铆钉冲头加工、铆模型腔制作一直是机加工中的棘手难题，不少师傅都为此发愁。本文就分享一种实用简便的加工新思路：直接在车床上采用成形车刀加工铆钉冲头的铆模型腔，同时借助车床尾座即可开展现场压铆试验。加工过程还可先用普通圆柱销先行试制作、校验压铆效果，确认达标后再换装铆钉冲头正式加工，轻松就能加工出精度和形态都十分理想的铆模型腔。
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序言
半空心铆钉广泛应用于飞机、汽车、铁路等行业[1]。进行铆接时，一般用铆钉冲头对准铆钉头部加压，形成圆润饱满、美观大方的铆头，但目前在企业生产中，稳定形成美观铆头的难度较大。许多学者对如何达到预期的铆接效果进行了研究。CUI等[2]通过研究得出不同形状的铆模型腔对铆钉材料塑性流动的影响；杨程等[3]用试验测试与显微分析相结合的方法，得出了半空心铆钉在加工过程中硬度与金属显微组织的演变规律；朱亚蓉等[4]通过有限元分析，提出了降低铆钉压铆损伤的方法。多种研究均指向了铆模型腔的形状与尺寸。只有加工出形状合理、尺寸正确的铆模型腔，才能达到预期的压铆效果，形成圆润饱满、美观大方的铆头。
目前，加工铆钉冲头铆模型腔一般有两种方法：①利用数控铣床或精雕机对铆钉冲头的铆模型腔进行精铣，可以有效控制尺寸[5]，但需要专用的微小直径雕铣刀，加工过程中进刀慢、工时长，加工成本高，并且无法即时验证铆模的压铆效果。②直接在车床上进行车削业[6]，加工方便且成本低，但铆模型腔成形及车削控制均只能依靠操作人员的技能，且需通过反复试验才能完成。
笔者总结出了一种在卧式车床上加工半空心铆钉冲头的方法：用成形车刀在车床上加工铆模型腔，并配合尾座即时验证压铆效果。实践证明，该方法简捷可靠。本文以4mm半空心铝制铆钉为例，介绍铆钉冲头成形车刀设计与制作、车削加工和即时压铆试验方法。半空心铆钉主要尺寸如图1所示。
图1 半空心铆钉主要尺寸
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成形车刀
2.1 成形车刀切削刃的组成
成形车刀如图2所示，a-b段为切削深度对刀刃，当其与工件端面接触时，即表示达到了切削深度；b-c曲线段为型腔成形刃，主要用于铆模成形面的车削；c-d段为对刀线，车削时用于与工件中心目视对刀；d-e段为端面车削刃，用于车削端面；t为铆模中心定位凸台与边沿平台的高度差。
图2 成形车刀示意
特别指出的是，在卧式车床上，方刀架手工转位换刀时，其重复定位精度为±0.2mm，即换刀时，刀尖位置可能产生0.4mm的位置偏差。为了避免加工过程中换刀带来的位置偏差，在成形车刀上设计了d-e段端面车削刃，在重复试验时用以车削端面。
2.2 成形车刀的制作
成形车刀主要用线切割机床和砂轮机加工。
（1）线切割加工 成形车刀的线切割加工如图3所示，先将车刀吸附在磁力表座的侧面，使车刀与磁力表座底面成5°~10°夹角，再将两者吸附在线切割导轨上，找正后完成线切割加工。由于车刀已抬升5°～10°，加工后即形成车刀的主后角。
a）车刀在线切割机床上的安装
b）车刀主后角形成方法
图3 成形车刀的线切割加工示意
（2）修磨 首先是修磨后刀面。由于铆模型腔是在工件的端面上车削，回转直径很小，容易出现后刀面与所加工型腔干涉的现象，因此需修磨后刀面。修磨后刀面如图4所示，其中修磨面用深色表示。其次是修磨出端面切削刃的进给后角，如图5所示，其中修磨面用深色表示。
图4 修磨后刀面示意
图5 修磨端面切削刃的进给后角示意
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多创新车削加工与压铆试验
车削铆模型腔的总体思路是以圆柱销为试验材料，进行试车与压铆试验验证。当加工出的成形面达到理想效果后，再取需要加工的铆钉冲头，按试车得到的数据完成铆模型腔的车削。
3.1 车削加工
车刀的安装如图6所示，将车刀安装在方刀架上，严格调整车刀与主轴轴线中心等高，取一段φ8mm圆柱销夹在自定心卡盘上，主轴转速约800r/min。
