌号Ti-1100；所述卡簧3为钛合金材料制成的卡环，合金牌号Ti-1100。
本实施例用于铆接时，如图1所示：在铆接前需先在被铆接的第一夹层板4和第二夹层板5；上开相应直径的通孔，且在第一夹层板4一端需进行扩孔，扩孔的大小与深度与钉套2上的挡圈相匹配；完成上述工序后就可将本实施例安装在铆接枪上，并将其插入到开设的通孔内。
在用铆接枪拉钉杆1时，钉套2这样在受挤压力的情况下，钉套2伸出铆接物区域就会发生弯曲变形，其变形点根据力学特性处于伸出区域的中点位置。此时铆接套2伸出区域已经对折且贴合在一起，完成最大形变量，其贴合形成的凸起及挡圈分别位于被铆接物的两边，已经能实现铆接固定。再将卡簧3楔入卡簧卡槽内，这样可以实现钉杆1的定位，因钉杆1位于铆接套2内，这样可以提高本抽芯铆钉的强度。此时将铆钉杆1的尾部于拉断槽处断裂，钉杆1的端面与被铆接物的端面齐平。
所述钉套2的加工方法，包括以下步骤：
1)取牌号为Ti-1100的钛合金原材料改制为设计要求对应强度的丝材，在此之前对所述钛合金原材料进行表面润滑，润滑剂为石墨润滑剂；
2)清洗掉丝材上的石墨石墨润滑剂，用切断机将所述丝材切制为制作钉套2的坯料；
3)用磨床精磨所述坯料的外径；
4)将精磨后的坯料按照设计尺寸通过温镦机镦制成型；
5)将已镦制成型的钉套2进行时效强化至强度大于等于1300Mpa；
6)操作车床，车削出经时效强化的钉套2的端面槽、外圆及平面；
7)利用去毛刺刷对车削后的钉套2进行去毛刺处理；
8)对去毛刺后的钉套2进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
9)对挤压后的钉套2进行阳极氧化表面处理。
进一步，所述钉杆1的加工方法包括以下步骤：
1)取牌号为15-5PH的不锈钢原材料；
2)对所述不锈钢原材料进行表面镀铜润滑；
3)将镀铜润滑后的材料用改制为设计要求对应强度的丝材；
4)用切断机将所述丝材切制为制作钉杆1的坯料；
5)用磨床精磨所述坯料的外径；
6)将精磨后的坯料按照设计尺寸采用冷镦机镦制成型；
7)将已镦制成型的钉杆1进行时效强化至强度大于等于1200Mpa；
8)操作车床，根据设计的尺寸车削出经时效强化的钉杆1的拉断槽、卡簧卡槽、外圆及平面；
9)对车削后的钉杆1用去毛刺刷进行去毛刺处理；
10)对去毛刺后的钉杆1进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
11)对挤压后的钉杆1进行钝化表面处理。
卡簧3的加工方法，该方法包括以下步骤：
1)取钛合金棒料按规格长度制成制作卡簧3的坯料；
2)对所述坯料进行机加工成型，形成卡环；
3)对成型后的卡簧3进行阳极氧化表面处理。
使得卡簧3也具有高强度和耐腐蚀的性能。
本实施例的组装方法包括以下步骤
1)将钉杆1装入钉套2内；
2)再将卡簧3装入钉套2内对应于钉杆1上卡簧卡槽的位置；
3)对钉杆1杆部靠近卡簧3处滚齿。
防止卡簧3在本发明用铆接前，从钉杆1上滑出，造成各部件的分离。
钉套2采用了可以在600度高温下保持强度的Ti-1100钛合金，采用拉丝改制，使得该钛合金原材料从退火态变为单相拉拔态，虽然硬度有所降低，但具有更高的强度，也利于后续热处理对钛合金进行强化；再通过镦制成型后，得到满足强度要求的钉套2；最后通过时效强化，钛合金过饱和固溶体分解，合金元素以一定方式析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高钉套2合金强度至1300Mpa；在经过车削，去毛刺等机加工工序后，再利用挤压强化，消除机加工对材料的影响，并保证产品的各项指标达到设计要求；最后进行的阳极氧化表面处理，则提高了钉套2的耐腐蚀能力。
