半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定

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津大３

自冲铆接主要工艺参数的选择

３．１

模具的设计与选取原则

为了确保铆接质量，当铆接完毕后，铆钉应完全进

人板料，铆钉头部上表面应与上层板料的上表面平齐，

模具型腔应恰好充满，这种铆接状态是“镦实”状态．

如果依此确定设计原则，则模腔的体积应与铆钉的体积完全相等．这种设计方法将导致一种模具、一种板料组合和一种型号铆钉的一一对应关系，即“一模一用”，而不允许一种模具覆盖多种板料的组合，覆盖多个型号的铆钉．

在实际应用中，为了提高工效，减少铆接配件，往往是用同一种模具，同时使用２种或２种以上型号的铆钉，铆接不同组合厚度的板料；模具和铆钉的同一种组合，亦可铆接２种不同组合厚度的板料，因为只要“铆牢”即可，不一定“镦实”．但一种模具只能适合一

个直径的铆钉，而铆钉长度允许不同．

因此，必须对模具的设计原则提出圆整．对这种铆接方法，模具设计是指模腔形状的确定，见图４．

图４模腔、铆钉和板料

Ｆｉｇ．４

Ｄｉｅｃａ、ｒｉｔｙ，ｒｉｖｅｔａｎｄｐａｎｄ

一般而言，若铆接某种组合板料，首先应根据板料选用铆钉，包括铆钉的直径和长度，然后再选用或设计模具．

３．２铆钉尺寸的选择原则

铆钉的尺寸包括直径（指铆钉腿部直径）和长度．一般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度．

：

铆钉直径的选择依据主要是所要铆接的板料厚度．一般而言，所要铆接的板料厚度愈大，则使用铆钉的直径愈大，如铆接２／２ｍｍ厚的板料（两层板料厚度均为２ｍｍ），多采用咖５．３ｍｍ直径的铆钉；铆接

１／１

ｍｍ厚的板料，多采用函３．３ｍｍ直径的铆钉．但有

时为了提高疲劳寿命，也使用细长的铆钉铆接厚板料．

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铆钉直径确定后，根据所要铆接的板料厚度和铆

钉直径确定铆钉长度．文献［８］曾提出，“铆钉长度大致等于被铆接板料总厚度加上铆钉腿部直径的７５％．但经笔者统计发现，这样计算的误差太大，故提出一种近似的铆钉长度确定方法．

首先大体求得铆钉的理论长度￡’

