西北工業(yè)大學 方 俊 曹增強
中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司 陳允全 秦龍剛 陳麗麗 徐 菁
相對于螺接而言,鉚接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、適用范圍廣、費用低,是目前最為廣泛的連接方法之一[1]。在某型飛機結(jié)構(gòu)設計中,為減輕結(jié)構(gòu)重量而大量采用鈦合金,從而引起大量鈦合金緊固件的采用[2]。干涉配合連接能大幅度提高接頭疲勞壽命,是目前提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命最有效的工藝方法之一[3],但我國目前飛機制造的干涉配合鉚接工藝僅僅應用在鋁合金結(jié)構(gòu)。為滿足新機結(jié)構(gòu)長壽命的設計要求,本文開展了鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接工藝研究。
在新機研制中,為保持電位匹配,防止電位腐蝕,鈦合金結(jié)構(gòu)的鉚接一般選用鈦鉚釘。由于鈦合金鉚釘冷塑性差、應變率敏感、屈強比高、成形困難,因此實際生產(chǎn)采用熱鉚。而熱鉚存在加熱不均、接觸點易燒蝕、操作不方便等缺點,無法保證飛機鉚接的效率和鉚接質(zhì)量。電磁鉚接是一種新型鉚接工藝,適合鈦合金等屈強比高、難成形材料鉚釘?shù)你T接[4]。我國也已研制成功固定式、手持式電磁鉚槍,但仍存在一些問題。由于目前的電磁鉚槍體積還比較大,對不開敞性結(jié)構(gòu)的鉚接有一定局限性。而傳統(tǒng)的氣動鉚槍體積較小,使用靈活,操作簡單,與其相應的頂鐵也可以做成各式各樣的形狀來滿足不開敞性結(jié)構(gòu)的鉚接需要,目前國內(nèi)各主要飛機廠廣泛使用。鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接目前在我國還是一個空白。
本文采用錘鉚法進行鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究,通過試驗選擇合適的干涉配合鉚接工藝參數(shù),為實際應用提供依據(jù)。
某型機結(jié)構(gòu)設計選用中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司研制的鈦鈮鉚釘,主要有φ3.5mm和φ4mm兩種。夾層材料為TC4-M鈦合金板。
要實現(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接,首先需要確定合適的鉚接工藝參數(shù)。一般鉚接工藝參數(shù)包括釘孔間隙、鉚釘外伸量和干涉量。本文采用普通錘鉚進行工藝參數(shù)研究,鉚接方式為正鉚。由于錘鉚利用鉚槍的活塞撞擊鉚釘,在鉚釘?shù)牧硪欢擞身旇F頂住,使釘桿鐓粗,形成鐓頭,故選擇合適功率的鉚槍對鉚接質(zhì)量有很大影響。目前應用最普遍的青島前哨風動工具廠的不同功率槍式鉚槍參數(shù)見表1,圖1為不同型號的氣動鉚槍。由于鈦合金成形性差,采用鋁鉚釘結(jié)構(gòu)鉚接用功率的鉚槍一般難以順利成形鈦鉚釘。采用不同功率的鉚槍鉚接發(fā)現(xiàn),型號為M0601/4X鉚槍提供鉚接力過小,鉚釘成形困難,且成形鐓頭為喇叭形;型號為M0901/9X鉚槍則功率較大,鉚接后試件出現(xiàn)變形;而型號為M0801/7X鉚槍提供鉚接力較合適,鉚接后鐓頭成形及試件表面質(zhì)量均良好。故后續(xù)試驗將采用型號為M0801/7X鉚槍進行鉚接。
