CN112610582B - 一种新型高防松抽芯铆钉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型高防松抽芯铆钉，包括芯杆及套设于芯杆上的钉套，所述芯杆一端设有拉环槽，另一端设有止动环，所述钉套靠近拉环槽的一端内壁设有锁紧锥槽，钉套与芯杆之间设有锁环，锁环覆盖的芯杆上设有断颈槽及锁紧槽，所述锁环的材质为TiNi基记忆合金。本发明所述的新型高防松抽芯铆钉利用记忆合金的升温变形能力，使记忆合金填充于铆接后的抽芯铆钉芯杆与钉套之间，提供应力支撑，从而提高了连接强度，防止铆接发生松动，同时能够扩大抽芯铆钉的适用范围。
Description
技术领域
本发明属于紧固件领域，尤其是涉及一种新型高防松抽芯铆钉。
背景技术
航空航天等高端装备在设计过程中，考虑到体积和重量的因素，在结构设计方面一般都设计的较为紧凑，这些设计紧凑的结构件连接安装空间都较为狭小，普通螺栓螺母类紧固件由于其需要进行双面安装，不能胜任这些场合的安装要求。因此，在这些安装空间较为狭小，不便于双面操作的场合一般都选用铆接。在结构连接处所用铆接方式一般为抽芯铆钉，抽芯铆钉具有重量轻、连接更可靠、强度高、安装方便快捷等特点，在各类航空航天器上得到了广泛应用。
一般抽芯铆钉，其任意一种规格所能适应的夹层厚度是特定且较小的，因此对于被连接夹层厚度范围变化较大或厚度规格较多的情况下，往往需要相应的选择特定长度规格的抽芯铆钉，这就会给连接设计及验证增加工作量，故增加一种规格抽芯铆钉所能适应的夹层厚度具有重大工程意义。
另外对于机械锁紧型鼓包抽芯铆钉一般通过钉套鼓包变形与被连接件形成夹紧结构，广泛应用于飞机蒙皮及结构件等承力、高震动区域的单面连接，其对防松紧固性能要求较高。而锁环在机械锁紧形抽芯铆钉铆接过程中需要变形“填充”在芯杆锁紧槽与钉套头部锁紧锥槽内，起到“安全锁”防松的作用。锁环的工作机理决定了其对原材料的塑性及抽钉各分零件的尺寸匹配性要求极高。寻求一种能够保障锁环稳定变形能力及变形一致性的锁环结构对机械锁紧型鼓包抽芯铆钉功能的实现具有实际意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种新型高防松抽芯铆钉，以提高连接强度，防止发生松动，扩大适用范围。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型高防松抽芯铆钉，包括芯杆及套设于芯杆上的钉套，所述芯杆一端设有拉环槽，另一端设有止动环，所述钉套靠近拉环槽的一端内壁设有锁紧锥槽，钉套与芯杆之间设有锁环，锁环覆盖的芯杆上设有断颈槽及锁紧槽，所述锁环的材质为TiNi基记忆合金。
优选的，所述锁环内壁设有嵌入锁紧槽内的台阶。
优选的，所述锁环侧壁设有开口槽。
优选的，所述芯杆上设有剪切环，所述剪切环与钉套靠近止动环的一端相抵，剪切环与止动环之间的芯杆上套设有开缝衬套，所述开缝衬套与止动环相抵，开缝衬套的材质为TiNi基记忆合金。
优选的，所述止动环靠近钉套的一面设有锥形凹槽，所述开缝衬套靠近止动环的一端***所述锥形凹槽内。
优选的，所述开缝衬套侧壁设有开缝槽。
优选的，所述拉环槽与钉套之间的芯杆上设有卡环槽，卡环槽与钉套之间设有驱动垫片，所述驱动垫片的两端分别与卡环槽及钉套相抵。
相对于现有技术，本发明所述的新型高防松抽芯铆钉具有以下优势：
