環(huán)槽鉚釘的原理及在民用飛機上的典型應用

林樹德

摘 要：本文介紹了環(huán)槽鉚釘的特點、分類、結構原理以及在民用飛機上的典型應用。

關鍵詞：環(huán)槽鉚釘；特點；分類；結構原理；應用

環(huán)槽鉚釘（Lock bolt），是一種高強度、緊固件，其連接強度高，耐疲勞性能好，已廣泛應用于飛機的結構連接。環(huán)槽鉚釘的材料主要有Ti-6Al-4V、合金鋼和不銹鋼。釘套的材料主要有合金鋼、Ti-3Al-2.5V、工業(yè)純鈦等。頭部形式主要有凸頭、100°埋頭、130°埋頭等。

1 環(huán)槽鉚釘的特點[1]

環(huán)槽鉚釘與普通鉚釘相比，具有如下幾個優(yōu)點：

（1）環(huán)槽鉚釘具有強度高、抗疲勞特性好以及密封性好等優(yōu)點。與普通鉚釘相比，環(huán)槽鉚釘的釘桿在鉚接過程中不產生鐓粗變形，因而就允許采用高強度的材料來制造釘桿，以提高結構的連接強度。

（2）能拉鉚成型，這是環(huán)槽鉚釘最主要的鉚接工藝。拉鉚型環(huán)槽鉚釘主要的優(yōu)點有：a.當夾層層數過多或夾層厚度過大時，采用普通鉚釘鉚接比較困難，而拉鉚型環(huán)槽鉚釘很好地解決了這個問題。b.其采用靜力鉚接，在安裝時釘孔和其裝配型架不會產生沖擊變形和破壞，安裝時無噪聲。c.安裝時采用拉鉚，不需常規(guī)的鉚接形成鐓頭，相對傳統(tǒng)鉚接噪聲小，安裝更加簡單。d.預緊力較大。e.能單面施鉚，對鉚接通路的開敞性要求不高。f.釘桿鎖槽上采用的特殊結構，導致釘套在釘桿上做近似于單面運動，自鎖性能較好。

（3）可以直接用于零件斜度不大于7°的斜面上，從而避免使用特殊的螺母和墊圈以減輕重量成本，工藝過程簡單。

2 環(huán)槽鉚釘的分類

（1）按鉚接形式分為拉鉚型環(huán)槽鉚釘和鐓鉚型環(huán)槽鉚釘兩大類。其中，拉鉚型環(huán)槽鉚釘應用最廣泛，它是采用拉槍和專用的成型模腔，從釘套端工作使其擠壓成型。鐓鉚型環(huán)槽鉚釘常用于自動化裝配的場合，它是采用壓鉚機或鉚槍，使用專用沖模，工具從釘頭和釘套兩端使釘套擠壓成型的方法。鐓鉚型環(huán)槽鉚釘與普通鉚釘的結構不同，環(huán)槽鉚釘由釘桿和釘套兩部分組成。此外，拉鉚型環(huán)槽鉚釘的釘桿尾部有拉槽，用于固定安裝工具。

（2）按在飛機結構中的受力形式分為抗剪型環(huán)槽鉚釘和抗拉型環(huán)槽鉚釘兩種。二者的主要區(qū)別是，釘桿上的環(huán)槽形狀和數量不同。抗拉型環(huán)槽鉚釘的環(huán)槽數目要多于抗剪型環(huán)槽鉚釘，且環(huán)槽的數目隨鉚釘直徑的增大而增多。增加環(huán)槽的目的是為了在鉚接成型時，釘套的材料多擠進環(huán)槽一些，從而增加釘套的受剪面積，使鉚釘沿軸向可以承受較大的抗拉力。

3 環(huán)槽鉚釘的結構原理

Huck環(huán)槽鉚釘的結構原理如下：

此類環(huán)槽鉚釘鎖槽的牙底是錐形的且深度和螺距都是變化的。在開始安裝時，內部光滑的釘套上的材料被大量地擠壓進釘桿上的鎖槽內，使釘套和釘桿100%的結合，這樣就使環(huán)槽鉚釘具有最大抗拉強度。鎖槽20°的牙側角作為一個平臺以保持在開始的模鍛過程中產生的高夾持載荷，并且在安裝完成后保持殘余的夾持載荷。另外，鎖槽的20°和40°牙側角的結構形式類似于螺紋中的鋸齒形螺紋，作用時只能單向傳動，即釘套在安裝過程中容易向著釘頭方向移動，而反方向的移動卻很困難，這樣就能提供很好的自鎖作用。

4 環(huán)槽鉚釘的典型應用

環(huán)槽鉚釘在飛機結構上只用于受力較大和需要較好的結構疲勞特性的部位。例如，梁緣條與腹板的連接；受集中力的接頭連接；大開口加強件與蒙皮的連接；窗框加強件與蒙皮的連接；加強框緣與腹板的連接；普通框對接處的連接；梁腹板上的支柱兩端頭的連接；長桁端頭與加強框、對接墊板、蒙皮的連接以及加強角片的連接等。

一件優(yōu)秀的航空產品，必須擁有較好的綜合性能，而達到這種效果的，僅僅靠使用一種結構材料來實現是不可能的，必須綜合每種材料的最好性能，即必須混合使用特性不同的材料，以達到減輕重量、提高結構疲勞壽命、防腐等要求，這樣就意味著會產生很多混合結構連接。空客A380的中央翼盒是航空史上最大的復合材料部件，也是第一次位于耐壓艙壁后面的后機身部分使用復合材料，為此美鋁緊固件系統(tǒng)研發(fā)了XPL?環(huán)槽鉚釘用來連接A380中央翼盒上的復合材料部件和金屬材料部件。由于中央翼盒的舷弧尺寸、緊固件的尺寸很大，Alcoa公司就從機車和礦車等工業(yè)借用一些安裝工具的設計。XPL?環(huán)槽鉚釘與傳統(tǒng)的環(huán)槽鉚釘不同，它的強度更高，夾持范圍更大，釘套、鎖槽和釘頭形式都進行了重新的設計，釘套則采用Ti-3Al-2.5V，釘桿上有6～8個鎖槽，其強度比工業(yè)純鈦高，同時又有良好的塑性和熱穩(wěn)定性。除了中央翼盒，XPL也應用于發(fā)動機吊掛和翼身的連接部位。

5 結束語

環(huán)槽鉚釘具有較高的連接強度和較好的綜合性能，能夠滿足多種情況下的使用要求，在國內外先進的飛機型號中已經有廣泛的應用和豐富的使用經驗，在今后的飛機設計中，應該廣泛推廣使用。

參考文獻

[1]楊信聯(lián)，沈志誠.環(huán)槽鉚釘拉模設計參數分析及其優(yōu)化[J].航空制造技術，1997（4）：40-42.

（作者單位：中航沈飛民用飛機有限責任公司）