銅包鋁排壓鉚螺母壓鉚工藝分析試驗(yàn)

陸凱雷，裴雷振，劉 亮，楊 啟，閆繼豪

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025)

0 引 言

銅包鋁復(fù)合材料是一種內(nèi)層為鋁，外層為銅且兩者界面牢固結(jié)合的新型復(fù)合材料,其不僅具有銅優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，而且具有鋁密度小、價(jià)格低等特點(diǎn)，正逐步應(yīng)用于汽車，電力等行業(yè)，具有非常廣闊的發(fā)展前景[1-3]。

壓鉚螺母是一種一端具有花齒及防拉溝槽，一端為圓形，內(nèi)部為螺紋的新型螺母結(jié)構(gòu)，具有安裝簡(jiǎn)單，裝配方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空間狹小或不宜采用普通螺母的場(chǎng)合[4-6]。

由于銅包鋁排獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在壓鉚螺母的使用過程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)或脫落的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，后續(xù)的返工也帶來了時(shí)間和成本的增加。然而，目前在文獻(xiàn)資料中對(duì)銅包鋁排壓鉚螺母壓鉚工藝的描述較少。研究銅包鋁排壓鉚螺母的壓鉚工藝對(duì)于銅包鋁排的推廣使用具有十分重要的意義。

筆者以銅包鋁排、壓鉚螺母為材料，研究了銅包鋁排沖孔結(jié)構(gòu)特征，沖壓面壓鉚和背面壓鉚時(shí)壓鉚螺母推出力的大小、壓鉚力大小對(duì)銅包鋁排宏觀變形以及壓鉚螺母推出力的影響，然后對(duì)其截面特征進(jìn)行分析,最后，對(duì)壓鉚工藝改進(jìn)后的試樣進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

壓鉚螺母：型號(hào)為S-M6-2，底孔為φ8.75，材質(zhì)：10B21，表面藍(lán)白鋅處理。其相關(guān)尺寸如表1所列，其結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。銅包鋁排：厚度5 mm，寬度：30 mm，成型工藝：軋制復(fù)合法，銅含量不低于30%，其性能參數(shù)如表2所列。采用數(shù)控沖床制備銅包鋁排預(yù)制孔；將壓鉚螺母前端放入銅包鋁排預(yù)制孔內(nèi)，然后利用壓鉚機(jī)將壓鉚螺母壓入銅包鋁排。

采用以下壓鉚工藝制備試樣：①在銅包鋁沖壓面壓鉚和背面壓鉚并采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試壓鉚螺母推出力，用于選擇合適的壓鉚面；②銅包鋁排沖壓面進(jìn)行壓鉚，壓鉚力分別為7.5 kN、10 kN、12.5 kN、15 kN、17.5 kN，用于選擇合適的壓鉚力。

圖1 壓鉚螺母結(jié)構(gòu)示意圖

表1 S-M6-2型壓鉚螺母主要參數(shù)

表2 銅包鋁排的性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

采用游標(biāo)卡尺測(cè)量銅包鋁沖壓面和背面的尺寸；采用型號(hào)為CTM9100的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)壓鉚螺母推出力大小，試驗(yàn)速率：0.1 mm/min，室溫下進(jìn)行；采用線切割將沖壓面壓鉚和背面壓鉚后的銅包鋁排橫向切開，觀察壓鉚后壓鉚螺母和銅包鋁排的結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 銅包鋁沖孔后微觀結(jié)構(gòu)

圖2為銅包鋁沖孔后沖壓面(a)和背面(b)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 銅包鋁沖孔后沖壓面和背面

可以看出，5 mm厚的銅包鋁排沖壓面和背面銅層厚度相同約為0.7 mm。銅包鋁排沖孔后，在正面即沖壓面圓周會(huì)形成凹陷，背面較為平整。在沖孔時(shí)，首先沖壓面層的銅層受到上模向下的擠壓力，導(dǎo)致銅層在圓孔周圍發(fā)生凹陷，擠壓鋁層；鋁層受到凸模與凹模的剪切形成毛刺，背面銅層受到向下的拉力，孔周圍銅層變薄直至斷裂，形成沖壓孔，且沖壓面的平均孔徑略大于背面[7]。這是由于沖孔模具的凸模和凹模之間存在配合間隙，凸模尺寸略小于凹模[8]。

2.2 沖壓面壓鉚和背面壓鉚對(duì)壓鉚螺母推出力大小的影響

銅包鋁排沖壓面壓鉚和背面壓鉚對(duì)壓鉚螺母推出力大小的影響試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。在沖壓面進(jìn)行壓鉚的壓鉚螺母的推出力明顯大于在背面壓鉚。這是由于采用沖壓面進(jìn)行壓鉚時(shí)，壓鉚螺母的花齒擠入銅層，壓鉚螺母的外圓擠壓孔周圍的銅層，導(dǎo)致孔周圍原本凹陷的銅層和鋁層發(fā)生局部變形，端部輕微翹起，進(jìn)入防拉溝槽內(nèi)，填充入防拉溝槽內(nèi)部，如圖3所示。而采用銅包鋁排背面進(jìn)行壓鉚時(shí)，由于背面孔徑略大于沖壓面平均孔徑，且背面孔周圍銅層在沖孔的過程中受到拉力變薄，進(jìn)入防拉溝槽的銅含量較少，導(dǎo)致銅包鋁排在沖壓面壓鉚時(shí)壓鉚螺母推出力遠(yuǎn)大于在背面壓鉚。

