乍一看，来自意大利的性感小跑车和来自美国的大卡车似乎没有任何共同点。全铝法拉利360 Modena是一款光滑的双座跑车，可以在4.3秒内加速从0加速到60英里，而Freightliner Century Class是一款330马力的牵引车，可以将8万磅的货物从一个海岸运送到另一个海岸。尽管这两辆车迥然不同，但它们都是用自穿铆钉连接在一起的。
紧固件正在成为传统点焊的越来越受欢迎的替代品。它们在一次操作中刺穿并紧固，简化组装和降低成本，同时提供强大，可靠的关节。与传统的铆接不同，自刺穿技术不需要预钻孔。铆钉在插入时使其自己的洞。
自穿孔铆钉也模仿了点焊的结果和质量，没有许多风险，如有毒气体、火花和噪音。它们具有与点焊相似或更好的静态强度，以及优越的疲劳性能。
德事隆紧固系统(Rockford, IL)全球产品经理Dean Monday指出:“冲铆是一种干净、简单、快速和一致的冷成形操作。无需对材料基体进行冲孔、钻孔、清洗或特殊处理，降低了组件和安装成本。
在一次操作中，自穿孔铆钉连接多层相似或不同厚度的材料。“这些材料包括轧制、铸造和挤压金属、模压和片状聚合物、尼龙和其他耐用类型的织带和织物，”周一指出。其结果是一种紧凑、高度稳定、耐腐蚀的粘结剂，不渗透气体、水和其他外部流体。”
它们是如何工作的
在组装过程中，自穿孔铆钉以受控的力被打入材料堆中，穿孔顶层或多层。该铆钉径向扩展到底层或板，形成一个强大的机械联锁。整个过程需要少于3秒，取决于气缸行程和进料管长度。安装自穿孔铆钉有四个基本过程。首先，将铆钉送到放置头。一旦检测到要连接的材料，就用铆接工具夹紧在一起。然后铆钉被压下来，刺穿第一材料和任何中间材料。铆钉迫使板材进入模具和径向扩口，形成机械联锁。铆钉没有击穿最后一块材料。
装配设备可以是固定的、机器人的，也可以集成到一个装配单元中，这取决于生产速度和连接部件的复杂性。通常，设备由支撑结构组成，可承受高达50千吨的固位力，确保铆钉与下砧或染料对齐。用于安装铆钉的力是由液压缸产生的，液压缸驱动活塞撞击铆钉头。砧迫使铆钉向下板径向膨胀。“由于系统简单，很少有活动部件，设备的工具寿命很长——通常超过25万次，”周一声称。
高设定力是必不可少的铆钉安装和关键的铆钉对准下砧。周一表示，这要求安装设备的结构必须非常坚硬，以防止在连接过程中过度弯曲或挠度，否则会造成连接质量不合格。“砧是一个实心圆柱体，有一个腔体，其体积与被铆钉取代的材料相似，”他解释说。型腔的横截面形状取决于底板的成形性和所需的铆钉扩口程度。
许多不同类型的工具和设备可用于插入自穿孔铆钉。手动装配由电动、气动和电池驱动的手动工具完成。重力式铆钉输送系统通常与固定机器一起使用。大约70%的自穿孔应用程序使用机器人安装的设备。
“当客户对更高水平的自动化感兴趣时，最常见的铆钉交付系统是在塑料胶带或吹送料中整理铆钉，”周一说。吹料可以减少纸带及其处理的成本。
通常，铆接器和模具安装在c形框架中，c形框架必须足够大，以允许进入要铆接的区域。只要在固定件放置过程中有对中，放置头和模具可以独立工作。
自穿孔铆钉由钢和不锈钢丝制成半管状。然后对它们进行热处理和电镀。据AKH公司(印第安纳波利斯)的销售经理Al Koett说，最佳的铆钉有足够的强度穿透材料的表层而不会坍塌，但在与砧接触时也有足够的延展性。流行的自穿孔铆钉直径包括3.2、3.9、4.8和5.3毫米，阀体长度为3至9.5毫米。标准头风格包括沉头，椭圆形和马口铁。
Henrob Corp.(密歇根州法明顿希尔斯)应用和营销副总裁Mike LaPensee说，5毫米铆钉往往是北美最受欢迎的尺寸。在欧洲和亚洲，3毫米的铆钉更受欢迎。
