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銅排連接時，常用的螺母固定( 螺紋加工) 方法 有焊接螺母、壓鉚螺母、攻絲等，其中壓鉚螺母在沒 有過高強度要求的場合應(yīng)用廣泛，具有以下特點: 

 

( 1) 壓鉚過程無需釬料，工藝過程簡單，對人員 技能、加工環(huán)境、加工設(shè)備的要求不高，綜合成本較 低，以標準 M8 螺母為例，壓鉚螺母綜合成本僅為焊 接螺母的 18． 6% 。

 

( 2) 基于壓鉚螺母的特點，銅排安裝底孔直徑 要略小于壓鉚螺母壓花齒頂圓直徑，壓鉚過程通過 將壓鉚螺母壓花齒擠入銅排內(nèi)，使孔邊緣的母材產(chǎn) 生塑性變形，擠入防拉溝槽內(nèi)，從而實現(xiàn)鎖緊，這種 過盈配合形式較焊接形式的尺寸精度更高。 

 

( 3) 鉚接過程不涉及熱量輸入，不會產(chǎn)生熱影 響區(qū)，也不會使銅排表面產(chǎn)生氧化層等缺陷，無需后 處理工序。 

 

    基于公司銅排產(chǎn)品螺母應(yīng)用現(xiàn)狀與成本控制需 求，本文提出采用壓鉚螺母代替焊接螺母在銅排上 的應(yīng)用，并設(shè)計相關(guān)試驗進行驗證。

 

1 試驗設(shè)計 

 

    根據(jù)銅排產(chǎn)品應(yīng)用的特點與要求，制定了銅排 壓鉚螺母應(yīng)用的驗證方案技術(shù)路線，如圖 1 所示。本文按照技術(shù)路線的要求進行試驗驗證及分析，壓 鉚螺母的性能要求如表 1 所示。 

 

1． 1 壓鉚螺母 

 

    壓鉚螺母通過防轉(zhuǎn)花齒擠壓使母材塑性流動至 防拉溝槽內(nèi)，從而產(chǎn)生鎖緊效果。本試驗驗證選用PEM 公司 CLS 系列壓鉚螺母，材質(zhì)為不銹鋼，其結(jié) 構(gòu)如圖 2 所示，連接端設(shè)計有預(yù)制的防轉(zhuǎn)花齒及防 拉溝槽，其中防拉溝槽帶有一定錐度。

 

 

 

 

 

 

 

2 靜載試驗 

 

    壓鉚螺母通過壓鉚過程壓裝在銅排上，并具備 一定防扭轉(zhuǎn)與防推出能力，靜載試驗的目的是檢測 壓鉚螺母的推出力、扭矩以及極限安裝力矩。 

2． 1 推出力試驗 

    如圖 3 所示，先將螺栓從背面擰入螺母中，保證 螺栓出扣且螺栓頭下表面與銅排表面的間隙 W 不 小于 3 mm，安裝好螺栓后，將試樣螺母安裝面朝下 放在試驗工裝上，將螺母懸空，使銅排下表面與底面 距離大于 2 倍螺母頭厚 T。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，通過數(shù)據(jù)采 集工控機記錄全過程的壓力變化曲線，找到推出力。

 

2． 2 扭矩試驗 

    如圖 4 所示，先將試樣固定，再將螺栓從正面擰 入螺母中。螺栓安裝完成后，通過數(shù)顯扭力扳手施 加逐漸增大的緊固力矩，直到螺母與母排發(fā)生相對 轉(zhuǎn)動，數(shù)顯扭力扳手自動記錄下的最大力矩即為壓 鉚螺母的扭矩。 

2． 3 極限安裝力矩試驗 

    如圖 5 所示，極限安裝力矩試驗通過模擬銅排 產(chǎn)品實際安裝形式，測量最大的極限安裝力矩。測 量極限安裝力矩一方面可以考察壓鉚螺母的實際應(yīng) 用情況，另一方面也可以為銅排壓鉚工藝的參數(shù)設(shè) 置提供試驗數(shù)據(jù)參考。

