万方数据
万
方数据
・４９６・
天
津大３
自冲铆接主要工艺参数的选择
３．１
模具的设计与选取原则
为了确保铆接质量，当铆接完毕后，铆钉应完全进
人板料，铆钉头部上表面应与上层板料的上表面平齐，
模具型腔应恰好充满，这种铆接状态是“镦实”状态．
如果依此确定设计原则，则模腔的体积应与铆钉的体积完全相等．这种设计方法将导致一种模具、一种板料组合和一种型号铆钉的一一对应关系，即“一模一用”，而不允许一种模具覆盖多种板料的组合，覆盖多个型号的铆钉．
在实际应用中，为了提高工效，减少铆接配件，往往是用同一种模具，同时使用２种或２种以上型号的铆钉，铆接不同组合厚度的板料；模具和铆钉的同一种组合，亦可铆接２种不同组合厚度的板料，因为只要“铆牢”即可，不一定“镦实”．但一种模具只能适合一
个直径的铆钉，而铆钉长度允许不同．
因此，必须对模具的设计原则提出圆整．对这种铆接方法，模具设计是指模腔形状的确定，见图４．
图４模腔、铆钉和板料
Ｆｉｇ．４
Ｄｉｅｃａ、ｒｉｔｙ，ｒｉｖｅｔａｎｄｐａｎｄ
一般而言，若铆接某种组合板料，首先应根据板料选用铆钉，包括铆钉的直径和长度，然后再选用或设计模具．
３．２铆钉尺寸的选择原则
铆钉的尺寸包括直径（指铆钉腿部直径）和长度．一般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度．
：
铆钉直径的选择依据主要是所要铆接的板料厚度．一般而言，所要铆接的板料厚度愈大，则使用铆钉的直径愈大，如铆接２／２ｍｍ厚的板料（两层板料厚度均为２ｍｍ），多采用咖５．３ｍｍ直径的铆钉；铆接
１／１
ｍｍ厚的板料，多采用函３．３ｍｍ直径的铆钉．但有
时为了提高疲劳寿命，也使用细长的铆钉铆接厚板料．
万
方数据学学报第４０卷第４期
铆钉直径确定后，根据所要铆接的板料厚度和铆
钉直径确定铆钉长度．文献［８］曾提出，“铆钉长度大致等于被铆接板料总厚度加上铆钉腿部直径的７５％．但经笔者统计发现，这样计算的误差太大，故提出一种近似的铆钉长度确定方法．
首先大体求得铆钉的理论长度￡’
￡’＝丁＋Ｃ
（１）
式中：ｒ为铆接板料的总厚度，ｒ＝ｔ。＋ｆ：；Ｃ为铆钉超出板厚部分的长度．根据文献［９］的统计分析，Ｃ的表达式为
Ｃ＝０．６１７ｄ２—０．１２４６
（２）
式中：ｄ：为铆钉腿部直径．￡’、ｒ、ｃ和ｄ：单位均为ｍｍ．
经计算得出的铆钉长度Ｌ’还须进行圆整，使长度符合标准铆钉的长度．圆整的原则是：
（１）对大直径铆钉而言，￡＝∥一，即向下靠一级；（２）对小直径铆钉而言，￡＝￡’＋，即向上靠一级．以上是已知板料厚度，选择铆钉的方法．如果已知
铆钉的直径及长度，也可以求得铆接板料最适合的厚
度．设所铆板料的理论总厚度为ｒ’，则
丁７＝￡一Ｃ
（３）
其中Ｃ由式（２）式求出．所铆板料的实际总厚度如下：
（１）对大直径铆钉而言，ｒ＝ｒ’＋，向上圆整；（２）对小直径铆钉而言，ｒ＝ｒ一，向下圆整．
３．３模具的设计方法
图４中的下图为模腔的尺寸图，它由内壁、中间圆
锥和下底组成．内壁的底径为Ｄ：，一般具有５ｏ的拔模斜度即可．对模腔的尺寸参数设计如下：
１）深度＾
深度与铆钉伸出板厚的长度有关，见式（２）中的Ｃ
值；一般为２．１７ｍｍ，或小一些，但应大于１．５
ｍｍ．
２）内壁的底径伙
显然，图４中Ｄ：应大于图３中的Ｄ。，如２．２节观测法所述：“铆钉扩张后的下部直径大于或等于上部
直径”，如果仇＝Ｄ。，则Ｄ：＞Ｄ。，取
、
Ｄ２＝Ｄ。＋０．８￡２
（４）
式中ｔ：为下层板料的厚度．
３）圆锥底径Ｄ．
一般而言，（晚一Ｄ。）／２＝１．５—２ｍｍ，即Ｄ。＝Ｄ２一（３～４）ｍｍ．
４）中间圆锥的设计
中间圆锥包括凸台高度ｆ、圆锥角度ａ和顶部圆弧半径Ｒ．由文献［６，１０］可知，ｔ的数值很小，ｔ＝０—
０．２５