钉杆1采用了15-5PH的不锈钢原材料，具有极好的耐腐蚀能力，经润滑、拉丝改制、切制、精磨、镦制成型，而后通过时效强化，提高钉杆1强度至1200Mpa；在经过车削，去毛刺等机加工工序后，再利用挤压强化，消除机加工对材料的影响，并保证产品的各项指标达到设计要求；最后进行的钝化表面处理，在钉杆1表面形成钝化膜，从而提高了钉杆1的耐腐蚀能力。
而在上述过程中，将所述丝材切制为制作钉套2或钉杆1的坯料的步骤利用切断机完成，如图2所示，切断机的夹紧装置位于切断刀头208的正下方的工作台200上,夹紧装置包括组件包括第一竖直齿条201,第一竖直齿条201的上端伸出工作台200，第一竖直齿条201的下端伸入工作台200内的空腔中,第一竖直齿条201能上下移动并与第一齿轮204啮合,空腔的侧壁抵住第一竖直齿并与之滑动配合，以保证第一竖直齿条201与第一齿轮204始终啮合；第一齿轮204通过其中心的转轴转动连接在空腔的侧壁上,还通过复位扭簧与该侧壁连接。
第一竖直齿条201的上端并铰接有第一压杆205的一端,第一压杆205的中段被第一支撑杆203支撑在工作台200上，同时，第一压杆205的中断开有条形孔，第一支撑杆203的上端设有伸入该条形孔的栓柱，该栓柱与条形孔滑动配合；当第一压杆205铰接在第一竖直齿条201上的一端随第一竖直齿条201上下移动时，栓柱在条形孔内滑动，同时第一压杆205绕栓柱的轴向转动；
第一竖直齿条201开始向下移动时，第一压杆205与第一压板202相抵，第一压板202下端滑动配合在第一滑槽内，于是在第一压杆205的推动下第一压板202开始移动。
工作台200上，绕工作位置的中线，左右对称的还设有第二竖直齿条、第二齿轮、复位弹簧、第一压杆205、第二压板和第二滑槽；第一压板202和第二压板则用于夹紧丝材，以避免被切断的丝材弹飞或窜动；为了不损伤丝材表面，第一压板202和第二压板的夹紧面上都设有硅胶层，硅胶层的摩擦系数较大，也能防止被切断的丝材表面相对于夹紧面滑动，进一步减少丝材表面被划伤的可能性。
此外，夹紧装置依靠切断刀头208下移的动力来驱动；
随切断刀头208一同下移的还有驱动板209，当切断刀头208与工件接触时，驱动板209同时与第一竖直齿条201和第二竖直齿条的上端接触，随着切断刀头208和移动板的继续下降，第一竖直齿条201和第二竖直齿条也向下移动；
在第一压杆205指向第一压板202的端部设置有能被第一压板202压缩的气囊，气囊连通出气管206，出气管206的出气口对丝材的切口处；
在第二压杆指向第一压板202的端部设置有能被第二压板压缩的润滑液囊，润滑液囊连通出液管207，出液管207的出液口对准丝材的中部；
本实施例利用气缸带动切断刀头208和驱动板209上下移动，当切断刀头208下移到与丝材接触时，驱动板209也与第一竖直齿条201和第二竖直齿条接触；随着切断刀头208和驱动板209的继续下移，第一竖直齿条201和第二竖直齿条分别通过第一压杆205和第二压杆推动第一压板202和第二压板，使得丝材在被切断的过程中，被第一压杆205和第二压杆夹紧；而且，在压紧的过程中，气囊压缩出气，将待切断的丝材上的金属碎屑吹去，避免碎屑冲压后原料表面出现损伤，润滑液囊压缩喷出润滑液保护丝材，使其在下料时也不容易被划伤。
由于与齿条啮合，第一齿轮204和第二齿轮在齿条下移时发生转动，使得与之连接的复位扭簧储能，完成切断后，切断刀头208和驱动板209回升，复位弹簧通过第一齿轮204和第二齿轮分别驱动第一齿条和第二齿条复位，第一压板202和第二压板失去压紧力后松开被切断的丝材，进而进行下料和再次上料；本实施例中的上料和下料是直接移动余下的丝材顶走已被切下的丝材，被切下的丝材则通过一滑道滑入收集装置内，由于被喷上了润滑剂，丝材在滑动的过程中不易被划伤。
