铆钉、沿轴向同步均匀干涉的铆接结构及铆接工艺的制作方法

1.本公开涉及机械连接技术领域，具体而言，涉及一种铆钉、沿轴向同步均匀干涉的铆接结构及铆接工艺。


背景技术：

2.紧固孔是一种易产生局部应力集中的典型结构，在交变载荷作用下易产生疲劳裂纹，影响紧固孔的疲劳寿命，进而影响结构件的安全性、可靠性及使用寿命。
3.干涉疲劳强化的原理是在紧固件与基体的紧固孔之间形成一定的支撑力，使得孔周局部疲劳应力幅值降低，达到疲劳强化的目的。铆接是常见的紧固孔连接类型，通过在紧固孔上安装铆钉等紧固件来实现构件之间的连接。抽芯铆钉是一类单面铆接用的铆钉，传统的抽芯铆钉装配工艺采用拉铆枪牵拉钉芯，在整个牵拉过程中钉芯主体与铆体之间存在间隙，铆体与基体之间虽然有少量干涉配合，但沿孔轴向分布不均匀，不利于紧固孔疲劳寿命的提高。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于克服现有因传统铆钉装配时干涉配合效果差，导致紧固孔疲劳寿命低的缺陷，提供一种铆钉、沿轴向同步均匀干涉的铆接结构及铆接工艺。
6.根据本公开的一个方面，提供一种铆钉，包括铆体和钉芯，铆体为回转体结构，铆体包括设于铆体本体和与铆体本体同轴连接的铆体头部，铆体头部沿径向向远离铆体的轴心方向延伸，铆体沿其轴线方向设有贯穿铆体本体和铆体头部的锥形通孔；钉芯穿设于锥形通孔内，钉芯一端自铆体头部穿出，另一端被与铆体本体阻挡，钉芯至少部分与锥形通孔紧密接触，钉芯与锥形通孔的接触部为锥形，接触部与锥形通孔的锥度相同。
7.在本公开的一个实施例中，钉芯包括芯头和与同轴连接的芯杆，芯头的直径大于芯杆的直径，芯头的一部分作为芯头头部被铆体本体阻挡，另一部分作为接触部与锥形通孔接触，芯杆与接触部连接的一端位于锥形通孔内。
8.在本公开的一个实施例中，钉芯还包括连接段，连接段连接于芯头和芯杆之间，连接段的直径小于芯杆的直径。
9.在本公开的一个实施例中，连接段在铆钉轴线方向的投影位于铆体头部在铆钉轴线方向的投影内。
10.在本公开的一个实施例中，铆体为扁圆头铆体或沉头铆体。
11.根据本公开的另一个方面，提供一种沿轴向同步均匀干涉的铆接结构，包括待连接组件和本公开的一个方面的铆钉，待连接组件包括叠放在一起的至少两个待连接件，连接件分别设有紧固孔，不同连接件的紧固孔相互对准，铆钉穿过不同连接件的紧固孔，铆体头部与待连接组件的一侧紧密贴合，钉芯挤压铆体本体，使其形变形成限位部，限位部与待
连接组件的另一侧紧密贴合。
12.在本公开的一个实施例中，当铆体为扁圆头铆体时，铆体头部设于待连接组件的上缘，当铆体为沉头铆体时，待连接组件设有与紧固孔连接的沉孔，铆体头部设于沉孔内。
13.在本公开的一个实施例中，对于扁圆头铆体，连接段与接触部连接的一端高于待连接件的端面；对于沉头铆体，连接段与接触部连接的一端高于沉孔与紧固孔的连接处。
14.根据本公开的又一个方面，提供一种沿轴向同步均匀干涉的铆接工艺，通过本公开的另一个方面所述的铆接结构来实现，包括：把铆体套在钉芯上；把铆体、钉芯的组合体穿过各待连接件的紧固孔内；顶住铆体头部同时牵拉钉芯，牵拉力达到设计值，所述钉芯从所述锥形通孔内的所述接触部以外的部位断裂。
15.在本公开的一个实施例中，铆接工艺还包括：在钉芯与铆体之间设置二硫化钼干膜进行润滑。
16.本公开的铆钉包括铆体和钉芯，铆体沿其轴线方向设有贯穿铆体本体和铆体头部的锥形通孔，钉芯穿设于锥形通孔内，钉芯至少部分与锥形通孔紧密接触，钉芯与锥形通孔的接触部为锥形，接触部与锥形通孔的锥度相同，牵拉钉芯的过程中铆体与钉芯能够密合，使得铆接后钉芯、铆体和紧固孔的孔壁之间沿孔轴向产生同步等量的干涉配合，避免由于钉芯牵拉引起的待连接组件的材料塑性流动，从而达到提高疲劳强化效果的目的。
17.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为相关技术涉及的铆接结构的装配示意图。
20.图2为相关技术涉及的拉铆枪顶帽顶住铆体头部同时牵拉钉芯的示意图。
21.图3为相关技术涉及的牵拉力达到设计值时钉芯断裂的示意图。
22.图4为本公开实施例涉及的一种铆钉的剖视图。
23.图5为本公开实施例涉及的另一种铆钉的剖视图。
24.图6为本公开实施例涉及的一种沿轴向同步均匀干涉的铆接结构的剖视图。
25.图7为本公开实施例涉及的另一种沿轴向同步均匀干涉的铆接结构的剖视图。
