[科普中國]-冷鉚

簡介

冷鉚技術(shù)自動化程度高，生產(chǎn)效率極高，可單點或多點同時連接。在需要永久性聯(lián)接裝配的場合，冷鉚工藝與焊接、螺紋緊固聯(lián)接等工藝方法相比，有成本更低、生產(chǎn)效率更高等技術(shù)優(yōu)勢，因此在批量生產(chǎn)、大量生產(chǎn)的背景條件下，對冷鉚工藝的研究，特別是對提高鉚接精度的研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

冷鉚接技術(shù)在金屬件的聯(lián)接裝配方面已經(jīng)非常普遍。根據(jù)冷鉚的技術(shù)特點及某些工程塑料的特性，冷鉚裝配工藝也適用同質(zhì)塑料件、異質(zhì)塑料件、塑料件與金屬件的鉚接裝配，只要鉚接工裝設(shè)計得當(dāng)，同樣可以實現(xiàn)精密鉚接裝配1。

塑件冷鉚裝配的理論依據(jù)眾所周知，塑料是長分子鏈的高分子聚合物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在分子鏈呈松弛態(tài)的非晶區(qū)與分子鏈呈有序態(tài)的晶區(qū)。在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟?，非晶區(qū)的分子鏈被拉直，呈有規(guī)律的排列，這種現(xiàn)象被稱為塑料的拉伸取向。同時塑料發(fā)生表觀形狀的變化，具有類似金屬材料的拉伸屈服現(xiàn)象，并形成永久的變形。實踐驗證，利用某些工程塑料所具有的這些特性，在實施鉚接過程中創(chuàng)造一定的條件，就可以采用冷鉚工藝實現(xiàn)裝配，將2 個以上零件永久性地組裝在一起。

塑件冷鉚裝配工藝要素塑料冷鉚裝配工藝要素是“鉚頭”、“鉚樁”和“鉚接件”，其作用分述如下：

鉚頭傳遞相關(guān)設(shè)備提供的壓力。鉚頭是施壓件，對鉚樁的變形部位施以強大壓力，由其主導(dǎo)并產(chǎn)生拉伸取向，在實施冷鉚工藝過程中，需要通過它來控制鉚樁的變形程度并達(dá)到裝配要求。

鉚樁是冷鉚裝配的關(guān)鍵要素，鉚樁的頭部受壓變形后，阻止鉚接件從鉚樁上滑出或脫落，冷鉚裝配聯(lián)接是通過鉚樁來實現(xiàn)的。鉚樁可以是利用塑料成型工藝制得的柱、筋等適合冷鉚工藝的形狀元素，這種方式制得的鉚樁與塑料零件成一體、材質(zhì)完全相同，無需為制鉚樁而增加成本。也可以用鉚接工藝性好的塑料制成的鉚釘，使用鉚釘可以提高冷鉚工藝的通用性及降低冷鉚工裝的置辦成本。

鉚接件可以是一個單獨的零件，也可以是通過其他工藝進(jìn)行部件裝配后的部件或組件。實施冷鉚裝配工藝時，可以將帶有鉚樁的塑料件冷鉚至其配合件上，也可以將鉚接件冷鉚到帶有鉚樁的塑料件上，完全可以根據(jù)冷鉚工藝實施的方便性及冷鉚工裝的置辦成本進(jìn)行選擇。

塑件冷鉚裝配技術(shù)原理對鉚樁的變形部位，沿鉚樁的變形方向施以拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力提高到一定程度時，鉚樁頭部就會產(chǎn)生變形；當(dāng)拉應(yīng)力足夠大時就會使鉚樁產(chǎn)生拉伸取向，產(chǎn)生拉伸取向之后，即使拉應(yīng)力撤消，鉚樁的變形也不會完全恢復(fù)，鉚樁產(chǎn)生永久性變形，所以拉伸取向是冷鉚工藝得以實現(xiàn)的理論依據(jù)。以圓樁平鉚為例，鉚頭向下擠壓鉚樁端部時，鉚樁上與鉚接件呈圓柱面配合部位的塑料受到鉚接件的約束，雖然鉚樁內(nèi)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，但摘要：塑料零件采用冷鉚裝配工藝，因不改變塑料結(jié)晶體組織，可以提高鉚接強度；室溫下鉚接，可減少因溫差造成的裝配變形。結(jié)合塑件光盤座冷鉚裝配實例，從理論、試驗和鉚頭設(shè)計等方面介紹了光盤座的冷鉚裝配工藝。

沒有變形的條件，所以該部分的鉚樁不會產(chǎn)生拉伸取向作用，也不會產(chǎn)生永久性的變形。由于鉚樁端部周邊沒有限制變形的措施和條件，鉚頭的擠壓作用迫使鉚樁的端部內(nèi)部產(chǎn)生自中心向外輻射的拉引力，從而迫使鉚樁端部塑料向周邊均勻延展，當(dāng)這種延展量足夠大時，就產(chǎn)生拉伸取向作用，塑料產(chǎn)生屈服性質(zhì)的永久性變形。

依據(jù)理論分析，塑料零件冷鉚裝配得以實現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵是利用塑料的拉伸取向特性，在塑料具有拉伸取向能力的前提條件下，拉伸取向的實現(xiàn)則需要滿足兩個基本條件：一是能夠產(chǎn)生拉伸取向的應(yīng)力；二是塑料產(chǎn)生足夠大的變形量。只有同時滿足了上述兩個條件，才能使鉚頭壓力撤消之后的變形穩(wěn)定地保持下來。

