在薄板钣金制造里, 机械连接成了替代焊接的主流工艺, 在机箱机柜制造中也是如此, 于汽车零部件制造范畴内同样如此, 在新能源装备制造领域亦是这般。其中无铆铆接, 也就是无铆钉铆接或者压铆咬合, 还有拉铆, 即抽芯铆钉连接, 应用最为广泛。二者都属于冷态机械连接, 不需要高温热源, 然而在连接成型机理方面存在显著差异, 在受力结构方面区别明显, 在抗拉抗剪承载能力上有显著不同, 在长期可靠性上也有很大差别。从力学性能角度进行对比分析, 从工程应用角度加以对比分析, 能够更清晰地判断两种工艺在不同载荷场景下的适配性。
一、连接成型机理与受力结构差异
无铆铆接借助专用铆接枪以及上下模具, 处于高压情形下, 让两层还有多层板材产生定向塑性变形, 经由材料自身相互挤压、咬合, 进而形成嵌入式互锁结构, 接头整体是一体成型的颈缩锁点, 不存在外来连接件, 受力之际, 板材跟锁点一同承载, 应力分布均匀且连续。
抽芯铆钉作为中间连接件用于拉铆, 拉断其芯部使钉套膨胀, 从而与板材孔壁形成摩擦与夹持力, 其连接依赖铆钉自身强度与板材孔径配合, 属于紧固件辅助连接, 受力集中于铆钉体与板材接触区域, 应力分布相对集中。
二、抗拉强度对比
它考核的是接头抵抗垂直于板面方向拉脱力的能力, 这一能力主要由抗拉强度体现, 而它直接决定连接处于剥离工况下的可靠性, 决定连接处于起翘工况下的可靠性, 决定连接处于震动工况下的可靠性。
无铆铆接的抗拉承载, 依托板材变形造就的机械互锁, 锁点颈部材料得以强化, 咬合深度深、包裹面积广, 于垂直拉力作用时, 要同时破坏多层板材的变形结构才会发生失效, 所以抗拉失效阈值高, 并且失效模式多是板材塑性变形而非连接点直接拉脱。在同等板材厚度与材质状况下, 无铆锁点的抗拉极限载荷稳定且离散性小, 特别是在镀锌板、铝板、不锈钢板等材料上表现均衡。
拉铆的抗拉能力, 主要由抽芯铆钉的材质跟规格来决定, 还取决于板材孔径与铆钉的贴合程度。当受到垂直拉力之时, 载荷集中作用在铆钉钉体以及板材孔口处, 容易出现铆钉被拉出的情况, 还会出现板材孔口撕裂, 以及铆钉芯部断裂等多种失效形式。对于薄板、软质板材, 好比铝合金这种, 拉铆因为孔径发生变形, 极易导致抗拉强度大幅下滑, 并且在长期震动的环境当中, 铆钉与板材的间隙会逐渐扩大, 抗拉性能持续递减。
三、抗剪强度对比
接头承受平行于板面的剪切力时, 用以衡量此能力的核心指标是抗剪强度, 在钣金拼接、框架支撑、受力构件连接等工况中常见。
在剪切载荷作用于无铆铆接接头时, 互锁结构展现出面接触受力模式, 锁点和板材结合紧密不存在间隙, 剪切力由整个锁合区域一同承担, 具有较高抗剪承载力和良好刚性, 不容易发生相对滑移。并且, 由于无铆连接不存在孔洞损伤, 板材基体连续性完整保留, 抗剪失效大多是均匀塑性变形, 接头在失效前有明显变形预兆, 安全性更高。
拉铆连接具备的抗剪能力, 是依靠铆钉杆部的抗剪切强度的, 其受力截面仅仅就是铆钉的截面积, 属于线接触或者小面接触这种情况。在交变剪切力进行作用的时候, 铆钉容易发生剪切断裂的状况, 并且板材预制孔会导致局部应力集中, 长时间承受重载的话还容易出现孔边裂纹以及连接松动的问题。除此之外, 拉铆存在着装配间隙, 在动态剪切工况之下会产生微量滑移,进而加速接头疲劳失效。
四、疲劳性能与长期强度稳定性
于交变载荷、高频震动环境当中, 强度保持率相较于瞬时极限载荷, 更具备工程价值意义。
进行无铆铆接之时, 不存在应力集中的点, 没有紧固件出现松动的那种风险, 锁点跟板材结合成为一个整体, 具备的抗疲劳性能十分优异, 在经历数百万次交变载荷的情况之下, 依旧可以维持稳定状态的抗拉抗剪强度, 格外适用于汽车底盘、风机壳体、轨道交通钣金等长期处在震动状态的部件。
拉铆, 因有着铆钉与板材的配合间隙而存在缺陷, 长期处于震动的状态时易致使铆钉产生松动情况, 进而导致预紧力丧失, 致使抗拉和抗剪强度疾速降低, 其疲劳寿命显著低于无铆接方式的铆接, 在对可靠性要求极高的场景里需要频繁进行复检或者实施加固措施。
五、工程应用总结
进行分析时, 从抗拉力学性能以及抗剪力学性能这两方面作综合审视, 无铆铆接在极限载荷方面, 在应力分布这一情况上, 在疲劳稳定性之处都是优于拉铆连接的。另外, 无铆是借助板材自身实现互锁从而达成高强度连接, 板材不会受到损伤, 不存在耗材情况, 也没有松动隐患, 它贴合对强度有高要求, 对精度有高要求, 对耐久性有高要求的轻量化钣金结构；而拉铆施工具备灵活性, 设备成本较低, 不过其强度取决于铆钉质量, 容易出现松动现象, 容易产生失效状况, 它更适宜用于低载荷场景, 用于临时固定场景, 用于非受力装饰性连接场景。
面向当今现代高端制造的趋势走向, 无铆铆接依靠更为优良的力学性能以及更为长久的使用寿命, 正一步步取代拉铆手段, 以此演变成薄板受力连接的首选工艺方式。
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