ｍｍ；ｔ值对静拉力影响最大［６】，对疲劳寿命影响
不明显．
圆锥角度ａ、顶部圆弧半径尺以及ｆ三者中，有一
２００７年４月万淑敏等：半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定
・４９７・
则，Ｄ．量参立独非‘÷ｃｏｓ为足令果如，量参立独非是个ａ一（＾＋￡）ｓｉｎ
当Ｄ。、＾和￡值确定之后，按照ａ＝３５。～５０。选取，注意
ａ
一（５）—Ｊ—Ｓ儿ｌ【ｚ＿—Ｆ——三＝Ｒ
．大过宜不值Ｒ，小过宜不值ａ
他其）５
半径，如肋．７等．角圆的小大当适有都处接交线直与线直的有所
４铆接试验结果分析
本试验采用自行设计的试验装置¨¨进行铆接．将铆接试验的试件分别沿子午面剖开，观察各自的铆接
效果，评价其铆接的优劣，并分析各自的原因．这里所铆接的板料大约为２／２ｍｍ厚的铝合金，但铝合金牌
和变异算子没有变化．由于具有快号不同，所使用的铆钉以及模具也不尽相同，见表１．速非劣性排序和精英保持等优良性质，本文采用ＮＳ．
采用前述的；霆萋影。誉蓉蕊噶翼震ｉ渊霎耄鞭墅ｊ薹ＧＡⅡ进行优化求解，
霹蔗疆耋鬻藿霸鍪＝孬慧薹冀受ＪＪ另在囊薹鹾孽交叉算子主要求解步骤如下．
（１）随机产生种群规模为ｎ的初始父种群Ｒ，其中每个个体是由代表设计变量截面面积（Ａ；）和材料（肘。）的染色体首尾连接构成的设计变量空间．
（２）计算每个个体对应的３个目标函数值（形，ｃ，
艿），对其进行非劣性分层，并为每个个体赋适应度，适应度的值等于个体的非劣层数（０为最优层），最优层存入集合Ｄ中．
（３）进行选择、交叉和变异操作产生规模为ｎ的子种群Ｑ．
（４）进行Ｒ＋＿ＲｕＱ操作，并置空Ｑ．对Ｒ进行非劣性排序并从中删掉排序最差的ｎ个个体．
（５）更新集合０，增加代数如果代数达到预定值，则停止进化并返回集合Ｄ；否则转到第（３）步继续进行进化计算．
３实例分析
７２
杆空间桁架有２０个节点，如图２所示．表１列
出了空间桁架承受的载荷工况．根据结构和载荷的对称性，杆件按设计要求分为１６组．从４种材料中为每组杆件选择最优的材料，４种材料的材料参数以及分配的编码号如表２所示．
考虑３个目标函数：极小化结构重量、桁架成本以及节点１～４的石和ｙ方向的位移．各个材料的许用应力值列于表２．多目标遗传算法中，种群规模为１００，进化代数为２５０，交叉概率为９０％，交叉分布系数为５，变
万方数据
・４９８・
天津
大５
结论
（１）介绍了铆接质量的评价方法，对观测法提出
的补充意见可作为模具设计的依据之一．
（２）由铆接试验结果可知，本文提出的半空心铆钉自冲铆接模具设计的方法是可行的，可以获得良好的铆接质量．
（３）通过铆接试验，说明了不同条件下的铆接效果，证明了影响铆接质量的主要因素是模具的几何形状、铆钉和板料性能的匹配．
参考文献：
［１］
“ｅｂｒｅｃｈｔＦ，ＢｒａｕＩｌｌｉｎｇＳ．Ｓｅｍｐｉｅｒｃｉｎｇｒｉｖｅｔｅｄｊｏｉｍｓａｎｄ
ｒｅ．
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［２］
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ｊｏｉｎｔＢ
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ａｌ岫ｉｎ啪ａｌｌｏｙ６１１１［Ｊ］．砒僦如础如咖厕矿
死瑰雠，２００３，２５（３）：１８３－１８９．
［３］
刘瑞军，李双义，张连洪，等．自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用［Ｊ］．汽车技术，２００４，３４（１１）：３３．３６．