26.图8为本公开实施例涉及的沿轴向同步均匀干涉的铆接工艺的流程图。
27.图9为本公开实施例涉及的铆体与钉芯的装配示意图。
28.图10为本公开实施例涉及的铆体与钉芯的组合体与待连接组件的装配示意图。
29.图11为本公开实施例涉及的拉铆枪顶帽顶住铆体头部同时牵拉钉芯的示意图。
30.图12为本公开实施例涉及的牵拉力达到设计值时钉芯断裂的示意图。
31.图13为本公开实施例涉及的二维轴对称有限元模型与边界条件示意图。
32.图14为本公开实施例涉及的模型有限元网格划分示意图。
33.图15为本公开实施例涉及的安装孔孔壁的径向位移云图。
34.图16为本公开实施例涉及的安装孔孔壁的径向位移沿孔轴向变化图。
35.图17为本公开实施例涉及的mises屈服准则的应力云图。
36.图中：1-钉芯，11-芯头，111-芯头头部，112-接触部，12-芯杆；2-铆体，21-铆体本体，22-铆体头部；3-待连接组件，31-待连接件，4-拉枪顶帽。
具体实施方式
37.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
38.虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
39.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
40.紧固孔是一种易产生局部应力集中的典型结构，在交变载荷作用下易产生疲劳裂纹，影响紧固孔的疲劳寿命，进而影响结构件的安全性、可靠性及使用寿命。有研究表明，在航空领域由紧固孔萌生裂纹所造成的疲劳破坏，约占全部破坏的1/3。因此，提高紧固孔的疲劳寿命是保证结构件使用安全性的关键。
41.干涉强化技术是孔的抗疲劳制造技术中行之有效的方法。干涉强化是利用过盈装配在孔周引起弹性变形，从而在紧固件和孔壁之间形成“支撑效应”，达到疲劳增寿的效果。传统的实现方法是通过一根直径略大于孔径的芯棒强行挤入孔中，孔表面一定范围内在挤压力作用下发生弹塑性变形。在干涉配合下，紧固件和孔壁之间形成“支撑效应”，导致在远场疲劳载荷下孔周局部疲劳应力幅值下降，从而提高紧固孔的疲劳寿命。
42.铆接是常见的紧固孔连接类型，通过在紧固孔上安装铆钉等紧固件来实现构件之间的连接。抽芯铆钉是一类单面铆接用的铆钉，但须使用专用工具-拉铆枪(手动、电动、气动)进行铆接。抽芯铆钉包括铆体和钉芯，铆接时，铆钉钉芯由专用铆枪拉动，使铆体膨胀，起到铆接作用。这类铆钉特别适用于不便采用普通铆钉，即须从两面进行铆接的铆接场合，故广泛用于建筑、汽车、船舶、飞机、机器、电器、家具等产品上。
43.如图1至图3所示，在相关技术中，传统的抽芯铆钉装配工艺采用拉铆枪牵拉钉芯1，钉芯1的芯头与铆体2的尾端管口产生挤压变形后对牵拉形成阻挡，继续增大拉力后钉芯1在芯头与芯杆的连接处断裂，芯头残留在铆体内。由传统抽芯铆钉的装配工艺可以看出，仅在铆体2的尾端管口由于芯头的挤压铆体发生膨胀，残留的芯头与铆体2之间存在局部的
干涉配合，而在整个牵拉过程中钉芯1与铆体2之间存在间隙，并没有实现干涉配合。因此传统的抽芯铆钉工艺没有实现理想的干涉配合，不利于紧固孔疲劳寿命的提高。
44.如图4和图5所示，本公开实施方式提供一种铆钉，包括铆体2和钉芯1，铆体2为回转体结构，铆体2包括设于铆体本体21和与铆体本体21同轴连接的铆体头部22，铆体头部22沿径向向远离铆体的轴心方向延伸，铆体2沿其轴线方向设有贯穿铆体本体21和铆体头部22的锥形通孔；钉芯1穿设于锥形通孔内，钉芯1一端自铆体头部22穿出，另一端被与铆体本体21阻挡，钉芯1至少部分与锥形通孔紧密接触，钉芯1与锥形通孔的接触部112为锥形，接触部112与锥形通孔的锥度相同。
45.接触部112与锥形通孔的锥度相同，牵拉钉芯1的过程中铆体2与钉芯1能够密合，使得铆接后钉芯1、铆体2和紧固孔的孔壁之间沿孔轴向产生同步等量的干涉配合，避免由于钉芯1牵拉引起的待连接组件3的材料塑性流动，从而达到提高疲劳强化效果的目的。
46.铆钉包括铆体2和钉芯1，铆体2包括铆体本体21和铆体头部22，铆体头部22与铆体本体21同轴连接，铆体2沿其轴线方向设有贯穿铆体本体21和铆体头部22的锥形通孔。铆体本体21为圆柱形结构，铆体头部22可以沿径向向远离铆体2的轴心方向延伸，铆体头部22的延伸长度沿远离铆体本体21的方向逐渐缩小，从而形成扁圆头铆体。铆体头部22的延伸长度也可以沿远离铆体本体21方向逐渐增大，从而形成沉头铆体。