 

2． 4 試驗試樣 

    試樣采用 330 mm × 40 mm × 5 mm 銅母線作為基材，選擇 M4、M5、M6、M8、M10 的壓鉚螺母壓接， 試驗用螺栓均采用 8． 8 級鍍彩鋅六角頭螺栓。此 外，基于銅排產(chǎn)品電鍍需求，設(shè)置了壓鉚之前電鍍、 壓鉚之后電鍍、不電鍍 3 種形式的試樣，用以分析銅 排表面電鍍對壓鉚的影響。每種型號的壓鉚螺母在 3 種電鍍形式下，都做推出力、扭矩，極限安裝力矩 試驗，每組試驗 10 個樣件，試驗結(jié)果取平均值，共計 90 個試樣。具體的試樣類型如表 2 所示。

 

3 振動試驗 

 

    在機車變流器樣柜上，用 CLS － M8 － 2 壓鉚螺 母銅排基于機車路譜進行了振動試驗; 測量振動前 后的預(yù)緊力，振動后的殘余力矩、推出力及扭矩。 

 

4 試驗結(jié)果及分析 

 

4． 1 靜載試驗結(jié)果 

4． 1． 1 推出力 

    如圖 6 所示，試驗測量的推出力較性能指標高 出至少 18． 4% ，最大超出 162% 。

 

    觀察推出力試驗后的試件可以看出，壓鉚螺母 防拉溝槽內(nèi)仍殘留有部分銅質(zhì)，說明壓鉚過程中銅 質(zhì)母材確實因為螺母花齒的擠壓，產(chǎn)生塑性變形流 動，進入到了防拉溝槽內(nèi)，這也從另一個方面印證了 壓鉚螺母在銅排上應(yīng)用的可行性。 

4． 1． 2 扭矩 

    對比表 1 試驗測量的扭矩超出性能指標至少 32． 5% ，最大超出 82． 3% ，如圖 7 所示。 

4． 1． 3 極限安裝力矩 

    對比表 1，極限安裝力矩超出安裝力矩要求至 少 177． 9% ，最大超出 225． 4% ，如圖 8 所示。

 

    綜上所述，在靜載條件下，壓鉚螺母應(yīng)用于銅排 上，推出力、扭矩、極限安裝力矩性能符合設(shè)計應(yīng)用 標準及使用需求。 

4． 2 銅排表面電鍍影響分析 

    分析 3 種條件下( 銅排不電鍍、銅排壓鉚后電 鍍、銅排電鍍后壓鉚) 推出力試驗后試樣銅排底孔 形貌，從中可以看出，銅排在電鍍之前進行壓鉚，其 鉚接面在螺母推出后均有銅質(zhì)碎屑產(chǎn)生，而在銅排 電鍍后進行壓鉚，其鉚接面無可見碎屑。產(chǎn)生這種 差異的原因是由于在電鍍后，母材表面鍍有 9 ～ 12 μm 的錫層，在壓接時，錫層覆蓋在底孔表面，隨母 材一起被擠入防拉溝槽，這就導(dǎo)致銅母材與不銹鋼 螺母之間加入了一層錫，而錫層的硬度較低，在螺母 被推出時，根據(jù)最小阻力定律，鉚接處的錫層最先開 始變形滑移，并最終形成以錫層為主的斷裂面。根 據(jù)這一現(xiàn)象可以認為，電鍍層可能會降低鉚接部位 強度。同時，電鍍后壓鉚，增加了電鍍銅排在壓鉚過 程中產(chǎn)生劃痕的風(fēng)險，對銅排外觀有所影響。

    同時，觀察壓鉚后電鍍銅排的孔壁發(fā)現(xiàn)，底孔內(nèi) 有較多的黑色殘留物。分析壓鉚后電鍍過程可以知 道，在壓鉚后，鉚接部位與銅排之間會留有間隙，在 電鍍過程中，溶液通過毛細作用滲入到這些間隙內(nèi)， 無法及時排出，從而產(chǎn)生殘留。由于電鍍液本身具 有腐蝕性，有可能對鉚接部位的母材產(chǎn)生腐蝕，進而 影響連接位置的強度與壽命。

