介绍Huck铆钉的特点和分类, 阐述其在铝合金客车车身上的实际应用情况, 并分析其生产效率和轻量化结果。
在现代铝合金客车车身生产中, 铆接、螺栓连接和焊接是主要的3种连接方式。
铝合金结构车身焊接时, 不仅易导致骨架变形, 而且易产生气孔、咬边、裂纹、未熔合等诸多缺陷, 工艺技术难度大, 对操作人员的专业技能要求偏高。
根据有关资料介绍, 矫正铝合金焊接变形的工时约占制造车体全部工时的20%左右。
螺栓连接车身精度较差, 生产效率低, 扭矩检测困难, 且车身结构在振动或交变荷载作用下, 螺纹容易变形, 使螺栓连接松动。
铆接车身无应力变形, 无需矫正工序, 无需检测扭矩工序, 工艺技术简单, 对操作人员的专业技能要求低, 同时其制造车间节省能源、减少污染、绿色环保。
目前, 国内众多客车厂也相继开发出全铝合金铆接车身, 如申龙SLK6109、海格KLQ6762、申沃SWB6108、金港ZJG6140等。
铆接技术虽然优势明显, 但受其结构设计、力学性能、作业空间等方面的制约, 其在铝合金车身上的应用还不能完全取代焊接。
下载APP，领双11津贴
Huck铆钉的特点和分类
Huck铆钉包括钉杆和钉套2个部件, 钉杆又包括钉头、锁紧槽、断颈槽、尾段 (枪爪槽) 4个部位, 如图1所示。
图1 Huck铆钉的结构
与传统螺栓利用扭力旋转产生紧固力不同, 采用特有的环槽锁紧、环槽断裂技术, 在外界拉力下, 拉伸钉杆挤压钉套产生塑性变形, 靠变形部位夹紧基材实现可靠的紧密连接, 如图2所示。
图2 拉力与位移曲线
此结构具有高夹紧力和高抗剪力性能, 从根本上解决了普通紧固件在振动情况下松动的问题。同时具有更高的精度、更高的生产效率、优异的抗振及抗疲劳性。
在国内外许多需要螺栓连接或焊接的建筑、汽车、铁路、船舶、航天结构上都使用了大量的Huck铆钉, 以降低螺栓连接或焊接的应用比重。
目前应用在铝合金客车车身上的Huck铆钉按放钉方式分为双面盲拉铆钉和单面盲拉铆钉两大类。
双面盲拉铆钉先从基材背面放入铆钉, 再从基材正面拉铆;单面盲拉铆钉既从基材正面放入铆钉, 也从基材正面拉铆。
按结构形式, Huck铆钉可分为环槽铆钉、拉丝抽芯铆钉和哈克博姆铆钉3种类型, 在国外又被分别称做Huck Bolt、Magna-Lok和Huck BOM。
环槽铆钉 (Huck Bolt) , 又称哈克钉, 由一个钉套和一个钉杆两个独立的部件组成, 属于双面盲拉铆钉。
环槽铆钉利用胡克定律原理, 经由拉铆钉专用设备, 在单向拉力的作用下, 拉伸钉杆并推挤钉套, 结构件被压紧后, 将内部光滑的钉套挤压到钉杆凹槽使钉套和钉杆形成100%的过盈配合, 达到设计夹紧力后, 钉杆断颈槽拉断完成铆接, 如图3所示。
环槽铆钉抗剪力高、抗拉力高, 铆接范围大 (铆接厚度3.5~30 mm) , 但在作业空间狭窄的结构中, 操作不如单面盲拉铆钉方便。
图3 环槽铆钉铆接原理
拉丝抽芯铆钉 (Magna-Lok) 属于单面盲拉铆钉, 与环槽铆钉结构不同, 在单向拉力的作用下, 钉杆拉伸向上, 使钉杆尾端较粗部分进入钉套中, 将钉套逐渐挤压增粗并填满钉孔, 结构件被压紧后钉杆上的环形凹槽推入钉套的环形凸台内锁止, 达到设计夹紧力后, 钉杆断颈槽拉断完成铆接, 如图4所示。