通過實踐驗證，只要合理地處理變形應(yīng)力和控制好鉚樁的變形部位，就可以達(dá)到理想的鉚接效果。而對于裝配精度要求高的冷鉚裝配，還需要控制好鉚樁與鉚接件配合部位的精度，選擇適當(dāng)?shù)你T接壓力，確保鉚接時僅在鉚樁端部產(chǎn)生永久性的變形，又不壓傷和不破壞零件其他部位的精度。

鉚頭壓力選取以光盤座裝配為例，如果鉚頭壓力大，雖然對鉚頭的變形、產(chǎn)生拉取向作用有利，但是過大的鉚接壓力會造成鉚樁根部變形，嚴(yán)重時會使薄鋼板材質(zhì)的磁軛座產(chǎn)生變形而失去精度；反之，如果鉚頭壓力過小，會造成拉伸取向效果不足，彈性變形量過大，產(chǎn)生鉚接松動現(xiàn)象。因此適當(dāng)?shù)你T頭壓力對塑料件的冷鉚裝配十分重要。實踐過程中，首先進(jìn)行鉚接壓力的估算，然后由可以調(diào)整壓力的機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整選取合適的壓力。壓力的估算可以通過下式進(jìn)行。

鉚頭壓力調(diào)整以光盤座三點同時冷鉚裝配用鉚頭為例，鉚頭的結(jié)構(gòu)配置有三支鉚頭，并與鉚頭座上的對應(yīng)孔進(jìn)行間隙配合；浮動套與鉚頭座上對應(yīng)的內(nèi)圓柱面進(jìn)行間隙配合；調(diào)整芯軸大端部與鉚頭座上對應(yīng)的內(nèi)圓柱面進(jìn)行配合；調(diào)整芯軸的螺柱穿過壓簧、浮動套旋入鉚頭座的螺紋孔。以鉚頭座的帶肩外圓面作為安裝面在壓力機(jī)（例如曲柄壓力機(jī)）上安裝，使用內(nèi)六角扳手右旋調(diào)整芯軸，壓簧的預(yù)壓力減??；左旋轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，預(yù)壓力增大。鉚接壓力就可以通過調(diào)整壓簧的預(yù)壓力來實現(xiàn)2。

改善鉚接效果與提高鉚接精度以光盤座裝配為例，為保證順利讀寫光記錄信號，關(guān)鍵的技術(shù)要求之一是光盤座（注塑件）與磁軛座（導(dǎo)磁材料的沖壓件）組合在一起后，光盤支承面的面跳動量需要控制在0.04mm 范圍內(nèi)，否則就出現(xiàn)光盤的讀寫困難。顯然這是一種較高精度的裝配，組裝過程中，既不允許破壞光盤座、磁軛座原有的精度，也不允許有組裝變形。如采用對鉚樁變形部位先加熱后鉚接的熱鉚裝配工藝，或使用超聲波鉚接裝配工藝，都因在裝配過程中存在熱變形，由于熱脹冷縮效應(yīng)，使得批量生產(chǎn)情況下的裝配精度不穩(wěn)定，成品率很低。雖然冷鉚裝配可以有效地避免熱脹冷縮帶來的不利影響，但在冷鉚擠壓過程中不可避免地存在彈性變形，彈性變形又會導(dǎo)致鉚接松動現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)松動現(xiàn)象，只有通過加大鉚接壓力得到更大的變形量來消除，而過大的鉚接力會導(dǎo)致工件變形，直接影響到裝配精度。為了很好地解決精度與鉚接力的搭配問題，經(jīng)試驗，在鉚頭的鉚接面上設(shè)置一些小凸臺，通過加大鉚接面的表面積，可以產(chǎn)生非常好的效果。

在鉚頭的鉚接面上設(shè)計并制造相互交叉有規(guī)律的小凸筋，就是一種效果不錯的方法，同時可以在工件的鉚接面上得到美觀的鉚接花紋。

總結(jié)（1）塑料除了具有優(yōu)良的熱塑性能外，還具有如金屬材料一樣的冷作加工性能，本文敘述的冷鉚裝配，說明熱塑性塑料具有類似于金屬材料的壓延、拉伸特性。

（2）冷鉚裝配部位占據(jù)的空間小且不易脆化，具有抗振、耐老化、耐沖擊的特點，易得到美觀、牢固的鉚接效果；可以替代塑料零件的熔接、粘接、螺紋聯(lián)接等裝配工藝，簡化工藝過程，大幅度減少裝配工時，易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

（3）工程塑料的熱塑性加工，盡管其技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但在熱塑過程中會造成長分子鏈的斷裂和分解，產(chǎn)生對人體有害的有毒氣體。另外熱塑過程中不可避免地要消耗大量的熱能。而采用沖裁、冷鉚等冷作工藝方法，既節(jié)省熱能，又不會產(chǎn)生對人體有害的氣體，節(jié)能環(huán)保。

（4）塑料零件的冷鉚工藝不使用有毒的溶劑和輔助用品，更加環(huán)保。合理設(shè)計冷鉚裝配工裝，可以解決不同材質(zhì)零件永久聯(lián)接的高精度裝配問題，并提高大批量生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的合格率。

（5）對塑料零件的冷鉚裝配工藝的研究應(yīng)包括塑料的結(jié)晶度，因為過高的結(jié)晶度，塑料呈現(xiàn)脆性，易造成冷鉚開裂；過低的結(jié)晶度，塑料呈現(xiàn)較大的彈性，易造成鉚接松動。

（6）結(jié)晶度高的塑料，可以通過改變澆口及成型工藝的模溫、壓力等工藝參數(shù)，降低其結(jié)晶度，弱化脆性以適合鉚接；對結(jié)晶度低的塑料，可以通過添加短玻纖或晶核材料，提高結(jié)晶度，改善塑料的鉚接性能3。