环槽铆钉套环对连接强度影响研究

王 利，代英男，康 铭，张德伟，杨 宇

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝及铝合金具有密度低、比强度高、成形加工性能好、可再生重复回收利用、节能环保等优点，备受人们的重视，被公认为汽车轻量化的理想材料[1-2]。铝合金客车车身设计时要求连接部位具有较高的承载能力，传统的铝合金焊接工艺容易出现焊接裂纹、母材强度弱化和异种金属不易连接等问题，而环槽铆钉在客车铝合金车身连接中具有操作方便、效率高、抗震性好、强度高、无热影响及工作环境友好等优点，因此被广泛采用[3-4]。《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》规定LMTP套环和LMTF套环均可与LMC铆钉配合使用，但是对于各自铆接后的强度分析尚无数据。

本文选取《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》规定的LMC头型铆钉，分别与LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套环铆接配合，通过分析轴向拉脱力和剪切力对比不同类型套环对铆接强度的影响。

1 环槽铆钉分类及铆接原理

通常一个完整的环槽铆钉铆接结构由被连接件、环槽铆钉和套环组成。根据《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》规定，常用的环槽铆钉根据头型和铆接的方式不同，可以分为LMY、LMP和LMC三种形式，与LMY、LMP和LMC环槽铆钉配合的套环共有LMTP、LMTF和LMTH三种形式。

在开展铆接作业时，需要根据铆接厚度和连接强度要求选取不同规格的铆钉，并在被连接件开设连接孔，将环槽铆钉穿入连接孔后将套环套在环槽铆钉杆部，再采用专用铆钉枪将环槽尾部抓牢，将套环压入铆钉环形沟槽上并拉断铆钉。铆接原理主要是通过对铆钉的拉拽使被连接件相互挤压在一起，同时套环在铆钉的封闭槽区域内变形，套环光滑内壁被挤压到铆钉环槽内形成互锁，使铆钉、套环和被连接件成为一体。环槽铆钉应用示例见图1。

图1 环槽铆钉应用示例

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

轴向拉脱试验采用LMC-T8-28-G铆钉，直径为φ8 mm，允许铆接厚度范围27～30.2 mm；剪切试验采用LMC-T8-10-G铆钉，直径为φ8 mm，允许铆接厚度范围7.9～11.1 mm。LMTP-T8-G和LMTF-T8-G套环可与直径φ8 mm铆钉配合使用，铆钉和套环材质均为钢，铆钉和套环出厂检验各项指标符合《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》。

2.2 试验方法

试验采用HUCK 256铆枪完成铆接，铆接过程中铆枪需与面板保持垂直，无倾斜。铆钉插入钉孔进行拉铆时，铆钉头与表面平齐，不能凸出和凹进，不能歪斜或有间隙。LMC-T8-28-G铆接轴向拉脱试板总厚度28 mm，LMC-T8-10-G铆接剪切试板总厚度10 mm。参考GB/T 3098.18—2004《紧固件机械性能盲铆钉试验方法》开展力学试验，铆接后的产品如图2所示[5]。

(a)LMTP套环轴向拉脱;(b)LMTF套环轴向拉脱;(c)LMTP套环剪切;(d)LMTF套环剪切

共制备LMC-T8-28-G 轴向拉脱接头20件，其中LMC铆钉与LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套环配合的轴向拉脱接头各10件，分别标记为1#～10#；同样制备LMC-T8-10-G 剪切接头10件，其中LMC铆钉与LMTF-T8-G、LMTP-T8-G型套环配合的剪切接头各5件，分别标记为1#～5#。采用电子万能拉伸试验机对轴向拉脱接头和剪切接头施加载荷直至接头破坏，加载速度为7 mm/s，记录破坏时的载荷值。

3 试验结果及分析

3.1 配合不同套环铆接性能对比

轴向拉脱力测试结果见表1和表2，LMTF、LMTP套环与LMC铆钉配合均符合《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》技术要求，但LMTF套环与LMC铆钉配合后的轴向拉脱力明显高于LMTP套环与LMC铆钉配合的轴向拉脱力，铆钉与LMTF套环、LMTP套环配合后的剪切力基本接近，剪切力测试结果见表3、表4、图3和图4。

表1 与LMTF套环配合轴向拉脱力

表2 与LMTP套环配合轴向拉脱力

表3 与LMTF套环配合剪切力

表4 与LMTP套环配合剪切力

3.2 数值模拟分析

利用Catia软件及环槽铆钉铆接过程建立三维模型，根据轴对称特点对铆接模型进行对称分析，得出如图5所示的载荷-位移曲线及受力云图。从曲线图中分析可知，配合LMTF型套环的环槽铆钉轴向承载能力优于配合LMTP型套环的环槽铆钉，与轴向拉脱试验结果相吻合。分析原因为环槽铆接承载能力主要是径向抗膨胀能力和轴向抗剪切能力，在啮合部分相同的情况下，其承载能力主要取决于套环的结构形式，LMTF型套环在径向增加了加强结构，提高了径向抗膨胀能力从而提升了承载能力，同时在承受相同轴向拉脱载荷时LMTF型套环引起的应变均匀，LMTP型套环与被连接件贴合处应变较大，因此更容易发生开裂失效。所以LMTP套环与LMC铆钉配合后的轴向拉脱力低于LMTF套环与LMC铆钉配合的轴向拉脱力[6]。

图3 轴向拉脱载荷

图4 剪切载荷

3.3 结果讨论

根据《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》的规定，LMTP-T8-G套环高度8.85～9.65 mm，LMTF-T8-G套环高度10.01～10.83 mm，但是LMTF-T8-G铆钉法兰面内孔倒角1.58～2.39 mm，导致可供连接的有效高度为7.62～9.25 mm。两种套环铆接后与铆钉配合部分承载面积接近，但是由于LMTF套环具有的法兰面使其在与被铆接件贴合部分具有更大的承载面积，承受相同轴向载荷时表现出更大的承载能力，LMTF套环轴向拉脱力平均值高于LMTP套环轴向拉脱力平均值6%，而剪切力基本相同，因此在承受较大轴向载荷的应用场合，选择LMTF 套环安全系数更高[7]。

(a)载荷曲线;(b)受力云图

4 结论

1)采用LMTP套环、LMTF套环分别和LMC铆钉配合的铆接接头轴向拉脱强度和剪切强度均符合《铁路货车专用拉铆钉及铆接技术条件》；

2)LMTF套环和LMC铆钉配合的铆接接头轴向拉脱强度高于LMTP套环和LMC铆钉配合的铆接接头轴向拉脱强度。

3)承受较大轴向载荷的应用场合，推荐选用LMTF套环。