环槽铆钉的原理及在民用飞机上的典型应用

林树德

摘 要：本文介绍了环槽铆钉的特点、分类、结构原理以及在民用飞机上的典型应用。

关键词：环槽铆钉；特点；分类；结构原理；应用

环槽铆钉（Lock bolt），是一种高强度、紧固件，其连接强度高，耐疲劳性能好，已广泛应用于飞机的结构连接。环槽铆钉的材料主要有Ti-6Al-4V、合金钢和不锈钢。钉套的材料主要有合金钢、Ti-3Al-2.5V、工业纯钛等。头部形式主要有凸头、100°埋头、130°埋头等。

1 环槽铆钉的特点[1]

环槽铆钉与普通铆钉相比，具有如下几个优点：

（1）环槽铆钉具有强度高、抗疲劳特性好以及密封性好等优点。与普通铆钉相比，环槽铆钉的钉杆在铆接过程中不产生镦粗变形，因而就允许采用高强度的材料来制造钉杆，以提高结构的连接强度。

（2）能拉铆成型，这是环槽铆钉最主要的铆接工艺。拉铆型环槽铆钉主要的优点有：a.当夹层层数过多或夹层厚度过大时，采用普通铆钉铆接比较困难，而拉铆型环槽铆钉很好地解决了这个问题。b.其采用静力铆接，在安装时钉孔和其装配型架不会产生冲击变形和破坏，安装时无噪声。c.安装时采用拉铆，不需常规的铆接形成镦头，相对传统铆接噪声小，安装更加简单。d.预紧力较大。e.能单面施铆，对铆接通路的开敞性要求不高。f.钉杆锁槽上采用的特殊结构，导致钉套在钉杆上做近似于单面运动，自锁性能较好。

（3）可以直接用于零件斜度不大于7°的斜面上，从而避免使用特殊的螺母和垫圈以减轻重量成本，工艺过程简单。

2 环槽铆钉的分类

（1）按铆接形式分为拉铆型环槽铆钉和镦铆型环槽铆钉两大类。其中，拉铆型环槽铆钉应用最广泛，它是采用拉枪和专用的成型模腔，从钉套端工作使其挤压成型。镦铆型环槽铆钉常用于自动化装配的场合，它是采用压铆机或铆枪，使用专用冲模，工具从钉头和钉套两端使钉套挤压成型的方法。镦铆型环槽铆钉与普通铆钉的结构不同，环槽铆钉由钉杆和钉套两部分组成。此外，拉铆型环槽铆钉的钉杆尾部有拉槽，用于固定安装工具。

（2）按在飞机结构中的受力形式分为抗剪型环槽铆钉和抗拉型环槽铆钉两种。二者的主要区别是，钉杆上的环槽形状和数量不同。抗拉型环槽铆钉的环槽数目要多于抗剪型环槽铆钉，且环槽的数目随铆钉直径的增大而增多。增加环槽的目的是为了在铆接成型时，钉套的材料多挤进环槽一些，从而增加钉套的受剪面积，使铆钉沿轴向可以承受较大的抗拉力。

3 环槽铆钉的结构原理

Huck环槽铆钉的结构原理如下：

此类环槽铆钉锁槽的牙底是锥形的且深度和螺距都是变化的。在开始安装时，内部光滑的钉套上的材料被大量地挤压进钉杆上的锁槽内，使钉套和钉杆100%的结合，这样就使环槽铆钉具有最大抗拉强度。锁槽20°的牙侧角作为一个平台以保持在开始的模锻过程中产生的高夹持载荷，并且在安装完成后保持残余的夹持载荷。另外，锁槽的20°和40°牙侧角的结构形式类似于螺纹中的锯齿形螺纹，作用时只能单向传动，即钉套在安装过程中容易向着钉头方向移动，而反方向的移动却很困难，这样就能提供很好的自锁作用。

4 环槽铆钉的典型应用

环槽铆钉在飞机结构上只用于受力较大和需要较好的结构疲劳特性的部位。例如，梁缘条与腹板的连接；受集中力的接头连接；大开口加强件与蒙皮的连接；窗框加强件与蒙皮的连接；加强框缘与腹板的连接；普通框对接处的连接；梁腹板上的支柱两端头的连接；长桁端头与加强框、对接垫板、蒙皮的连接以及加强角片的连接等。

一件优秀的航空产品，必须拥有较好的综合性能，而达到这种效果的，仅仅靠使用一种结构材料来实现是不可能的，必须综合每种材料的最好性能，即必须混合使用特性不同的材料，以达到减轻重量、提高结构疲劳寿命、防腐等要求，这样就意味着会产生很多混合结构连接。空客A380的中央翼盒是航空史上最大的复合材料部件，也是第一次位于耐压舱壁后面的后机身部分使用复合材料，为此美铝紧固件系统研发了XPL?环槽铆钉用来连接A380中央翼盒上的复合材料部件和金属材料部件。由于中央翼盒的舷弧尺寸、紧固件的尺寸很大，Alcoa公司就从机车和矿车等工业借用一些安装工具的设计。XPL?环槽铆钉与传统的环槽铆钉不同，它的强度更高，夹持范围更大，钉套、锁槽和钉头形式都进行了重新的设计，钉套则采用Ti-3Al-2.5V，钉杆上有6～8个锁槽，其强度比工业纯钛高，同时又有良好的塑性和热稳定性。除了中央翼盒，XPL也应用于发动机吊挂和翼身的连接部位。

5 结束语

环槽铆钉具有较高的连接强度和较好的综合性能，能够满足多种情况下的使用要求，在国内外先进的飞机型号中已经有广泛的应用和丰富的使用经验，在今后的飞机设计中，应该广泛推广使用。

参考文献

[1]杨信联，沈志诚.环槽铆钉拉模设计参数分析及其优化[J].航空制造技术，1997（4）：40-42.

（作者单位：中航沈飞民用飞机有限责任公司）