47.钉芯1包括芯头11和与同轴连接的芯杆12，芯头11的直径大于芯杆12的直径，钉芯1还包括连接段，连接段连接于芯头11和芯杆12之间，连接段的直径小于芯杆12的直径。芯头11包括芯头头部111和接触部112，接触部112为锥形，芯头头部111为回转体结构，芯头头部111的最小直径大于等于接触部112的最大直径。
48.钉芯1穿设于锥形通孔内，芯头头部111被铆体本体21阻挡，接触部112与锥形通孔紧密接触，接触部112与锥形通孔的锥度相同。连接段同样位于锥形通孔内，连接段在铆钉轴线方向的投影位于铆体头部22在铆钉轴线方向的投影内。芯杆12与接触部112连接，芯杆12与接触部112连接的一端位于锥形通孔内，芯杆12远离接触部112的一端自铆体头部22穿出。
49.如图6和图7所示，本公开实施方式提供一种沿轴向同步均匀干涉的铆接结构，包括待连接组件3和本公开实施方式上面任一项所述的铆钉，待连接组件3包括叠放在一起的至少两个待连接件31，连接件分别设有紧固孔，不同连接件的紧固孔相互对准，铆钉穿过不同连接件的紧固孔，铆体头部22与待连接组件3的一侧紧密贴合，钉芯1挤压铆体本体21，使其形变形成限位部，限位部与待连接组件3的另一侧紧密贴合。
50.铆接结构的有益效果与铆钉所产生的有益效果相同或近似，因此在这里不再进行赘述。
51.待连接组件3可以包括待连接件31，待连接件31可以设置为板件。当铆体2为扁圆头铆体时，待连接件31的端面为平面，铆体头部22与待连接件31端面接触，当铆体2为沉头铆体时，待连接件31设有沉孔，铆体头部22设于沉孔内。可以理解的是，对于扁圆头铆体，连接段与接触部112连接的一端高于待连接件31的端面；对于沉头铆体，连接段与接触部112连接的一端高于沉孔与紧固孔的连接处，不会影响施加干涉量的均匀性。
52.如图8所示，本公开实施方式提供一种沿轴向同步均匀干涉的铆接工艺，通过本公开实施方式上面任一项所述的铆接结构来实现包括：
53.步骤s10，把铆体2套在钉芯1上；
54.步骤s20，把铆体2、钉芯1的组合体穿过各待连接件31的紧固孔内；
55.步骤s30，拉枪顶帽4顶住铆体头部22同时牵拉钉芯1，牵拉力达到设计值，所述钉芯1从所述锥形通孔内的所述接触部112以外的部位断裂。
56.为了减小牵拉过程中钉芯1与铆体2之间的摩擦力，上述铆接工艺还包括：在钉芯1与铆体2之间采用二硫化钼干膜进行润滑，以保证铆体本体21的尾部铆接到位。
57.如图9所示，钉芯1沿第一方向套入铆体2内；如图10所示；铆体2和钉芯1的组合体沿第二方向套入待连接组件3上的紧固孔内；如图11所示，拉枪顶帽4顶住铆体头部22同时牵拉钉芯1；如图12所示，牵拉力达到设计值，所述钉芯1从所述锥形通孔内的所述接触部112以外的部位断裂，具体是从芯杆12与芯头11之间的连接段断裂。
58.本公开实施方式还对上述铆接结构进行有限元数值仿真验证：
59.考虑紧固孔360度对称，建立二维轴对称有限元模型。钉芯1采用线性刚体，铆体2和待连接件31采用二维轴对称单元。铆体2的材料采用ph13-8mo，待连接件31的材料采用超强钛合金。需要说明的是，ph13-8mo钢是一种采用双真空冶炼的高纯净度马氏体时效不锈钢。
60.如图13所示，在钉芯1上建立参考点，在参考点上约束x方向和z方向，在铆体2和待连接件31的底端约束y方向，在分析步中施加沿y负向的强制位移。如图14所示，在靠近铆体2的位置处进行了网格加密。图15为紧固孔的孔壁径向位移云图，图16为紧固孔的孔壁径向位移沿孔轴线方向的变化情况，可以看出紧固孔的孔壁径向位移沿孔轴向近似呈均匀分布，即施加的干涉量沿孔轴向是近似均匀分布的。图17给出了mises屈服准则的应力云图，可以看出，紧固孔的孔壁的应力沿孔轴向也近似均匀分布。
61.以上有限元模拟结果验证了本公开实施方式的有效性。采用本公开实施方式，可以在紧固孔的孔轴向不同位置处同步施加相同的干涉量，铆接后紧固孔的孔壁径向位移、孔周应力沿孔轴向大致呈均匀分布，即实现了干涉配合的同步和均匀化，有利于紧固孔疲劳寿命的提高。
62.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。