表1 不同功率氣動鉚槍參數(shù)
圖1 不同功率氣動鉚槍Fig.1 Pneumatic riveting guns with different power
干涉配合鉚接中反映釘桿膨脹情況的是釘桿各個部位的干涉量,干涉量是衡量鉚釘與夾層材料連接緊密程度的參數(shù)。為了便于比較,常常用干涉量與緊固件安裝孔直徑的比值來表示,稱為相對干涉量I′,下文所述干涉量均指相對干涉量,即
I′= I/D = ((d-D)/D)×100%
式中,I為干涉量,mm;d為緊固件公稱直徑,mm;D為緊固件安裝孔公稱直徑,mm。
鉚接成形后,鉚釘釘桿軸向不同位置的徑向膨脹量是不相同的,為了反映鉚接干涉量的均勻程度需要測定鉚釘不同部位的干涉量,筆者按照平錐頭鉚釘干涉配合鉚接工藝規(guī)范,采用橫切法測量圖2所示的1、2、3這3個部位的干涉量[5]。
圖2 干涉配合鉚接干涉量測量部位Fig.2 Measuring position of interference-fit riveting
材料不同,可獲得的干涉量值不同。板硬釘軟,干涉量??;板軟釘硬,干涉量大[6]。由文獻[5]可知目前鋁合金構(gòu)件給定干涉量范圍為0.08%~5%,但在這個范圍內(nèi)接頭疲勞壽命將會有較大的變化,結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)最佳疲勞壽命增益。文獻[7]指出鋁合金構(gòu)件干涉量在2%~3%時疲勞壽命增益最大,而合金鋼構(gòu)件干涉量在1.5%左右時能獲得最大疲勞壽命。
在某型飛機結(jié)構(gòu)設計中,要求被鉚接件為TC4-M型號鈦板,緊固件為鈦鈮鉚釘。而鈦鈮鉚釘屈服強度僅有414MPa,靜拉伸強度為448MPa;夾層材料TC4鈦合金板屈服強度約為900MPa,靜拉伸強度為950MPa。由于鈦鈮合金屈服強度遠遠小于TC4鈦合金屈服強度(約為其50%左右),鈦鈮鉚釘材料在風動鉚槍作用下對夾層材料的擠壓作用有限,導致難于形成較大干涉量。通過之前外伸量和釘孔間隙等工藝參數(shù)的研究可得,針對TC4型號鈦板和鈦鈮鉚釘所得到的有效干涉量基本在0.5%~1.0%范圍內(nèi),由于被鉚接件和鉚接件強度不匹配,故只能達到目前干涉量范圍。從實現(xiàn)最大疲勞壽命增益看,推薦合適的干涉量范圍為0.8%~1.0%。
鉚釘變形受孔徑影響較大,釘孔間隙過大時,鉚接相當于自由鐓粗,無法形成干涉配合,影響連接件強度和抗疲勞壽命;釘孔間隙過小,則有可能對試件造成初始損傷,而且會使鉚釘安裝困難。筆者參考文獻[5],對φ3.5和φ4不同型號鉚釘選取預置孔徑,如表2所示。
表2 不同型號鉚釘參數(shù)及夾層厚度
圖3為φ3.5和φ4鉚釘不同間隙與鉚釘成形關系示意圖,反映了不同孔徑下鉚釘?shù)恼w成形均勻性情況。由圖3可知,兩種鉚釘?shù)母缮媪慷茧S著釘孔間隙增大呈減小趨勢,在釘孔間隙為0.05mm和0.08mm時整體干涉量成形都較均勻;當兩種鉚釘在最大釘孔間隙時鉚釘膨脹量均勻性都較差。
圖3 不同釘孔間隙下鉚接后相對干涉量Fig.3 Relative interference under different hole clearance after riveting
φ3.5鉚釘不同間隙下干涉量具體分布如下:間隙0.05mm時干涉量最大且主要集中在0.95%~1%;間隙0.08mm時干涉量略有下降但差別較小,干涉量主要集中在0.87%~0.95%;當間隙為0.13mm時干涉量下降較大且不穩(wěn)定,基本在0.6%~0.8%內(nèi)分布。φ4鉚釘不同間隙下干涉量具體分布如下:間隙0.05mm時干涉量最大且主要集中在0.92%~1%;同樣間隙0.08mm時干涉量略有下降但差別較小,干涉量分布穩(wěn)定主要集中在0.9%~0.95%;間隙0.15mm時干涉量顯著下降且均勻性較差,干涉量在0.45%~0.65%內(nèi)波動。兩種鉚釘在間隙0.05mm和0.08mm時,干涉量大小分布都相差不大,但在實際操作過程中均發(fā)現(xiàn)在間隙0.05mm時,由于間隙過小鉚釘膨脹后對釘孔擠壓變形過大,造成相鄰孔徑夾層間出現(xiàn)錯位,使安放鉚釘困難。
