三种铆螺母紧固件的应用与对比

王 利，刘佳欣，陈力宁，崔国亮，林传冬

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳111003)

高强度、高延展性、低密度的铝合金材料被众多领域采用，但铝合金焊接存在变形、烧穿、裂纹、接头弱化和异种材料连接困难等问题，所以铆接和螺纹紧固连接技术逐渐得到重视，铆螺母就是其中广泛应用的产品之一。然而，随着压铆螺母和自冲铆螺母等非标紧固件开发量日益增多，铆螺母紧固件已经不完全属于传统意义的标准件。现阶段的铆螺母紧固件既包含国家标准或行业标准规定的标准件，又包含应客户需求开发的非标紧固件，例如压铆螺母、拉铆螺母和自冲铆螺母，这些铆螺母不但在铝合金连接中起到关键作用，也为内饰件、总成的安装提供连接点[1-3]。本文对比铝合金产品常用的压铆螺母、拉铆螺母和自冲铆螺母紧固件优缺点，并分析力学性能，为设计师提供选型参考。

1 铆螺母紧固件

1.1 压铆螺母

压铆螺母通常一端带有压花齿及导向槽，母材需要在压铆生产前开设安装孔，借助压铆机下压力将螺母压花齿压入孔位(图1)。一般而言，安装孔的孔径略小于压铆螺母的压花齿，因此压花齿能够挤入材料使安装孔周边产生塑性变形，变形物被挤入导向槽，最终螺母与母材锁紧连接。压铆螺母可安装在各类铝合金型材和板材，但是连接强度受母材强度影响很大，且在型材内腔安装螺母时需要开工艺孔保证压铆模具可以与螺母接触[4]。

(a)压铆螺母 (b)型材内壁安装压铆螺母 (c)压铆成型图1 压铆螺母Fig.1 Pressure riveting nut

1.2 自冲铆螺母

自冲铆螺母是在压铆螺母基础上改进的产品，具有无需在母材上开安装孔的特点，主要通过自冲铆螺母自身压铆的同时完成冲孔，安装后形成与压铆螺母相似的锁紧连接结构(图2)。由于可以考虑结合板材冲压工序一起生产，因此更适合大批量生产，提高生产效率的同时节约生产成本，能够获得比压铆螺母和拉铆螺母更好的抗转动性能。

(a)自冲铆螺母 (b)自冲铆螺母用于某铝合金支架 (c)铆接成型图2 自冲铆螺母Fig.2 Self-clinching nut

1.3 拉铆螺母

拉铆螺母是一类能够在拉铆枪带动下产生塑性变形夹持到材料上的紧固件(图3)，由于具有单面操作即可完成安装的特点，所以应用场合非常广泛；另外，拉铆螺母可以解决金属薄板、薄管焊接螺母易漏、压铆易产生板材变形等缺陷。但是，拉铆螺母强度通常低于压铆螺母，且安装前也需要在母材开设安装孔，其力学性能及样式可参考GB/T 17880系列标准，通常拉铆螺母支撑面和圆周表面有花纹提高抗扭转性能[5-6]。

(a)拉铆螺母 (b)拉铆螺母安装在型材 (c)铆接成型图3 拉铆螺母 Fig.3 Pull riveting nut

2 试验及结果分析

2.1 试验方案

用于试验的螺母规格M6，其中拉铆螺母符合GB/T 17880.1-1999技术要求，试验母材为6061合金，热处理状态T6，厚度2mm，紧固件与母材配合后开展推出力和转动扭矩分析。

转动扭矩为紧固件与母材发生相对转动时的最大扭矩，借助压铆和拉铆设备安装紧固件后将测试螺栓从螺母柄部拧入待检紧固件，螺栓头下支撑面不应与母材接触(图4(a))，采用世达电子扭力扳手对螺栓顺时针施加扭矩，记录最大扭矩值。推出力为铆螺母在母材上被推出的最大力值，将测试螺栓拧入待检螺母中(4(b))，并将安装螺母的试验件放置到电子万能试验机的平台上，配合检验工装将紧固件推出，记录最大压力值。所有试验件样品如图5所示。

(a)转动扭矩检验方法 (b)推出力检验方法图4 转动扭矩及推出力示意图 Fig.4 Schematic diagram of rotating torque and pushing force

(a)压铆螺母样品；(b)拉铆螺母样品；(c)自冲铆螺母样品图5 试验件 Fig.5 Samples

2.2 结果分析与讨论

转动扭矩和推出力的检验结果分别见表1和表2。自冲铆螺母和压铆螺母转动扭矩测试值高于拉铆螺母，主要原因是螺母与母材形成的互锁部分较拉铆螺母形成的夹紧部分提供更大的转动阻力，且互锁强度与母材牌号和热处理状态有关，通常母材强度越高，压铆螺母能够表现出更好的抗转动性能。因此在热处理状态T6时，压铆螺母和自冲铆螺母转动扭矩表现优异，但是由于自冲铆螺母冲孔的同时完成压铆，所以与母材结合更紧密，转动扭矩更高。拉铆螺母的转动扭矩主要取决于铆接工艺参数，在拉铆行程合理的情况下螺母起鼓均匀且获得较好的夹紧力，转动扭矩平均值可以达到18.1Nm。另外，三种连接方式的失效形式不同，随着扭矩值增加，强度最低的拉铆螺母最先发生滑牙；自冲铆螺母强度高、抗转动性能优异，施加足够扭矩后螺纹滑牙而不发生转动；压铆螺母较拉铆螺母强度高、抗转动性能低于自冲铆螺母，因此螺母与母材发生相对转动。

表1 转动扭矩

表2 推出力

推出力方面，拉铆螺母的推出力最高，主要是由于拉铆起鼓部分阻碍螺母推出，显著提高推出力；虽然压铆螺母和自冲铆螺母的花齿可以镶嵌到母材中，一定程度提高转动扭矩，但是对于轴向承载能力贡献较小，因此压铆螺母和自冲铆螺母具有较低的推出力。另外，与母材结合更紧密的自冲铆螺母推出力高于压铆螺母。

3 结论

不同种类铆螺母使得铝合金连接多样化，从力学性能角度分析，母材为T6状态6061合金材料时，自冲铆螺母具有更优异的抗转动性能，拉铆螺母具有更优异的抗推出性能。