本发明所述的新型高防松抽芯铆钉利用记忆合金的升温变形能力，使记忆合金填充于铆接后的抽芯铆钉芯杆与钉套之间，提供应力支撑，从而提高了连接强度，防止铆接发生松动，同时能够扩大抽芯铆钉的适用范围。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的沉头抽芯铆钉的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的凸头抽芯铆钉的结构示意图；
图3为本发明实施例所述的芯杆的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的沉头钉套的结构示意图；
图5为本发明实施例所述的凸头钉套的结构示意图；
图6为本发明实施例所述的锁环的结构示意图；
图7为本发明实施例所述的驱动垫片的结构示意图；
图8为本发明实施例所述的开缝衬套在低温环境下的结构示意图；
图9为本发明实施例所述的开缝衬套在As温度点以上的结构示意图；
图10为本发明实施例所述的升温后开缝衬套、锁环、钉套与芯杆的配合结构示意图；
图11为本发明实施例所述的沉头抽芯铆钉最大夹层及最小夹层铆接效果示意图；
图12为本发明实施例所述的凸头抽芯铆钉最大夹层及最小夹层铆接效果示意图；
图13为本发明实施例所述的有无开缝衬套铆接效果对比图。
附图标记说明：
1、芯杆；2、沉头钉套；3、锁环；4、驱动垫片；5、开缝衬套；6、凸头钉套；7、拉环槽；8、卡环槽；91、断颈槽；92、锁紧槽；10、剪切环；11、止动环；1101、锥形凹槽；12、锁紧锥槽；13、沉头支撑面；14、钉套通孔；15、凸头支撑面；16、台阶；17、开口槽；18、开缝槽；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图所示，一种新型高防松抽芯铆钉，包括芯杆1及套设于芯杆1上的钉套，所述芯杆1一端设有拉环槽7，另一端设有止动环11，所述钉套靠近拉环槽7的一端内壁设有锁紧锥槽12，钉套与芯杆1之间设有锁环3，锁环3覆盖的芯杆1上设有断颈槽91及锁紧槽92，所述锁环3的材质为TiNi基记忆合金，所述锁环3侧壁设有开口槽17，所述开缝衬套5侧壁设有开缝槽18，所述芯杆1上设有剪切环10，所述剪切环10与钉套靠近止动环11的一端相抵，剪切环10与止动环11之间的芯杆1上套设有开缝衬套5，所述开缝衬套5与止动环11相抵，开缝衬套5的材质为TiNi基记忆合金，所述拉环槽7与钉套之间的芯杆1上设有卡环槽8，卡环槽8与钉套之间设有驱动垫片4，所述驱动垫片4的两端分别与卡环槽8及钉套相抵。
如图3所示，芯杆1为细长杆结构，其上设有拉环槽7、卡环槽8、断颈槽91、锁紧槽92、剪切环10及带有锥形凹槽1101的止动环11。设置拉环槽7的目的是为了与拉铆枪头内部夹头进行配合；断颈槽91处的直径为芯杆1处最细窄处，设置断颈槽91的目的是为了当作用在芯杆1上的拉力超过极限值时，芯杆1能从断颈槽91处断裂；设置锁紧槽92的目的是锁环3发生变形后，填充在锁紧槽92及钉套锥形凹槽1101之间，起到锁紧所用；设置剪切环10的作用是压迫钉套变形，并起到一定锁紧作用；设置止动环11的意义是给开缝衬套5的变形起到支撑作用，保证开缝衬套5在应力作用下发生弹性变形，止动环11靠近钉套的一面设有锥形凹槽1101，所述开缝衬套5靠近止动环11的一端***所述锥形凹槽1101内，止动环11上的锥形凹槽1101主要在开缝衬套5弹性变形时起限位作用，保证记忆合金开缝衬套5在钉套鼓包与剪切环10与止动环11之间的进行弹性变形。
