充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件及其使用方法

技术领域

本发明涉及铆接技术领域，尤其涉及一种充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件及其使用方法。

背景技术

在建筑结构、桥梁结构、风电塔筒、输电铁塔以及机械设备中，连接零部件的紧固件承受剪力作用是常见情形之一。当紧固件的公称直径大于10mm时，此类抗剪连接使用的紧固件主要有普通铆钉、环槽铆钉和螺栓三种。

采用普通铆钉连接时，铆钉能够充盈零部件的孔体实现紧密接触，受力性能可靠、受剪力作用时连接变形小且具有较好的抵抗动荷载能力；但普通铆钉需要体形及重量均较大的专用设备进行安装，效率低，特别是安装空间狭小的连接部位，设备受限无法保障连接质量。采用环槽铆钉连接时，通常可实现零部件之间的紧密贴合，针对于摩擦型传力方式的抗剪连接，受力性能可靠；但对于零部件为不锈钢或铝合金或其他表面粗糙度较低的材料而言，受剪力作用时铆钉与孔体之间存在间隙从而导致滑移变形大，连接性能差，并且环槽铆钉也需体积较大的专用设备进行安装，铆固时机动性较差，质量难以保障。采用螺栓连接时，利用螺纹实现紧固，安装效率高、对安装空间适应性强，无需特制设备；但对于承受动荷载的受剪连接，当零部件表面的粗糙度较低无法依靠摩擦传力时，因螺孔与螺栓之间的间隙导致滑移变形较大影响连接的抗剪性能，严重时会影响结构的整体受力性能。

因此，亟需研制一种安装效率高、连接质量稳定可靠且能够适用于无法依靠摩擦传力的零部件连接的抗剪紧固件。

发明内容

为克服现有抗剪紧固件无法同时满足安装效率高、连接质量稳定可靠、滑移变形小的技术缺陷，本发明提供了一种充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件及其使用方法。

本发明提供的充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件包括：

螺管，其包括第一头部和管本体，所述管本体设有内螺纹；

铆管，其适于间隙套接在所述管本体外侧，所述铆管的长度大于所述管本体的长度；

套管，其适于间隙套接在所述铆管的外侧，所述套管的长度与所述管本体的长度相等，所述套管的侧壁设有通缝，所述通缝的两端延伸至所述套管的两端，所述通缝适于释放环向约束力；

螺杆，其包括第二头部和杆本体，所述杆本体设有外螺纹，所述外螺纹与所述管本体的内螺纹适配；

所述螺管的屈服强度、套管的屈服强度和螺杆的屈服强度皆大于所述铆管的屈服强度，紧固时所述铆管在所述第一头部和第二头部的挤压作用下横向膨胀并迫使所述套管通过所述通缝横向扩展。

可选的，所述第一头部和第二头部皆包括六角头和半圆头，所述六角头与对应的管本体或杆本体连接且同轴，所述半圆头为球缺，所述球缺的高小于对应球体的半径，所述球缺的底面贴合于所述六角头的端面上，且所述球缺的底面圆心位于所述六角头的轴线上。

可选的，所述六角头背离所述球缺的端面内接有圆形垫片，所述圆形垫片、六角头和半圆头一体锻造成型。

可选的，所述圆形垫片的外端面的平均粗糙度≤Ra1.6。

可选的，所述管本体外圆面的平均粗糙度、所述铆管内圆面和外圆面的平均粗糙度、所述套管内圆面的平均粗糙度皆≤Ra1.6。

可选的，所述管本体的根部与所述铆管的端部之间、所述杆本体的根部与所述管本体的端部之间皆通过倒角配合。

可选的，所述螺杆的公称直径≥5mm，所述螺管的外径≥9mm，所述套管的壁厚为0.6mm至1.2mm，所述通缝的宽度≤0.25mm。

可选的，所述螺管、套管和螺杆的材质为不锈钢S304或钛TA2，所述铆管的材质为铝合金3003-H12。

本发明提供的充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件的使用方法，依次包括如下步骤：

S1.根据被连接零部件的总厚度t和连接孔的直径d，选择长度为L且外径为D的套管，L=t-（0.2mm至0.5mm），D=d-（0.2mm至0.5mm）；

S2.在螺管外依次套接铆管和套管，再将装配件从连接孔的一侧插入；

S3.将螺杆从连接孔的另一侧旋拧至螺管内；

S4.对第一头部或第二头部施加扭矩，迫使铆管横向膨胀，挤压套管横向扩展，直至所述充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件充盈连接孔，完成装配。

