【科普】铆接工艺分类介绍
铆
接
概
述
早期铆接工艺单一、结构简单。铆钉由一端带有头部的光滑圆柱形轴组成，安装时，将铆钉放入冲孔或钻孔中，尾部加厚或弯曲(即变形)，使其膨胀并将铆钉固定到位。由于已安装的铆钉两端各有一个有效的头部，因此它可以承受拉伸载荷、剪切载荷。近年来铆接工艺类型丰富，分类方式多样，根据工艺分类，可分为冷铆接、热铆接，根据环境开放性需求分类，可分为单侧铆接与双侧铆接。
普通铆接指采用金属销穿过板材两侧表面，在两端连接处形成覆盖，使结构能够牢固连接的工艺。铆接本质上是一种锻造工艺，锻造力可以通过各种方式施加，如冲头(压铆)、击锤(冲击铆接)、甚至电磁装置(电磁铆接)。
01
压铆（Presurre riveting）
压铆(Pressure riveting)过程一般涉及定位、夹紧、制孔、锪窝、送钉、铆接、铣平和松开等工序，整个压铆过程由铆模接触铆钉开始，到镦头完全成型，铆模离开为止。该过程使用规定高度与直径的标准铆模完成。然而，铆接机的物理尺寸限制导致该过程仅适用于两侧开放式结构。压铆工艺过程如图1所示。
图1 压铆工艺过程
02
冲击铆接（Percussive riveting）
冲击铆接(Percussive riveting)过程与压铆类似，该工艺利用铆枪内的击锤对铆钉施加周期性的压缩力，使铆钉在模具表面塑性变形生成铆钉头，从而连接金属板。由于压缩力受到枪活塞运动的限制，冲击铆接的质量不高。冲击铆接层是飞机装配和制造中使用最广泛的工艺，但随着铆接技术的发展，其局限性愈发明显，使用量已大大减少。
03
电磁铆接（Electromagnetic riveting，EMR）
电磁铆接(Electromagnetic riveting，EMR)技术与其他铆接工艺最大的区别是铆接力来自洛伦兹力。如图2所示，在电磁铆接过程中，首先，设备中的电容器充电到一定的电压。在放电过程中，高幅值交流电流通过嵌入模具中的平面螺旋线圈，同时在驱动板上产生感应涡流。这两个相反的电流诱导磁场，使两磁场间产生斥力并作用于冲头，驱动头以应力波形式压缩铆，从而以高速加载速率形成成品铆钉。在电磁铆接过程中，铆钉杆经变形形成铆钉尾锁定板材。引入EMR是为了提供高变形速率和大挤压力来实现无损伤铆接。
图2 电磁铆接工艺原理图
04
自冲铆接（Self-piercing riveting，SPR）
自冲铆接(Self-piercing riveting，SPR)包括半空心自冲铆接与实心自冲铆接(SSPR)，其中半空心自冲铆接是目前的研究热点。自冲铆接是一种冷机械连接工艺，通过将铆钉穿过顶部板材和中间板材且部分穿透并锁定在底部板材中，形成机械接头来连接两个或多个板材。如图3所示，在自冲铆接过程中，铆钉裙的扩展由合适的模具引导，顶部板材或顶部和中间板材的冲头嵌入铆钉轴(空腔)中。与传统铆接工艺相比，自冲铆接消除了预先钻孔/冲孔的要求以及组件连接前精确对齐的需要。与熔化焊接工艺不同，自冲铆接依靠机械互锁而非熔化来形成连接，因此它可以在无需表面处理的前提下连接相同或不同材料，并且不会因为加热而降低材料强度。
图3 自冲铆接工艺过程
自冲铆接接头制造过程可能伴随合并材料的不利断裂，且接头处存在凸起。如果需要相对平坦的合并位置面，使用实心自冲铆接则是一个合理解决方案。该技术由KerbKonus 公司开发，具体铆接过程见图4：在制作接头时，铆钉充当切割冲头，将连接板切割成孔。废料通过下模开口排出。使用过的模具在开口周围有边缘，其内部边缘充当切割边缘。最终，连接的薄板以底部薄板材料填充铆钉周边凹槽的方式被挤压，锁定铆钉并形成接头。实心自冲铆接可用于连接硬质材料和软质材料的各种组合。
图4 实心自冲铆接工艺过程
05
环槽铆钉（Swage-locking pin）
环槽铆钉(Swage-locking pin，又名Lockbolt、Huck bolt®)是由Huck 公司开发，近年来广泛应用的新型铆接结构。铆钉由两部分组成，分别为高强芯杆与套环。连接时，被连接件的两边均为开放环境，将高强芯杆从工件的一边插入预制孔中，套环从另一边套在高强芯杆上，套环在轴向拉伸力和径向挤压力的作用下塑性挤压至芯杆的环形槽中，形成永久的不可拆卸式的连接。环槽铆钉铆接塑性成型的原理如图5所示。
图5 环槽铆钉铆接工艺过程
06
抽芯铆钉（Blind rivet，BR）
抽芯铆钉(Blind rivet，BR)由钉芯和铆体两部分组成。钉芯是一根长杆，一端直径较大；铆体包括一个带有端部法兰结构的空心管，内径能够容纳钉芯。抽芯铆钉的铆接过程有三个步骤：预先打孔、放置和拉伸。第一步，在工件上预先钻一个直径大于铆钉身体直径的孔。第二步，将抽芯铆钉放入预先打好的孔中。第三步，对抽芯铆钉的钉芯施加拉伸载荷直至断裂。工艺过程如图6所示。
图 6 BR工艺过程
07
摩擦搅拌铆接（Friction stir riveting，FSR）