钉套有凸头及沉头两种形式，其中沉头钉套2如图1、4、10、11及13所示，钉套头部设有沉头支撑面13，铆接后沉头支撑面13嵌入安装面内，使安装面呈平面，凸头钉套6如图2、5及12所示，钉套头部设有凸头支撑面15，铆接后凸头支撑面15与安装面表面相抵，铆接后钉套头部形成钉套凸头凸出安装面，钉套为头部带有锁紧锥槽12的空心回转类零件，其材料塑性较好，能在受力后发生一定程度变形，并且变形区域无裂纹等缺陷。
驱动垫片4如图7所示，其为中间有空的圆形薄板，在铆接过程中主要作用为推动钉套在芯杆1拉动作用下发生相对位移。
开缝衬套5形状如图8所示，将其套在芯杆1剪切环10及止动环11上后，将带有开缝衬套5的芯杆1升温至逆相变开始温度点As以上，TiNi记忆合金开缝衬套5收缩到原来尺寸，如图9所示，与芯杆1之间形成紧配合关系，如图10所示。在铆接过程中，利用记忆合金的超弹性变形性能，开缝衬套5在压力作用下发生变形，填充在剪切环10与止动环11及钉套鼓包之间，其对锁紧环及钉套鼓包产生作用力，并且在铆接过程中局部温度升高，开缝衬套5内部产生的弹性应力更大，使得产品预紧力大幅增加，增加了被连接件的夹紧力，使连接更可靠。
本实施例中的抽芯铆钉的组件装配步骤如下：
(1)在低温(低于马氏体相变的结束温度，即Mf点)下，将锁环3预变形至图6A所示的内部带有凸起台阶16的“刀型”开缝空心回转体结构，并装配于芯杆1锁紧槽92及断颈槽91的位置，“刀型”凸起与锁紧凹槽相互匹配，起到限位作用；
(2)然后将已经扩径预变形的记忆合金开缝衬套5，套在芯杆1上，并在升温至As点温度之前，将钉套安装在芯杆1上，钉套尾部与剪切环10接触；
(3)升温至室温，开缝衬套5发生回复，与芯杆1之间形成紧配合关系；
(4)最后将驱动垫片4压入芯杆1卡环槽8上，从而完成了该抽芯铆钉的组件装配过程。
本发明创造提供的抽芯铆钉在标准鼓包型抽芯铆钉结构基础上，锁环3采用具有单程形状记忆效应的TiNi基记忆合金材料制造，并增加了具有单程形状记忆效应的TiNi基记忆合金开缝衬套5，锁环3与开缝衬套5的材料可以是相同的，也可以是不同的，且其马氏体逆相变结束温度点Af温度均低于室温，以保证室温铆接时锁环3回复至预变形前的形状填充于抽芯铆钉芯杆1锁紧槽92与钉套头部锁紧锥槽12之间及开缝衬套5超弹性变形填充能力。
单程TiNi基记忆合金在低于马氏体相变的结束温度Mf点以下材质较软，在Mf点温度以下将TiNi基记忆合金在外力作用下给与一定程度的变形，再将其加热至马氏体逆相变开始温度点As以上，合金内马氏体相向母相进行逆转变，开始具有一定的恢复变形能力，加热至马氏体逆相变结束温度点Af以上时，合金变形可以完全恢复并具有超弹性。再次冷却时，马氏体并不自发地发生形变。
锁环3与开缝衬套5的形状记忆合金材料可以是相同也可以是不同TiNi基形状记忆合金材料，但均要求记忆合金材料的Af点温度应低于室温，以保证室温铆接时锁环3恢复至预变形前的形状填充于抽芯铆钉芯杆1锁紧槽92与钉套头部锁紧锥槽12之间及开缝衬套5超弹性变形填充能力。并且TiNi基形状记忆合金的锁环3及开缝衬套5应在Ms温度点与Mf温度点之间进行预变形，变形量不超过9％。根据具体使用环境，可以选用TiNi形状记忆合金、TiNiFe形状记忆合金及TiNiCu形状记忆合金，不适宜选用具有宽滞后效应的TiNiNb形状记忆合金。