表3 銅包鋁排沖壓面壓鉚和背面壓鉚對(duì)壓鉚螺母推出力的影響

圖3 銅包鋁排沖壓面壓鉚

2.3 壓鉚力大小對(duì)銅包鋁排宏觀變形的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)壓鉚力大于7.5 kN時(shí)，壓鉚螺母即可與銅包鋁貼緊，滿足壓鉚要求。圖4分別為未進(jìn)行壓鉚以及壓鉚力為15 kN、17.5 kN時(shí)，銅包鋁排壓鉚螺母背面照片?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著壓鉚力的增加，銅包鋁排的變形量逐漸變大。當(dāng)壓鉚力為15 kN時(shí)，銅包鋁排背面未發(fā)生明顯變形。而當(dāng)銅包鋁排的壓鉚力為17.5 kN時(shí)，銅包鋁排背面出現(xiàn)鋁擠出表面銅層的現(xiàn)象，無法滿足使用要求。

圖4 不同壓鉚力下銅包鋁排背面

2.4 壓鉚力對(duì)壓鉚螺母推出力的影響

壓鉚力對(duì)壓鉚螺母推出力的影響如圖5所示?？梢钥闯?，壓鉚螺母的推出力隨著壓鉚力的增加而增加。當(dāng)壓鉚力為7.5 kN時(shí)，壓鉚螺母的推出力最小，且最大值與最小值差為866 N，壓鉚質(zhì)量不穩(wěn)定。當(dāng)壓鉚力為12.5 kN，壓鉚螺母的推出力約為2 310 N，最大值與最小值差156 N，壓鉚質(zhì)量較為穩(wěn)定。當(dāng)壓鉚力為15 kN時(shí)，壓鉚螺母的推出力約為2352N，較壓鉚力為12.5 kN時(shí)增幅較小，且當(dāng)壓鉚力為15 kN時(shí)，最大值與最小值差為486 N，壓鉚質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，為了避免壓鉚過程中銅包鋁排發(fā)生變形，保證壓鉚質(zhì)量的穩(wěn)定性，設(shè)置壓鉚力大小為12.5 kN。

圖5 壓鉚力對(duì)壓鉚螺母推出力的影響

2.5 銅包鋁壓鉚螺母后縱向截面分析

從圖6中可以看出，隨著壓鉚力的增加，壓鉚螺母防拉溝槽內(nèi)部的填充金屬量不斷增加。當(dāng)壓鉚力為7.5kN時(shí)，壓鉚螺母防拉溝槽內(nèi)部的填充金屬量較少，且填充量不均勻。這也導(dǎo)致銅包鋁壓鉚螺母推出力較小，且推出力大小波動(dòng)幅度較大。當(dāng)壓鉚力為12.5 kN時(shí)，壓鉚螺母防拉溝槽內(nèi)部金屬填充量較多，外層銅合金和內(nèi)層鋁合金在壓鉚螺母的壓力下發(fā)生變形，填充到防拉溝槽內(nèi)部，阻礙壓鉚螺母脫落，同時(shí)壓鉚螺母花齒進(jìn)入銅層，防止壓鉚螺釘在緊固或拆卸時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓鉚力為15 kN時(shí)，進(jìn)入到壓鉚螺母防拉溝槽內(nèi)部的金屬量增幅較小，壓鉚螺母的推出力增幅較小。

圖6 不同壓鉚力下銅包鋁壓鉚后截面圖

2.6 對(duì)銅包鋁壓鉚螺母壓鉚效果進(jìn)行驗(yàn)證

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)銅包鋁壓鉚螺母壓鉚效果的驗(yàn)證過程，模仿產(chǎn)品的整個(gè)試驗(yàn)裝配過程，驗(yàn)證過程為：先用沖擊扳手拆裝2次，力矩值約12 N·m，后用力矩扳手拆裝5次，力矩值為8 N·m。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)壓鉚力為12.5 kN時(shí)，126個(gè)壓鉚螺母試樣均未出現(xiàn)松動(dòng)或推出的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

以銅包鋁排、壓鉚螺母為研究對(duì)象，研究了銅包鋁壓鉚螺母的壓鉚工藝，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，該研究結(jié)果對(duì)于銅包鋁排的推廣應(yīng)用以及壓鉚設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 銅包鋁排沖壓面壓鉚時(shí)壓鉚螺母的推出力明顯高于背面壓鉚。

(2) 壓鉚螺母防拉溝槽內(nèi)的填充金屬量及推出力隨著壓鉚力的增加而增加，但當(dāng)壓鉚力增加到一定值后，銅包鋁排背面出現(xiàn)鋁擠出表面銅層的現(xiàn)象，無法滿足使用要求。

(3) 厚度為5 mm型銅包鋁排在使用M6的壓鉚螺母時(shí)，應(yīng)采用沖壓面進(jìn)行壓鉚，壓鉚力為12.5kN。