摩擦搅拌铆接(Friction stir riveting，FSR)是一类新型连接工艺的总称，它脱胎于1991年英国焊接研究所发明的搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)，结合了摩擦搅拌和机械铆接的优点。FSR工艺包括摩擦抽芯铆接(Friction stir blind riveting，FSBR)、摩擦自冲铆接(Friction self-piercing riveting，FSPR)等。FSBR是通用汽车公司于2006年发明的一种结合了搅拌摩擦和抽芯铆接工艺的新方法，利用旋转的抽芯铆钉与工件产生摩擦热，使工件软化并容易被铆钉穿透。当抽芯铆钉完全进入工件后被拉紧，其工艺过程如图7所示。FSBR的优点是不需要预先在工件上打孔，而且只需单面操作。FSPR工艺过程与传统SPR 类似，只是增加了铆钉高速旋转软化材料并穿透的步骤。因此，FSPR 接头由 SPR 的机械连接机制和FSW的固态连接机制组成。
图7 FSBR工艺过程
08
冲压铆接（Clinch）
冲压铆接(Clinch，又称无铆铆接)是一种无需紧固件的低成本铆接方法，它通过在专用压力装置上使用圆形凸模和凹模进行冲压过程，将被连接的板件挤压进凹模，实现板件之间的互锁。其原理为：当凸模下行时，材料弯曲并发生塑性变形，挤压凹模侧材料向下流动。在冲压力作用下，材料逐渐向凹模内凹槽处流动，直至填充环形凹槽。最终，材料“嵌入”形成冲压铆接点。冲压铆接示意图如图8所示。
图8 冲压铆接工艺过程
09
铆螺母/螺柱
铆螺母/螺柱是一类用于钣金、薄板、机箱、机柜等的紧固件，可在不需要预先打孔的情况下，通过压力机将带有内螺纹或螺柱的铆钉压入工件中，铆接完成之后的工件可用作螺纹连接。铆螺母/螺柱类连接件主要包括拉铆螺母/螺柱、压铆螺母/螺柱以及自冲铆螺母/螺柱等，铆螺母典型工艺过程见图9，常见的铆螺母/螺柱如图10所示。
图9 铆螺母工艺过程
图10 常见铆螺母/螺柱结构及铆接方法
参考文献
[1]王赫.铝合金/CFRP单搭铆接结构失效行为研究[D].西南交通大学,2023.DOI:10.27414/d.cnki.gxnju.2023.000077.
[2] ZUO Y, CAO Z, YANG L, et al. Interference-fit evenness riveting method based on symmetrical loading [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(3): 1049-1059
[3] ZHAO H, XI J, ZHENG K, et al. A review on solid riveting techniques in aircraft assembling [J]. Manufacturing Review, 2020, 7: 2020036.
[4] LI D Z, CHRYSANTHOU A, PATEL I, et al. Self-piercing riveting-A review [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 92(5-8): 1777-1824.
[5] MUCHA J. The effect of material properties and joining process parameters on behavior of self-pierce riveting joints made with the solid rivet [J]. Materials & Design, 2013, 52: 932-946.
[6] CHEN W G, DENG H, DONG S L, et al. Numerical modelling of lockbolted lap connections for aluminium alloy plates [J]. Thin-Walled Structures, 2018, 130: 1-11.
[7] MELHEM G N, BANDYOPADHYAY S, SORRELL C C. Use of aerospace fasteners in mechanical and structural applications [M]. Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys, 2019.
[8] 张振, 王立影. 冲压铆接技术及应用 [J]. 锻压技术, 2010, 35(6): 155-157
[9] MIN J, LI Y, CARLSON B E, et al. A new single-sided blind riveting method for joining dissimilar materials [J]. CIRP Ann Manuf Technol, 2015, 64(1): 13–16
[10] 王新, 闻伟, 张毅, 等. 复合材料电磁铆接技术现状及评析 [J]. 航天制造技术, 2016, 195(1): 1- 6+27.