形状记忆合金锁环3结构如图6所示，在Mf点温度以下结构为内部带有凸起台阶16的“刀型”开缝空心回转体，如图6A所示，其凸起台阶16与芯杆1锁紧槽92尺寸形状相互匹配。在As点温度以上其为“凸”字形空心回转体结构，如图6B所示，与抽芯铆钉芯杆1锁紧槽92与钉套头部锁紧锥槽12之间的空间形状完全一致，但空间尺寸为抽芯铆钉芯杆1锁紧槽92与钉套头部锁紧锥槽12之间的空间尺寸的1.1-1.25倍。产品装配时将“凸”字形锁环3降温至在Mf点温度以下，并通过特定工装借助外力使其形状预变形至图6-1所示的带有凸起台阶16的“刀型”开缝空心回转体，变形量不超过9％，并装配于芯杆1锁紧槽92与断颈槽91的位置，“刀型”凸起与锁紧凹槽相互匹配，起到限位作用。同时在升温至As点温度之前，将钉套安装在芯杆1上，锁环3的外径略小于钉套内部的钉套通孔14内径尺寸。将装配有锁环3及钉套的芯杆1组件升温至As点温度以上，记忆合金锁环3内部受温度影响，诱发回复至“凸”字形空心回转体的变形力，但受钉套限制无法回复。铆接过程中，铆枪拉动芯杆1，芯杆1与钉套之间产生相对位移，钉套在剪切环10“镦头”作用下鼓包。记忆合金锁环3因“刀型”凸起的限位作用，固定在芯杆1锁紧凹槽之间，待钉套锁紧锥槽12移动至芯杆1锁紧槽92位置时，钉套对锁环3的限制消失，形状记忆合金锁环3恢复至“凸字”型结构，牢牢填充与钉套锁紧锥槽12与芯杆1锁紧槽92之间，起到锁紧作用。使用本发明制造的锁环3保证了锁环3在铆接时稳定的变形填充能力，其变形前后的形状可以进行预设，而不是在铆接时受铆枪拉动及驱动垫片4压迫变形，降低了锁环3变形对各分零件尺寸匹配性的依赖。同时该产品在服役过程中，如因震动等造成服役温度一定范围内上升的环境中，因锁环3的空间尺寸比抽芯铆钉芯杆1锁紧槽92与钉套头部锁紧锥槽12之间的空间尺寸大，记忆合金锁环3内部产生的恢复应力也会增加，锁环3会继续变形，填充因震动等因素造成的分零件之间的配合间隙，进一步提高了被连接件之间的夹紧力，提高的了连接可靠性。
具有单程形状记忆效应的TiNi基形状记忆合金开缝衬套5在低温(低于马氏体相变的结束温度，即Mf点)下较软，可以进行预变形扩径，变形量不超过9％，将其套在芯杆1剪切环10及止动环11上后，将带有开缝衬套5的芯杆1升温(至逆相变开始温度点As以上)，TiNi基记忆合金开缝衬套5收缩回复到原来尺寸，回复后的开缝衬套5的内孔直径应略小于芯杆1配合位置的外圆直径，以保证开缝衬套5与芯杆1之间形成紧配合关系。在铆接过程中，利用形状记忆合金在温度点Af以上时具有超弹性变形性能，开缝衬套5在压力作用下发生变形，填充在剪切环10与止动环11及钉套鼓包之间，如图13所示，其对剪切环10与止动环11及钉套鼓包之间产生作用力，提高了抽钉与被连接件之间的夹紧力。如图11与图12所示，分别为沉头抽芯铆钉与凸头抽芯铆钉用于铆接安装板一与安装板二形成的最大夹层及最小夹层的铆接效果示意图，其中由于开缝衬套5的超弹性变形填充作用，使得该产品最小适用夹层厚度减薄至原来的0.7-0.9倍，也即加宽了该产品的适用的夹层范围，每个规格产品的适用最小夹层范围拓宽至原来的约1.1-1.4倍。同时由于TiNi合金的超弹性，该产品在服役过程中，如因震动等因素造成钉套鼓包与剪切环10及被连接件之间松动时，TiNi合金开缝衬套5具有的回复到应力作用前的变形力将进一步作用到钉套鼓包及剪切环10与止动环11之间，起到防松的效果。