可选的，步骤S2中，螺管与铆管之间、铆管与套管之间皆涂有无腐蚀性的润滑剂。

本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本发明提供的充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件，包括螺管、铆管、套管和螺杆，螺管包括第一头部和管本体，螺杆包括第二头部和杆本体，杆本体螺接于管本体内，通过旋拧第二头部或第一头部挤压铆管使铆管横向膨胀，从而迫使套管横向扩展，直至紧固件充盈连接孔，如此实现紧固件与连接孔的铆接。本抗剪紧固件能够与连接孔的孔壁紧密接触，传力直接，滑移变形小，能够适用于抗剪连接变形要求严格的零部件连接；并且，屈服强度相对较小的铆管处于连接孔、第一头部和第二头部的三向约束状态，具有良好的耗能能力，尤其适用于动载荷作用下的抗剪连接。本抗剪紧固件在安装时，采用手动或电动扭矩扳手即可，无需体积或重量较大的专用设备，铆接效率高，同时对安装空间的适应性强，能够保证铆接质量的稳定可靠；并且，本紧固件的铆接是通过对第一头部或第二头部施加扭矩来完成，能够通过控制扭矩大小来控制铆接状态，安装精度可控；再者，由于部件采用间隙装配，可微调，方便紧固件数量较多或安装精度要求较高的零部件安装；另外，当紧固件达到其使用寿命或者需要拆解时，拆除螺杆及螺管即可释放紧固件的预拉力、铆接产生的环向应力，拆解或更换方便。

本发明提供的充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件的使用方法，通过选择与连接孔适配的套管，能够保证紧固件与连接孔的铆接质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1表示本发明实施例1中所述充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件的装配结构示意图；

图2表示本发明实施例1中所述螺管的结构示意图；

图3表示本发明实施例1中所述铆管的结构示意图；

图4表示本发明实施例1中所述套管的结构示意图；

图5表示本发明实施例1中所述螺杆的结构示意图；

图6表示本发明实施例2中所述铆管的装配过程示意图；

图7表示本发明实施例2中所述套管的装配过程示意图；

图8表示本发明实施例2中所述螺管、铆管和套管形成装配件的结构示意图；

图9表示本发明实施例2中所述螺杆的装配过程示意图。

图中：

1、螺管；11、第一头部；12、管本体；2、铆管；3、套管；31、通缝；4、螺杆；41、第二头部；42、杆本体；51、六角头；52、半圆头；53、圆形垫片；6、倒角。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件，包括螺管1、铆管2、套管3和螺杆4；螺管1包括第一头部11和管本体12，管本体12设有内螺纹；铆管2适于间隙套接在管本体12外侧，铆管2的长度大于管本体12的长度；套管3适于间隙套接在铆管2的外侧，套管3的长度与管本体12的长度相等，套管3的侧壁设有通缝31，通缝31的两端延伸至套管3的两端，通缝31适于释放环向约束力；螺杆4包括第二头部41和杆本体42，杆本体42设有外螺纹，外螺纹与管本体12的内螺纹适配；螺管1的屈服强度、套管3的屈服强度和螺杆4的屈服强度皆大于铆管2的屈服强度，紧固时铆管2在第一头部11和第二头部41的挤压作用下横向膨胀并迫使套管3通过通缝31横向扩展。

本实施例中，第一头部11和第二头部41皆包括六角头51和半圆头52，六角头51与对应的管本体12或杆本体42连接且同轴，半圆头52为球缺，球缺的高小于对应球体的半径，球缺的底面贴合于六角头51的端面上，且球缺的底面圆心位于六角头51的轴线上。

容易理解的，六角头51即普通螺栓的头部形状，扁状的正六棱柱；球缺即球被平面截下的一部分，截面叫球缺的底面，垂直于底面的直径被截下的高度为球缺的高。

本实施例中的第一头部11和第二头部41，六角头51用于手动或电动扭矩扳手紧固时的卡固；半圆头52具有良好的装饰效果，并且能够对头部的强度及刚度进行加强，同时还可以避免碰撞对紧固件造成损伤，从而有效地延长了紧固件的使用寿命。

进一步的，六角头51背离球缺的端面内接有圆形垫片53，圆形垫片53、六角头51和半圆头52一体锻造成型。圆形垫片53可以防止六角头51紧固过程中对被连接零部件的划伤，圆形垫片53、六角头51和半圆头52一体成型能够避免圆形垫片53的丢失。