拉丝抽芯铆钉成本低, 操作方便, 但力学性能较差, 其抗剪力和抗拉力分别为环槽铆钉的0.8倍和0.7倍, 铆接厚度范围小 (铆接厚度为1.5~16 mm) 。
图4 拉丝抽芯铆钉铆接原理
哈克博姆铆钉 (Huck BOM) 同属于单面盲拉铆钉, 不但具有环槽铆钉永不松动的结构特点, 同时具有拉丝抽芯铆钉单面放钉的优势, 在单向拉力的作用下, 拉伸钉杆并推挤钉套, 使钉套尾端变形形成墩头, 结构件被压紧后, 将内部光滑的钉套挤压到钉杆凹槽使钉套和钉杆形成100%的过盈配合, 达到设计夹紧力后, 钉杆断颈槽拉断完成铆接, 如图5所示。
哈克博姆铆钉力学性能较高, 抗剪力和抗拉力分别为环槽铆钉的1.6倍和1.3倍, 可在作业空间狭窄的结构中取代环槽铆钉的应用, 但采购成本过高, 是环槽铆钉的3倍。
图5 哈克博姆铆钉铆接原理
Huck铆钉在铝车身上的应用
铝合金型材具有较高的比强度, 虽然弹性模量低, 但有很好的挤压性, 能得到复杂截面的构件, 从结构上能够补偿铝合金车身单个零部件的刚度。
同时Huck铆钉的高夹紧力、高抗剪切力、永不松动的特点, 钉杆在铆接过程中, 随着拉力增大, 断颈槽部位最先超过材料的屈服极限而断裂, 其他部位并不产生塑性变形, 这种结构的钉杆允许用高强度的材料制造, 从而可提高铝合金车身各个零部件之间的连接强度。
Huck铆钉结合6061-T6态铝合金型材的客车车身结构, 在国外已广泛应用。
某客车公司设计的14 m机场摆渡车在原有成熟的钢车身上的基础上, 改进为采用80%占比的铝合金铆接结构, 20%占比的氩弧焊接结构, 如图6所示。
图6 某客车六大片骨架结构
铝合金车身的前、后围骨架因弧形结构, 接头互不垂直, 连接件设计困难, 无法应用铆接, 采用氩弧焊焊接而成;车身的顶盖骨架、侧围骨架全部采用Huck铆钉铆接而成;底盘骨架不做改动, 仍采用Q345B普通矩形钢管焊接而成;车身五大片合装、车身与底盘合装通过Huck铆钉铆接。
同时结合UG有限元分析, 对合装区域的铆钉逐个建立接触分析, 充分模拟铆接车身的水平弯曲、紧急制动、紧急转弯、极限扭转等工况, 对铆钉的强度进行逐个校核, 保证铝合金车身骨架的铆接强度和刚度达到使用要求。
设计优化后, 铝合金车身骨架共有环槽铆钉1232颗、拉丝抽芯铆钉1748颗、哈克博姆铆钉96颗, 实际制造车体时一颗Huck铆钉铆接时间为3~8s, 从铝型材下料到六大片骨架合装的总工时为80 h, 相对于钢车身焊接骨架总工时230 h (含16 h矫正焊接变形工时) , 生产效率提高近3倍。
钢车身重2 t (不含底盘骨架) , 整备质量12.5 t, 铝合金铆接车身骨架重920 kg, 整备质量11 t, 骨架减重54%, 整车减重12%, 轻量化效果显著。
样车已于2014年通过了载荷试验、转向性能试验、结构静应力试验、结构动应力试验、抗风稳定性试验、5 000 km可靠性测试等, 结果显示铝合金铆接车身结构稳固、车身性能安全。该产品目前已在上海浦东机场安全运行4年。
结束语
目前, 在铝合金焊接技术不成熟、焊接变形量大、工艺装备成本投入过高的背景下, 铆接技术操作简单、高效, 不用消除内应力, 且Huck铆钉作为一种高夹紧力、高抗剪切力、永不松动的连接结构, 可部分取代焊接, 必然在我国客车制造行业得到广泛应用。
