壓鉚螺母強度及疲勞壽命試驗研究 Experimental Research on Strength and Fatigue Life of Self-Riveting Nuts

溫歡 WEN Huan 謝建良 XIE Jian-liang 鐘智祎 ZHONG Zhi-yi

摘要：為探究壓鉚螺母推廣應用的可行性，本文通過靜載力學試驗，得出了壓鉚螺母CLS-M8-2的推出力、扭出力矩以及極限安裝力矩;同時，基于不同應力水平進行了疲勞壽命測試，得到了CLS-M8-2的疲勞壽命數據，擬合了S-N曲線，總結了壓鉚螺母疲勞壽命規律;驗證了壓鉚螺母CLS-M8-2的靜力學強度、疲勞強度及應用可靠性。

Abstract： In order to explore the feasibility of the promotion and application of the pressure riveting nut， In this paper obtained the push force， torque and limit installation torque of the pressure riveting nut CLS-M8-2 through the static load test. Meanwhile， the fatigue life test of CLS-M8-2 was carried out based on different stress levels， and the fatigue life data of CLS-M8-2 was obtained. The S-N curve was fitted， and the fatigue life law of riveting nut was summarized. The static strength， fatigue strength and application reliability of pressure riveting nut CLS-M8-2 are verified.

關鍵詞：壓鉚螺母;靜載力學試驗;軸向疲勞試驗;S-N曲線

Key words： pressure riveting nut;static loading test;axial fatigue test;sn curves

中圖分類號：V261.2+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A?   ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0032-02

0? 引言

隨著軌道交通裝備的快速發展，列車運行速度的提升，列車輕量化、節能環保是行業發展的方向。鋁合金密度低、比強度高，正被大量應用于軌道車輛裝備核心部件的變流器柜體上。變流器柜體中采用大量不銹鋼螺母的零件，以實現器件的螺栓連接。而傳統的焊接已不適用于鋁合金和不銹鋼螺母的復合連接，因此需采用壓鉚工藝實現鋁合金和不銹鋼螺母的連接。用壓鉚螺母代替焊接螺母，還具有成本低、工藝簡單、人員技能要求低等優點。

1? 試驗設計

根據壓鉚螺母產品應用的特點與要求，制定了圖1所示的壓鉚螺母應用的驗證方案技術路線。

壓鉚螺母通過防轉花齒擠壓使母材塑性流動至防拉溝槽內，從而產生鎖緊效果。選用PEM品牌CLS-M8-2壓鉚螺母，材質為不銹鋼，其結構如圖2所示。

2? 靜載試驗

壓鉚螺母通過壓鉚過程壓裝在板材上，并具備了一定防扭轉與防推出能力，靜載試驗的目標是檢測壓鉚螺母的推出力、扭出力矩以及極限安裝力矩。

2.1 推出力試驗

先將螺栓從背面擰入螺母中，試驗機沿螺母軸線垂直向下，逐漸增大壓力，直到螺母被推出，試驗過程中最大載荷為推出力。

2.2 扭出力矩試驗

先將試樣固定，再將螺栓從正面擰入螺母中。用數顯扭力扳手施加逐漸增大的緊固力矩，直到螺母與板材發生相對轉動，數顯扭力扳手自動記錄下的最大力矩即為壓鉚螺母的扭出力矩。

2.3 極限安裝力矩試驗

極限安裝力矩試驗通過模擬產品實際安裝形式，測量最大的極限安裝力矩，試驗方法與扭出力矩試驗類似。

2.4 試驗試樣

試樣縫分別采用100mm×100mm×3mm鍍鋅鋼板、Q235鋼板、5083-O鋁板作為基板，CLS-M8-2壓鉚螺母進行壓接，試驗用螺栓均采用8.8級鍍彩鋅六角頭螺栓。

2.5 試驗數據及分析

2.5.1 推出力? 通過表1數據分析，試驗測量的推出力比標準值高出143%～256.5%，壓鉚螺母在不同材料上的推出力大關系滿足：碳鋼>鍍鋅鋼>鋁合金。

2.5.2 扭出力矩? 通過表2數據分析，試驗測量的扭出力矩比標準值高出103.7%～158.7%，壓鉚螺母在不同材料上的扭出力矩大關系滿足：碳鋼>鍍鋅鋼>鋁合金。

2.5.3 極限安裝力矩? 通過表3數據分析，試驗測量的極限安裝力矩高出工藝標準值136.3%～192.6%。

3? 疲勞壽命試驗

3.1 疲勞壽命試驗方案

根據GJB715.30A-2002《緊固件試驗方法 拉伸疲勞》、GB/T 24176-2009 《金屬材料 疲勞試驗 數據統計方案與分析方法》，在給定的應力S下進行疲勞試驗，分成多個應力水平，每個應力水平做3個試樣，測量每一試樣的疲勞壽命值。

3.2 軸向疲勞壽命試驗結果及分析

通過表4數據分析，CLS-M8-2軸向疲勞壽命在105～107次數之間，軸向疲勞壽命較高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命比較穩定;隨著疲勞載荷減小，CLS-M8-2軸向疲勞壽命也隨之增加，在靜載極限的0.4倍載荷的疲勞作用下，CLS-M8-2達到軸向疲勞壽命就極限500萬次，軸向疲勞極限載荷為8.64kN。根據實驗結果可見，CLS-M8-2的軸向疲勞壽命整體較高。

3.3 腐蝕疲勞試驗結果分析

根據GJB 1997-1994《金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法》，把試樣浸泡在3.5%NaCl水溶液中，在室溫、r=0.1、f=5Hz的條件下進行軸向疲勞試驗，測量了腐蝕疲勞壽命數據。根據表5數據可知，CLS-M8-2在室溫、r=0.1、f=5Hz的條件下，通過了10萬次的軸向腐蝕疲勞壽命檢測。

4? 結論

①試驗表明，壓鉚螺母CLS-M8-2壓裝在碳鋼、鍍鋅鋼、鋁合金基材上的推出力、扭出力矩、極限安裝力矩均符合性能指標要求;②壓鉚螺母CLS-M8-2在室溫25℃、應力比0.1、f=50Hz的條件下，通過了500萬次的軸向疲勞壽命檢測，軸向疲勞極限載荷為8.64kN;試驗證明：在軸向疲勞循環載荷下，壓鉚螺母應用于產品上是可行的;③壓鉚螺母CLS-M8-2浸泡3.5%NaCl水溶液中，在室溫25℃、應力比0.1、f=5Hz的條件下，通過10萬次軸向腐蝕疲勞壽命測試;試驗表明：CLS-M8-2壓鉚螺母結構具有良好的抗腐蝕性能。

參考文獻：

[1]邵兵.壓鉚連接的成形原理及應用[J].機械研究與應用，2004.

[2]白龍.國內外常用金屬材料軸向疲勞試驗方法標準差異分析[J].理化檢驗（物理分冊），2012.

[3]李雄，張小陽，賀慶輝，黃美雪，唐岱，銀如平，邵攀峰.異種輕質金屬鉚接接頭力學性能實驗研究[J].內燃機與配件，2021.