ＬｉｕＲｕｉｊｕｎ，“ＳｈｌｌａＩｌｇｙｉ，ＺｈａｎｇＩｊ蚰ｈｏｎｇ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌｉｃａ．
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２００４，３４（１１）：３３－３６（ｉｎｃｈｉ∞ｓｅ），［４］
Ｔ阢Ｃｏｍｐａｎｙ．
Ｓｅｌｆ－Ｐｉｅｒｃｉｎｇ
ｍｖｅｔｉｎｇＰＤ０ｃｅｓｓＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ
［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｎｐ：∥ｗｗ．丽．ｃｏ．ｕ奶３２ｋ／ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ／ｂ锄ｄ一
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方数据学学报第４０卷第４期
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［７］
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［Ｊ］．如ｚ‘ｍ面矿肘砒而蕊ＰｒＤｃ巴钻ｉ昭乳ｃ矗加＾Ｄｇｙ，２００６，１７１
（１）：１０一２０．
［１１］李晓静，李双义，张连洪．自冲铆接工艺的研究及改进措
施［Ｊ］．天津理工大学学报，２００５，２ｌ（５）：６１斟，
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６１．６４（ｉｎＣｈｉｒＩｅｓｅ）．
万方数据
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自冲铆接主要工艺参数的选择
３．１
模具的设计与选取原则
为了确保铆接质量，当铆接完毕后，铆钉应完全进
人板料，铆钉头部上表面应与上层板料的上表面平齐，
模具型腔应恰好充满，这种铆接状态是“镦实”状态．
如果依此确定设计原则，则模腔的体积应与铆钉的体积完全相等．这种设计方法将导致一种模具、一种板料组合和一种型号铆钉的一一对应关系，即“一模一用”，而不允许一种模具覆盖多种板料的组合，覆盖多个型号的铆钉．
在实际应用中，为了提高工效，减少铆接配件，往往是用同一种模具，同时使用２种或２种以上型号的铆钉，铆接不同组合厚度的板料；模具和铆钉的同一种组合，亦可铆接２种不同组合厚度的板料，因为只要“铆牢”即可，不一定“镦实”．但一种模具只能适合一
个直径的铆钉，而铆钉长度允许不同．
因此，必须对模具的设计原则提出圆整．对这种铆接方法，模具设计是指模腔形状的确定，见图４．
图４模腔、铆钉和板料
Ｆｉｇ．４
Ｄｉｅｃａ、ｒｉｔｙ，ｒｉｖｅｔａｎｄｐａｎｄ
一般而言，若铆接某种组合板料，首先应根据板料选用铆钉，包括铆钉的直径和长度，然后再选用或设计模具．
３．２铆钉尺寸的选择原则
铆钉的尺寸包括直径（指铆钉腿部直径）和长度．一般先确定铆钉直径，然后确定铆钉长度．
：
铆钉直径的选择依据主要是所要铆接的板料厚度．一般而言，所要铆接的板料厚度愈大，则使用铆钉的直径愈大，如铆接２／２ｍｍ厚的板料（两层板料厚度均为２ｍｍ），多采用咖５．３ｍｍ直径的铆钉；铆接
１／１
ｍｍ厚的板料，多采用函３．３ｍｍ直径的铆钉．但有
时为了提高疲劳寿命，也使用细长的铆钉铆接厚板料．
万
方数据学学报第４０卷第４期
铆钉直径确定后，根据所要铆接的板料厚度和铆
钉直径确定铆钉长度．文献［８］曾提出，“铆钉长度大致等于被铆接板料总厚度加上铆钉腿部直径的７５％．但经笔者统计发现，这样计算的误差太大，故提出一种近似的铆钉长度确定方法．