    如圖 9 所示，3 種條件下的力學(xué)性能在絕大部 分情況下符合性能指標。

    綜上所述，考慮到壓鉚后電鍍帶來的腐蝕液殘留問題，同時從試驗結(jié)果來看，電鍍后壓鉚的試樣并 未明顯降低力學(xué)性能，仍符合相應(yīng)性能指標要求，因 此建議采用電鍍后壓鉚的方式，但需要對電鍍后的 銅排非加工表面進行保護，避免加工與運輸過程中 的劃傷影響銅排外觀。

 

4． 3 振動試驗結(jié)果 

4． 3． 1 振動預(yù)緊力 

    按圖 10 所示銅排安裝位置，測量了銅排螺母振 動前后的預(yù)緊力，如表 3 所示。

 

    通過以上數(shù)據(jù)分析，相同力矩緊固后，預(yù)緊力值 存在差異; 振動前后預(yù)緊力的衰減無明顯規(guī)律，降低 和增大的情況都存在。 

    綜上所述，可以得出壓鉚螺母、銅排振動后預(yù)緊 力都滿足使用要求。

 

4． 3． 2 振動試驗后殘余力矩 

    振動試驗后，對銅排進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)緊固標 識線有移動情況，然后用 13． 75 N·m 力矩進行二次 緊固，未發(fā)現(xiàn)有松動的螺栓。 

    試驗證明: 在振動條件下，壓鉚螺母應(yīng)用于銅排 上，緊固狀態(tài)符合使用要求。

4． 3． 3 振動試驗后推出力 

    振動試驗后，對 4 號、5 號銅排上的壓鉚螺母 ( CLS － M8 － 2) 進行了推出力試驗，如表 4 所示。壓鉚螺母( CLS － M8 － 2) 靜載狀態(tài)下，推出力值如 表 5 所示。

 

    通過以上數(shù)據(jù)分析，振動試驗后，銅排壓鉚螺母 的推出力無顯著降低趨勢; 試驗證明: 在振動條件下，壓鉚螺母應(yīng)用于銅排上，推出力滿足使用要求。 

4． 3． 4 振動試驗后扭矩 

    振動試驗后，對 1 號、2 號、3 號銅排上的壓鉚螺 母( CLS － M8 － 2) 進行了扭矩試驗，如表 6 所示。壓鉚螺母( CLS － M8 － 2) 靜載狀態(tài)下，扭矩值如表 7 所示。

 

 

 

    通過以上數(shù)據(jù)分析，振動試驗后，銅排壓鉚螺母 的扭矩?zé)o顯著降低趨勢; 試驗證明: 在振動條件下， 壓鉚螺母應(yīng)用于銅排上，預(yù)緊力、緊固狀態(tài)，推出力 扭矩滿足使用要求。

 

5 結(jié)論

 

( 1) 試驗表明，銅排壓鉚螺母的推出力、扭矩、 極限安裝力矩均符合性能指標要求，尤其是極限安 裝力 矩 指 標，超出現(xiàn)有銅排應(yīng)用安裝力矩標準 177% 以上，證明銅排壓鉚螺母在靜載力學(xué)性能指標 上是可行的; 

( 2) 基于機車路譜進行振動試驗，振動試驗后 的預(yù)緊力、殘余力矩、推出力、扭矩?zé)o明顯降低趨勢; 試驗證明: 在振動條件下，壓鉚螺母應(yīng)用于銅排上是 可行的; 

( 3) 對于銅排表面電鍍處理，采用壓鉚后電鍍 方法，電鍍液滲入和殘留可能造成持續(xù)腐蝕，影響力 學(xué)強度，因此建議采用電鍍后壓鉚的方法，但需要對 電鍍后的銅排非加工表面進行保護，避免劃痕。