很多好处
自穿孔铆钉为装配工提供了许多好处。例如，它们具有与点焊相同的静态拉伸和剥离强度，但疲劳寿命是点焊的两倍。过程监控可与自穿孔技术相结合，以验证所创建的每个接头都是高质量的。“在某些应用中，更长的疲劳寿命和更高的接头质量重复性可以减少点焊所需的紧固点数量，”周一说。与点焊不同，自穿孔铆钉不产生热量。当使用在热加工中降解的材料时，这一点很重要。点焊还会破坏钢上的涂层，使其易受腐蚀。科特说，自穿孔铆钉不会像焊接那样改变冶金性能。
自穿孔铆钉还消除了与点焊纯铝和铝合金有关的发热问题，这些纯铝和铝合金在800摄氏度以下熔化。而且，紧固件与镀锌和涂层表面兼容，最大限度地减少损伤，消除重涂或重涂，不像点焊。
“自穿孔系统不需要大量的监测设备或与焊接相关的排烟设备，”替代技术公司(Warren, MI)总裁Jerry Valka指出。他还指出，通过转向铆接，组装商可以省去昂贵的电极维护费用。
“传统的紧固方法在今天的新材料连接要求中没有那么有利或不可能，”Textron的周一补充说。“自穿孔技术不需要在连接的材料上钻或冲孔，这降低了组件成本。高接头强度允许终端用户减少紧固点的数量，在保持产品质量一致的同时进一步降低制造成本。”
通常，自穿孔铆钉比类似尺寸的挤压或buck铆钉更贵。Henrob公司的LaPensee称:“然而，由于铆钉插入是一个自动化的过程，而不是手动的挤压过程，因此现场成本通常更低。”“与螺纹紧固件和销环紧固件相比，自穿孔铆钉更便宜。再加上自动插入，它们的装配方法成本更低。
“自刺穿铆接系统的循环时间通常与点焊钢和相同，或更少，而不是点焊接铝，”Lapensee添加。“在30毫米的工具开口下，完整的铆钉和饲料循环需要1.3秒。”
自穿孔铆钉也很环保。埃姆哈特紧固技术公司(Emhart Fastening Teknologies，康涅狄格州纽黑文)装配系统营销总监史蒂夫·布雷克利(Steve Bleakley)指出:“与其他连接金属的方式(如焊接)相比，这种接头更清洁、更安静。”“它不会产生任何有害的烟雾或气味。”
材料问题
只要底部材料层是延性材料，可以使用自刺穿铆钉来固定两个不同的金属接头，例如钢，以及不同材料，以及不同的材料。一个例子是汽车天窗，其中框架前部和后件是模制的热塑性塑料，其固定在铝挤出侧轨道上。LaPensee称:“1008和1010等低碳钢的总接头厚度可达6毫米，5000和6000等低碳钢的总接头厚度可达12毫米，是理想的自穿孔铆钉。”“虽然这是理想的，但在今天的生产中也有许多例外，如高强度钢、铝铸件，以及金属和非金属层的多层接头。”
根据德事隆周一的消息，总的堆积材料取决于材料，但一般在0.6毫米到10毫米之间。“新的应用要求不断扩大紧固能力范围，”周一解释说。
根据LaPensee的说法，钢和铝的最小厚度是1.6毫米。LaPensee说:“自我穿透技术希望从薄到厚的材料层进行铆接。”“如果这是不可能的，我们建议底层厚度不少于接缝厚度的三分之一。”
自穿孔过程需要有一定延展性的材料作为底层或铆接接头的尾侧。LaPensee指出:“正因为如此，我们可以成功地将热塑性塑料铆接到铝或钢上，但不能将塑料铆接到塑料上。“一种可能的解决方法是在非金属接头的底部添加一块金属。”
这一示例发生在莲花（哈什尔，英国）上的车身上，玻璃纤维与玻璃纤维一起。“我们修改了较低的镦粗模具，以接受类似于四分之一美元硬币的钢盘，”Lapensee解释道。“一旦将铆钉插入玻璃纤维接头中，结果是一个三层厚接头，由钢上的玻璃纤维组成。铆钉的尾巴爆炸并锚固到韧性钢中。”