图6 车刀的安装
用成形车刀的端面切削刃车削平端面，并车削出一个小圆柱，小圆柱直径大于铆模中心导向部分直径即可，小圆柱高度为t。轴向尺寸差t如图7所示。
图7 轴向尺寸差t示意
目视将成形刀对刀线与圆柱销端面中心对齐，缓慢转动小滑板上的刻度盘轴向进给，车削铆模型腔。当成形车刀切削深度对刀刃与圆柱销端面接触时退刀，完成铆模型腔加工。退刀后，用砂布对铆模型腔去毛刺，并简易抛光。
3.2 压铆试验
铆模车削完成后，勿将圆柱销从自定心卡盘上取下，直接在车床上进行压铆试验。在车床上模拟压铆试验如图8所示。
1)将半空心铆钉尾部剪除，置于车床尾座钻夹头中并夹紧。
2)将车床尾座前移至合适位置后固定，摇动车床尾座上的手轮，将试样铆钉前伸与铆模型腔接触。即将接触时，放慢手轮转动速度，观察铆钉材料的变形以及在型腔中的流动状况。完成压铆后，回退尾座，取下变形后的铆钉作后续分析。
a）压铆试验方法示意
b）压铆试验实物
图8 在车床上模拟压铆试验
3)因铆模型腔尺寸难以测量，而前述径向对刀主要是用目视的方法完成，故需多次重复试验。重复试验时，应使用成形车刀的端面切削刃车削端面，将上述试验中的型腔面车平。注意在车削端面时，绝不能以换刀的方式进行加工，以免产生位置偏差，导致尺寸不可控。车削好端面后，用中拖板径向进给，按上述车削加工和压铆试验的步骤重复进行。
进行重复加工和试验时，用中拖板上的刻度盘控制尺寸，每进给0.1mm进行一次试验。每次加工出铆模型腔后，进行压铆试验，直到得到最佳铆头形状，以确定最理想的铆模型腔。每次试验时，应注意记录中拖板上刻度盘的读数。多次压铆试验得到的铆头对比如图9所示。
图9 多次压铆试验得到的铆头对比
不同尺寸铆模与铆钉的接触位置如图10所示。当铆模尺寸过大时，铆模型腔芯部顶住铆钉头部，阻碍了材料的流动，导致铆钉杆镦粗，对应的试验样品是图9中的1号；当铆模尺寸过小时，型腔底部圆弧正对着材料，同样阻碍了材料的流动，导致铆钉杆镦粗，对应的试验样品是图9中的7号试验样品；当铆模尺寸理想时，压铆时材料流动顺畅，压铆后铆钉翻边圆润饱满，铆杆平直无镦粗现象，对应的是图9中4号试验样品。在压铆力方面，4号试验样品的模拟压铆过程中，手轮摇动明显省力。
a）铆模尺寸过大
b）铆模尺寸理想
c）铆模尺寸过小
图10 不同尺寸铆模与铆钉的接触位置
每次试验后记录床鞍上的刻度盘数据，当得到了理想的铆模型腔车削尺寸后，将前述圆柱销取下，换上需要加工的铆钉冲头，重复上述加工步骤，即可加工出理想的铆模型腔。若进行多次加工与试验后，均不能得到理想的铆模型腔，则应重新设计并制作成形车刀，再进行加工与试验。
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结束语
本文结合生产实际，提出了一种用成形车刀在车床上加工铆模型腔，并即时验证压铆效果的方法，步骤详尽，试验可重复，对一线生产实践具有较强的指导意义。参考文献：
[1] 李宗刚，梁涛，焦建军. 铝合金半空心铆钉压铆力及铆接强度[J]. 锻压技术，2024（11）：77-86.
[2] CUI J，QI L，JIANG H，et al. Numerical andexperimental investigations in electromagnetic rivetingwith different rivet dies[J]. International Journal ofMaterial Forming，2018（6）：839-853.
[3] 杨程，牛艳，王瑞静，等. 304不锈钢扁平头半空心厚壁铆钉翻铆缺陷分析[J]. 塑性工程学报，2020（3）：65-71.
[4] 朱亚蓉，马兴海，刘东平，等. GFRP与铝合金叠层低损伤压铆工艺参数研究[J]. 宇航材料工艺，2020（3）：23-27.
[5] 赵新忠. 数控铣床金属构件加工工艺应用分析[J]. 中国金属通报，2024（5）：243-245.
[6] 陈晨. 弯铆钉冲头的加工方法[J]. 装备制造技术，2018（2）：191-194.