本实施例的钉套2选用高温钛合金作为材料，这样使其具有重量轻、抗剪强度高的等特点，特别是在高温环境下同样可以保持极高的强度；由于钉杆1的用料要大大高于钉套2，钉杆1采用耐蚀不锈钢材质降低了生产成本，由于钉套2本身已经采用了高强度的钛合金，所以本发明整体的强度不会降低，并且在高温环境下的性能更加的好，产品在400度的使用环境中仍可保持着连接板间的使用强度，同时也满足了耐腐蚀的要求。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.一种高温环境使用的钛合金铆钉，包括钉杆，套接在其上的钉套，钉套的一端与钉杆的端部相接触，在钉套的另一端设有凸起的挡圈，在挡圈区域的内孔设有锥度，在铆钉杆上钉套的另一端还依次套接有卡簧；在钉杆上开设有拉断槽和卡簧卡槽，铆接后的卡簧楔入卡簧卡槽内；
其特征在于：所述钉杆为耐蚀不锈钢材质；所述钉套为高温钛合金材料制成的钉套；所述卡簧为钛合金材料制成的卡环。
2.一种高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法，其特征在于：钛合金铆钉包括钉套，所述钉套的加工方法，包括以下步骤：
1)取牌号为Ti-1100的钛合金原材料改制为设计要求对应强度的丝材；
2)用切断机将所述丝材切制为制作钉套的坯料；
3)精磨所述坯料的外径；
4)将精磨后的坯料按照设计尺寸镦制成型；
5)将已镦制成型的钉套进行时效强化至强度大于等于1300Mpa；
6)车削出经时效强化的钉套的端面槽、外圆及平面；
7)对车削后的钉套进行去毛刺处理；
8)对去毛刺后的钉套进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
9)对挤压后的钉套进行阳极氧化表面处理。
3.根据权利要求2所述的高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法，其特征在于：钛合金铆钉还包括钉杆，所述钉杆的加工方法包括以下步骤：
1)取牌号为15-5PH的不锈钢原材料；
2)对所述不锈钢原材料进行表面镀铜润滑；
3)将镀铜润滑后的材料改制为设计要求对应强度的丝材；
4)用切断机将所述丝材切制为制作钉杆的坯料；
5)精磨所述坯料的外径；
6)将精磨后的坯料按照设计尺寸镦制成型；
7)将已镦制成型的钉杆进行时效强化至强度大于等于1200Mpa；
8)根据设计的尺寸车削出经时效强化的钉杆的拉断槽、卡簧卡槽、外圆及平面；
9)对车削后的钉杆进行去毛刺处理；
10)对去毛刺后的钉杆进行挤压强化至各性能指标达到设计要求；
11)对挤压后的钉杆进行钝化表面处理。
4.根据权利要求2所述的高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法，其特征在于：钛合金铆钉还包括钉套卡簧，所述卡簧的加工方法包括以下步骤：
1)取钛合金棒料按规格长度制成制作卡簧的坯料；
2)对所述坯料进行机加工成型；
3)对成型后的卡簧进行阳极氧化表面处理。
5.根据权利要求2所述的高温环境使用的钛合金铆钉，其特征在于：在所述钉套的加工方法中的步骤1)之前还包括，对所述钛合金原材料进行表面润滑的步骤。
6.根据权利要求2所述的高温环境使用的钛合金铆钉的制作方法，其特征在于：钛合金铆钉的组装方法包括以下步骤。
1)将钉杆装入钉套内；
2)再将卡簧装入钉套内对应于钉杆上卡簧卡槽的位置；
3)对钉杆杆部靠近卡簧处滚齿。
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