首先大体求得铆钉的理论长度￡’
￡’＝丁＋Ｃ
（１）
式中：ｒ为铆接板料的总厚度，ｒ＝ｔ。＋ｆ：；Ｃ为铆钉超出板厚部分的长度．根据文献［９］的统计分析，Ｃ的表达式为
Ｃ＝０．６１７ｄ２—０．１２４６
（２）
式中：ｄ：为铆钉腿部直径．￡’、ｒ、ｃ和ｄ：单位均为ｍｍ．
经计算得出的铆钉长度Ｌ’还须进行圆整，使长度符合标准铆钉的长度．圆整的原则是：
（１）对大直径铆钉而言，￡＝∥一，即向下靠一级；（２）对小直径铆钉而言，￡＝￡’＋，即向上靠一级．以上是已知板料厚度，选择铆钉的方法．如果已知
铆钉的直径及长度，也可以求得铆接板料最适合的厚
度．设所铆板料的理论总厚度为ｒ’，则
丁７＝￡一Ｃ
（３）
其中Ｃ由式（２）式求出．所铆板料的实际总厚度如下：
（１）对大直径铆钉而言，ｒ＝ｒ’＋，向上圆整；（２）对小直径铆钉而言，ｒ＝ｒ一，向下圆整．
３．３模具的设计方法
图４中的下图为模腔的尺寸图，它由内壁、中间圆
锥和下底组成．内壁的底径为Ｄ：，一般具有５ｏ的拔模斜度即可．对模腔的尺寸参数设计如下：
１）深度＾
深度与铆钉伸出板厚的长度有关，见式（２）中的Ｃ
值；一般为２．１７ｍｍ，或小一些，但应大于１．５
ｍｍ．
２）内壁的底径伙
显然，图４中Ｄ：应大于图３中的Ｄ。，如２．２节观测法所述：“铆钉扩张后的下部直径大于或等于上部
直径”，如果仇＝Ｄ。，则Ｄ：＞Ｄ。，取
、
Ｄ２＝Ｄ。＋０．８￡２
（４）
式中ｔ：为下层板料的厚度．
３）圆锥底径Ｄ．
一般而言，（晚一Ｄ。）／２＝１．５—２ｍｍ，即Ｄ。＝Ｄ２一（３～４）ｍｍ．
４）中间圆锥的设计
中间圆锥包括凸台高度ｆ、圆锥角度ａ和顶部圆弧半径Ｒ．由文献［６，１０］可知，ｔ的数值很小，ｔ＝０—
０．２５
ｍｍ；ｔ值对静拉力影响最大［６】，对疲劳寿命影响
不明显．
圆锥角度ａ、顶部圆弧半径尺以及ｆ三者中，有一
２００７年４月万淑敏等：半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定
・４９７・
则，Ｄ．量参立独非‘÷ｃｏｓ为足令果如，量参立独非是个ａ一（＾＋￡）ｓｉｎ
当Ｄ。、＾和￡值确定之后，按照ａ＝３５。～５０。选取，注意
ａ
一（５）—Ｊ—Ｓ儿ｌ【ｚ＿—Ｆ——三＝Ｒ
．大过宜不值Ｒ，小过宜不值ａ
他其）５
半径，如肋．７等．角圆的小大当适有都处接交线直与线直的有所
４铆接试验结果分析
本试验采用自行设计的试验装置¨¨进行铆接．将铆接试验的试件分别沿子午面剖开，观察各自的铆接
效果，评价其铆接的优劣，并分析各自的原因．这里所铆接的板料大约为２／２ｍｍ厚的铝合金，但铝合金牌
和变异算子没有变化．由于具有快号不同，所使用的铆钉以及模具也不尽相同，见表１．速非劣性排序和精英保持等优良性质，本文采用ＮＳ．
采用前述的；霆萋影。誉蓉蕊噶翼震ｉ渊霎耄鞭墅ｊ薹ＧＡⅡ进行优化求解，
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（１）随机产生种群规模为ｎ的初始父种群Ｒ，其中每个个体是由代表设计变量截面面积（Ａ；）和材料（肘。）的染色体首尾连接构成的设计变量空间．
（２）计算每个个体对应的３个目标函数值（形，ｃ，
艿），对其进行非劣性分层，并为每个个体赋适应度，适应度的值等于个体的非劣层数（０为最优层），最优层存入集合Ｄ中．
（３）进行选择、交叉和变异操作产生规模为ｎ的子种群Ｑ．
（４）进行Ｒ＋＿ＲｕＱ操作，并置空Ｑ．对Ｒ进行非劣性排序并从中删掉排序最差的ｎ个个体．
（５）更新集合０，增加代数如果代数达到预定值，则停止进化并返回集合Ｄ；否则转到第（３）步继续进行进化计算．
３实例分析
７２
杆空间桁架有２０个节点，如图２所示．表１列