为保证开缝衬套5的超弹性变形填充作用，剪切环10的轴向尺寸调整为原来的1.1-1.3倍，止动环11的轴向尺寸调整为原来的1.2-1.5倍。
同时芯杆1止动环11与开缝衬套5接触的一面，设有锥形凹槽1101，锥形凹槽1101的主要起限位作用，保证记忆合金开缝衬套5在钉套鼓包与剪切环10与止动环11之间的进行弹性变形。
本实施例中的抽芯铆钉的铆接过程如下：
(1)先在待铆接部件和基体上钻一个与该抽芯铆钉外径相对应的铆接孔；
(2)再将组装好的抽芯铆钉***待铆接部件的铆接孔中，使钉套上的钉帽抵紧待铆接部件的铆接孔孔口；
(3)然后将芯杆1放入铆枪拉头，按动铆枪扳机，开始抽拉芯杆1，芯杆1与钉套之间产生相对位移，由于钉套被固定，芯杆1上的剪切环10挤压钉套钻入钉套内孔，形成盲端镦头，并使钉套膨胀，与结构产生夹紧力；
(4)同时随着铆枪拉头继续拉动芯杆1，剪切环10从芯杆1整体上被剪断下来，使芯杆1及套在芯杆1上的锁环3能继续穿过钉套移动，当钉套碰到开缝衬套5后，开缝衬套5在剪切环10及止动环11之间发生变形，对剪切环10产生应力支撑。待钉套锁紧锥槽12移动至芯杆1锁紧槽92位置时，钉套对锁环3的限制消失，记忆合金锁环3恢复至“凸字”型结构，填充与钉套锁紧锥槽12与芯杆1锁紧槽92之间，形成填充钉套端头凹槽的“安全锁”；
(5)“安全锁”锁环3填充钉套端头凹槽，开缝衬套5填充在剪切环10和止动环11之间，对鼓包及剪切环10起到应力支撑，铆枪拉头继续拉动芯杆1使芯杆1断颈槽91在钉套头部平面被拉断，使夹层之间形成可靠的连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：包括芯杆及套设于芯杆上的钉套，所述芯杆一端设有拉环槽，另一端设有止动环，所述钉套靠近拉环槽的一端内壁设有锁紧锥槽，钉套与芯杆之间设有锁环，锁环覆盖的芯杆上设有断颈槽及锁紧槽，所述锁环的材质为TiNi基记忆合金，
所述芯杆上设有剪切环，所述剪切环与钉套靠近止动环的一端相抵，剪切环与止动环之间的芯杆上套设有开缝衬套，所述开缝衬套与止动环相抵，开缝衬套的材质为TiNi基记忆合金。
2.根据权利要求1所述的新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：所述锁环内壁设有嵌入锁紧槽内的台阶。
3.根据权利要求1所述的新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：所述锁环侧壁设有开口槽。
4.根据权利要求1所述的新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：所述止动环靠近钉套的一面设有锥形凹槽，所述开缝衬套靠近止动环的一端***所述锥形凹槽内。
5.根据权利要求4所述的新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：所述开缝衬套侧壁设有开缝槽。
6.根据权利要求1所述的新型高防松抽芯铆钉，其特征在于：所述拉环槽与钉套之间的芯杆上设有卡环槽，卡环槽与钉套之间设有驱动垫片，所述驱动垫片的两端分别与卡环槽及钉套相抵。
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