Emhart Fastening Teknologies公司的项目经理兰迪·里迪(Randy Leedy)表示，自穿孔铆钉接头实际上与点焊接头具有相同的静态强度。Leedy解释道:“然而，在动态情况下，比如汽车中的振动情况，自穿透铆钉接头在负载下具有更高的强度和稳定性。”“在振动载荷条件下，使用寿命是传统点焊接头的两倍。”
由于自冲铆接是一种机械紧固过程，LaPensee说，接头需要采用搭接式配置。他指出:“在零件尺寸或配置方面，唯一的要求是铆工的驱动气缸、c型框架和机头可以接触到接头。”工具访问应用程序的两边是必需的。考虑到模具间隙、指定足够的法兰尺寸以及避免封闭的箱体部分也很重要。”
组装应用程序
自穿铆钉技术最初是在30多年前为建筑行业设计的。第一个制造业应用是在德国组装车库门。在过去的十年中，由于新材料的引入，如铝、高强度钢、塑料和层压钢等，紧固件的普及程度缓慢增长。
“自1990年以来，在各个行业的应用都有了巨大的增长，”周一说。“这直接归因于生产过程中不同材料连接的增加，以及高循环载荷结构中对抗疲劳接头的需求。”
根据周一的数据，普通汽车有3,000到5,000个点焊。但是，随着高强度薄板钢、铝和复合材料的日益广泛使用，在需要疲劳强度和接头可靠性的应用中，这种传统工艺已经过时。“皮尔斯铆接满足了装配过程的需要，满足了汽车行业和其他行业对轻型建筑的现代挑战，”周一声称。
混合材料的日益广泛使用，使汽车工业在结构部件上超越了传统点焊。计划或正在生产的汽车应用包括引擎盖、车门、后备箱盖、后挡板、座椅导轨、侧面碰撞杆、空间框架、窗框和天窗框架。
虽然最大的增长潜力是在汽车组装领域，但Emhart的Bleakley指出，许多其他产品包含铝和钢合金、涂层金属和塑料的混合物。踏步梯、航空货柜车、车库门框、空调、冰箱、办公家具、母线槽和电器外壳的制造商已经采用了自穿铆钉，或对连接技术表示了极大的兴趣。
“如果没有铆接技术，轻型建筑的所有这些进步都是不可能的，铆接技术可以在不受点焊加热削弱和硬化影响的情况下提高结构完整性，”周一声称。“传统的紧固方法没有那么有利，或者不可能用于今天的新材料连接要求。通过穿孔铆钉，将多种材料连接在一起的能力为产品设计师提供了自由度，以创造更轻的重量，更强的强度，定制的产品，提高质量，增加制造选择。”
欧洲制造商更愿意接受这种技术。例如，奥迪汽车公司(Audi AG)和捷豹汽车公司(Jaguar Cars)等汽车制造商就使用自穿孔铆钉来组装铝强度高的汽车的空间框架。
然而，美国的制造工程师更不愿意从点焊转向铆接。“大多数工程师更熟悉点焊，”Bleakley说。“他们对焊接很在行，知道焊接的参数。
Bleakley补充说:“自我穿刺技术仍然是一项新技术。“不幸的是，它总是被比作点焊。许多人认为焊接是免费的。另一方面，一个紧固件有一个零件号和与之相关的成本。当工程师开始意识到与制造相关的所有成本时，他们意识到穿铆是有意义的。随着越来越多的人熟悉这项技术，我们看到了一个巨大的市场。”
Henrob的LaPensee说，铆钉制造商需要更好地教育市场。他解释说:“由于自穿孔铆钉技术是由装配过程和紧固件组成的，与其他机械紧固件或焊接相比，它通常需要更多的规程来实施。”
LaPensee称，设计工程师、紧固件工程师、制造工程师和资本设备买家都需要参与。LaPensee总结道:“当你把所有的技术都放在一个房间里，并通过真实的现场成本分析展示工程和制造效益，以及回报，这就成了一件确定无疑的事情。”