￡’＝丁＋Ｃ

（１）

式中：ｒ为铆接板料的总厚度，ｒ＝ｔ。＋ｆ：；Ｃ为铆钉超出板厚部分的长度．根据文献［９］的统计分析，Ｃ的表达式为

Ｃ＝０．６１７ｄ２—０．１２４６

（２）

式中：ｄ：为铆钉腿部直径．￡’、ｒ、ｃ和ｄ：单位均为ｍｍ．

经计算得出的铆钉长度Ｌ’还须进行圆整，使长度符合标准铆钉的长度．圆整的原则是：

（１）对大直径铆钉而言，￡＝∥一，即向下靠一级；（２）对小直径铆钉而言，￡＝￡’＋，即向上靠一级．以上是已知板料厚度，选择铆钉的方法．如果已知

铆钉的直径及长度，也可以求得铆接板料最适合的厚

度．设所铆板料的理论总厚度为ｒ’，则

丁７＝￡一Ｃ

（３）

其中Ｃ由式（２）式求出．所铆板料的实际总厚度如下：

（１）对大直径铆钉而言，ｒ＝ｒ’＋，向上圆整；（２）对小直径铆钉而言，ｒ＝ｒ一，向下圆整．

３．３模具的设计方法

图４中的下图为模腔的尺寸图，它由内壁、中间圆

锥和下底组成．内壁的底径为Ｄ：，一般具有５ｏ的拔模斜度即可．对模腔的尺寸参数设计如下：

１）深度＾

深度与铆钉伸出板厚的长度有关，见式（２）中的Ｃ

值；一般为２．１７ｍｍ，或小一些，但应大于１．５

ｍｍ．

２）内壁的底径伙

显然，图４中Ｄ：应大于图３中的Ｄ。，如２．２节观测法所述：“铆钉扩张后的下部直径大于或等于上部

直径”，如果仇＝Ｄ。，则Ｄ：＞Ｄ。，取

、

Ｄ２＝Ｄ。＋０．８￡２

（４）

式中ｔ：为下层板料的厚度．

３）圆锥底径Ｄ．

一般而言，（晚一Ｄ。）／２＝１．５—２ｍｍ，即Ｄ。＝Ｄ２一（３～４）ｍｍ．

４）中间圆锥的设计

中间圆锥包括凸台高度ｆ、圆锥角度ａ和顶部圆弧半径Ｒ．由文献［６，１０］可知，ｔ的数值很小，ｔ＝０—

０．２５

ｍｍ；ｔ值对静拉力影响最大［６】，对疲劳寿命影响

不明显．

圆锥角度ａ、顶部圆弧半径尺以及ｆ三者中，有一

２００７年４月万淑敏等：半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定

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则，Ｄ．量参立独非‘÷ｃｏｓ为足令果如，量参立独非是个ａ一（＾＋￡）ｓｉｎ

当Ｄ。、＾和￡值确定之后，按照ａ＝３５。～５０。选取，注意

ａ

一（５）—Ｊ—Ｓ儿ｌ【ｚ＿—Ｆ——三＝Ｒ

．大过宜不值Ｒ，小过宜不值ａ

他其）５

半径，如肋．７等．角圆的小大当适有都处接交线直与线直的有所

４铆接试验结果分析

本试验采用自行设计的试验装置¨¨进行铆接．将铆接试验的试件分别沿子午面剖开，观察各自的铆接

效果，评价其铆接的优劣，并分析各自的原因．这里所铆接的板料大约为２／２ｍｍ厚的铝合金，但铝合金牌

和变异算子没有变化．由于具有快号不同，所使用的铆钉以及模具也不尽相同，见表１．速非劣性排序和精英保持等优良性质，本文采用ＮＳ．

采用前述的；霆萋影。誉蓉蕊噶翼震ｉ渊霎耄鞭墅ｊ薹ＧＡⅡ进行优化求解，

霹蔗疆耋鬻藿霸鍪＝孬慧薹冀受ＪＪ另在囊薹鹾孽交叉算子主要求解步骤如下．

（１）随机产生种群规模为ｎ的初始父种群Ｒ，其中每个个体是由代表设计变量截面面积（Ａ；）和材料（肘。）的染色体首尾连接构成的设计变量空间．

（２）计算每个个体对应的３个目标函数值（形，ｃ，

艿），对其进行非劣性分层，并为每个个体赋适应度，适应度的值等于个体的非劣层数（０为最优层），最优层存入集合Ｄ中．

（３）进行选择、交叉和变异操作产生规模为ｎ的子种群Ｑ．

（４）进行Ｒ＋＿ＲｕＱ操作，并置空Ｑ．对Ｒ进行非劣性排序并从中删掉排序最差的ｎ个个体．

（５）更新集合０，增加代数如果代数达到预定值，则停止进化并返回集合Ｄ；否则转到第（３）步继续进行进化计算．

３实例分析

７２

杆空间桁架有２０个节点，如图２所示．表１列

出了空间桁架承受的载荷工况．根据结构和载荷的对称性，杆件按设计要求分为１６组．从４种材料中为每组杆件选择最优的材料，４种材料的材料参数以及分配的编码号如表２所示．

考虑３个目标函数：极小化结构重量、桁架成本以及节点１～４的石和ｙ方向的位移．各个材料的许用应力值列于表２．多目标遗传算法中，种群规模为１００，进化代数为２５０，交叉概率为９０％，交叉分布系数为５，变

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大５

结论

（１）介绍了铆接质量的评价方法，对观测法提出

的补充意见可作为模具设计的依据之一．

（２）由铆接试验结果可知，本文提出的半空心铆钉自冲铆接模具设计的方法是可行的，可以获得良好的铆接质量．

（３）通过铆接试验，说明了不同条件下的铆接效果，证明了影响铆接质量的主要因素是模具的几何形状、铆钉和板料性能的匹配．

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