具体的，圆形垫片53的外端面的平均粗糙度≤Ra1.6，避免圆形垫片53粗糙度过大啃咬被连接件。

需要说明的是，本实施例中，不仅管本体12设有内螺纹，六角头51中也设有内螺纹，这样可以增大与内螺纹配合的杆本体42的长度，使得螺纹连接更加牢固。

本实施例中，管本体12外圆面的平均粗糙度、铆管2内圆面和外圆面的平均粗糙度、套管3内圆面的平均粗糙度皆≤Ra1.6，避免部件之间摩擦力过大消耗扭矩，影响铆管2的横向膨胀，从而保证铆管2膨胀的均匀性，进而充分挤密紧固件与连接孔的间隙。

本实施例中，通缝31为沿套管3轴向布置的直线形状。其他实施例中，通缝31也可为锯齿形状或波浪线形状。通缝31的主要作用就是释放环向约束力，更利于套管3横向扩展。

本实施例中，管本体12的根部与铆管2的端部之间、杆本体42的根部与管本体12的端部之间皆通过倒角6配合。

具体的，倒角6半径不小于1.0mm。

本实施例中的倒角6配合，能够减小应力集中，保证紧固件使用寿命。

本实施例中，螺杆4的公称直径≥5mm，螺管1的外径≥9mm，套管3的壁厚为0.6mm至1.2mm，通缝31的宽度≤0.25mm。

进一步的，套管3的内径比铆管2的外径大0.2mm，铆管2的内径比螺管1的外径大0.2mm，铆管2的壁厚应同时满足构造要求以及螺杆4的抗拉承载力设计值。

本实施例中，螺管1、套管3和螺杆4的材质为不锈钢S304或钛TA2，铆管2的材质为铝合金3003-H12。不锈钢S304和钛TA2具有较大的屈服强度，铝合金3003-H12具有较小的屈服强度，套管3作为抗剪的首道防线，在螺杆4、螺杆4的约束和支持下，紧固件具有较高的抗剪承载力且相对应的受剪变形小；紧固件中塑性性能优异的铆管2处于连接孔、第一头部11和第二头部41的三向约束状态，具有良好的耗能能力，尤其适用于动荷载作用下的抗剪连接。

实施例2

本发明提供的充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件的使用方法，依次包括步骤S1至S5。

S1.根据被连接零部件的总厚度t和连接孔的直径d，选择长度为L且外径为D的套管3，L=t-（0.2mm至0.5mm），D=d-（0.2mm至0.5mm）。

需要说明的是，当套管3的尺寸确定后，根据间隙配合以及长度关系即可推出其他部件的尺寸。

本实施例中，基于现有的加工制造能力及配套要求，螺杆4的公称直径≥5mm，螺管1的外径≥9mm，套管3的壁厚为0.6mm至1.2mm，铆管2的壁厚应同时满足构造要求以及螺杆4的抗拉承载力设计值。

S2.在螺管1外依次套接铆管2和套管3，再将装配件从连接孔的一侧插入；

本实施例中，螺管1与铆管2之间、铆管2与套管3之间皆涂有无腐蚀性的润滑剂。

具体的，润滑剂可为二硫化钼或其他常用润滑剂。

本实施例中的润滑剂，能够使得套管3与铆管2之间、铆管2与螺管1之间的摩擦力大致均匀，从而保证铆管2膨胀的均匀性，从而充分挤密紧固件与连接孔的间隙。

S3.将螺杆4从连接孔的另一侧旋拧至螺管1内；

S4.对第一头部11或第二头部41施加扭矩，迫使铆管2横向膨胀，挤压套管3横向扩展，直至充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件充盈连接孔，完成装配。

具体的，可手动或采用电动扭矩扳手对第一头部11或第二头部41施加扭矩。优选采用电动扭矩扳手，通过电动扭矩扳手能够对第二头部41施加设定的扭矩并精准转化为紧固件的预拉力，该预拉力以纵向压力反作用于铆管2使其进入塑性状态，铆管2发生纵向变短横向膨胀从而实现紧固件与孔体之间的充盈。

容易理解的，铆管2外伸于被连接零部件部分的体积等于充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件与连接孔间隙、铆管2与螺管1间隙、铆管2与套管3间隙三个间隙的体积之和，以使得充盈式螺纹铆接的抗剪紧固件能够充盈连接孔，保证抗剪能力。

以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。