出了空间桁架承受的载荷工况．根据结构和载荷的对称性，杆件按设计要求分为１６组．从４种材料中为每组杆件选择最优的材料，４种材料的材料参数以及分配的编码号如表２所示．
考虑３个目标函数：极小化结构重量、桁架成本以及节点１～４的石和ｙ方向的位移．各个材料的许用应力值列于表２．多目标遗传算法中，种群规模为１００，进化代数为２５０，交叉概率为９０％，交叉分布系数为５，变
万方数据
・４９８・
天津
大５
结论
（１）介绍了铆接质量的评价方法，对观测法提出
的补充意见可作为模具设计的依据之一．
（２）由铆接试验结果可知，本文提出的半空心铆钉自冲铆接模具设计的方法是可行的，可以获得良好的铆接质量．
（３）通过铆接试验，说明了不同条件下的铆接效果，证明了影响铆接质量的主要因素是模具的几何形状、铆钉和板料性能的匹配．
参考文献：
［１］
“ｅｂｒｅｃｈｔＦ，ＢｒａｕＩｌｌｉｎｇＳ．Ｓｅｍｐｉｅｒｃｉｎｇｒｉｖｅｔｅｄｊｏｉｍｓａｎｄ
ｒｅ．
ｓｉｓｔａｎｃｅ８ｐｏｔｗｅｌｄｅｄ
ｊｏｉｍｓ
ｉｎｓｔｅｅｌａｎｄ
ａｌ啪ｉ眦ｍ［ｃ］∥Ｊｍ
抛啪￡如删舶方Ｗ脚＾昭ｃｏ咖ｒｅ胱．Ｄｅｔｒｏｉｔ，２００２：３－５．
［２］
Ｆｕ
Ｍａｏｆ；Ｉｌｇ，ＭａｌｌｉｃｋＰＫ．Ｆａｔｉｇｕｅｏｆ
８ｅｍｐｉｅｒｃｉｎｇｒｉｖｅｔｅｄ
ｊｏｉｎｔＢ
ｉｎ
ａｌ岫ｉｎ啪ａｌｌｏｙ６１１１［Ｊ］．砒僦如础如咖厕矿
死瑰雠，２００３，２５（３）：１８３－１８９．
［３］
刘瑞军，李双义，张连洪，等．自冲铆接技术在汽车车身轻量化中的应用［Ｊ］．汽车技术，２００４，３４（１１）：３３．３６．
ＬｉｕＲｕｉｊｕｎ，“ＳｈｌｌａＩｌｇｙｉ，ＺｈａｎｇＩｊ蚰ｈｏｎｇ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌｉｃａ．
ｔｉｏｎ
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２００４，３４（１１）：３３－３６（ｉｎｃｈｉ∞ｓｅ），［４］
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ｍｖｅｔｉｎｇＰＤ０ｃｅｓｓＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ
［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｎｐ：∥ｗｗ．丽．ｃｏ．ｕ奶３２ｋ／ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ／ｂ锄ｄ一
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方数据学学报第４０卷第４期
３／ｌ【Ｂｃｌｌｊ９００２．ｈｔＩＩｌｌ，２０００．
［５］
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Ｈ，Ｕ
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［６］ＦｕＭａｏｆ毫１１９，ＭａｌｌｉｃｋＰ
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ｓｔａｔｉｃ肌ｄ
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ｊｏｉｎｔｓｉｎ
ａｌｕｍｉｎ岫ａ１１０ｙ５７５４［Ｊ］．驸ＥＰ口ｐ盯，２００１ｍｌｍ８２５．
［７］
ＴＷＩＣｏｍｐａｎｙ．ＷｈａｔＳｌｌｏｕｌｄＢｅＣｈｅｃｋｅｄ可％明ＭａｋｉＩｌｇ
ａ
Ｄｅ两ｋｄＥｘ锄ｉｎａｔｉｏｎ
ｏｆ
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