圖4為鉚釘鉚接后不同位置釘桿直徑與釘孔間隙關系圖(橫坐標的1、2、3分別代表鐓頭附近、釘桿中間位置和釘頭附近的測量點),用來反映單個鉚釘成形情況。可知兩種鉚釘釘桿的直徑都隨著釘孔間隙的增大而增加,但從單個鉚釘成形均勻性看,在不同間隙下均勻性都較差,呈錐形即靠近釘頭膨脹最小而鐓頭處膨脹最大,這與錘鉚時釘桿成形規(guī)律一致。從圖4也可看出兩種鉚釘在間隙0.05mm和0.08mm時釘桿膨脹均勻性差別不大但均好于最大間隙時。通過圖3和圖4分析可得,φ3.5和φ4鉚釘最佳釘孔間隙都為0.08mm,從加工工藝可行性及制孔精度考慮,建議實際釘孔尺寸以(0.08±0.02)mm為宜。
圖4 鉚接后不同位置測量的釘桿直徑Fig.4 Measuring rivet shank diameters of different positions after riveting
釘桿外伸部分的材料是用來填充釘孔及形成鐓頭的,外伸量過小,材料不夠,不能形成完整的鐓頭,從而影響構(gòu)件強度;外伸量過大,鐓頭尺寸過大,增加結(jié)構(gòu)重量,且在鉚接過程中成形后的鐓頭容易打偏。不同型號鉚釘對應外伸量及夾層厚度參數(shù)見表3。依據(jù)文獻[8],將鐓頭尺寸和形狀作為外伸量選取評價標準之一,鉚接后鐓頭尺寸標準為鐓頭直徑在(1.5±0.1)d,且鐓頭高度不小于0.4d。由釘孔間隙參數(shù)選擇得到最佳釘孔間隙為0.08mm,以下外伸量研究均在該間隙下進行工藝試驗。
圖5為φ3.5和φ4鉚釘不同外伸量與釘桿整體膨脹關系圖,可見外伸量的大小對鉚釘干涉量影響較大。外伸量分別為 0.97d、1.1d、1.2d、1.3d 時的φ3.5 鉚釘和外伸量分別為0.95d、1.04d、1.2d、1.32d時的φ4鉚釘?shù)恼w膨脹都較均勻,而當兩種鉚釘在最大外伸量時鉚釘膨脹均勻性都顯著下降;在干涉量成形較均勻的外伸量中,兩種鉚釘干涉量都隨著外伸量增大呈增大趨勢。
表 3 不同型號鉚釘對應外伸量及夾層厚度
圖5 不同外伸量下鉚接后的相對干涉量Fig.5 Relative interference under different overhanging after riveting
φ3.5鉚釘具體干涉量分布如下:外伸量0.97d時干涉量最小,基本分布在0.2%~0.3%內(nèi);外伸量1.1d時干涉量明顯增大,基本分布在0.7%~0.8%;外伸量1.2d和1.3d時干涉量分布基本相同,主要集中在0.9%~1%。φ4鉚釘具體干涉量分布如下:外伸量0.95d時干涉量最小,集中分布在0.1%~0.2%內(nèi);外伸量1.04d時干涉量增大,基本在0.5%~0.6%分布;外伸量1.2d和1.3d時干涉量分布基本相同,主要集中在0.9%~1%。兩種鉚釘在最大外伸量時形成干涉量都不穩(wěn)定,其中φ3.5鉚釘干涉量基本在0.5%~0.8%內(nèi)分布,φ4鉚釘干涉量基本在0.5%~0.85%內(nèi)變動。
圖6為鐓頭高度與外伸量關系圖,其中不同外伸量下鐓頭直徑都分布在1.4~1.6d內(nèi),圖中虛線為鐓頭成形所需最小高度。由圖6可知,φ3.5鉚釘和φ4鉚釘鐓頭高度都隨著外伸量增大而增大,兩種鉚釘在最大外伸量時鐓頭高度變化較大,其余外伸量下鐓頭高度都較穩(wěn)定。在最大外伸量下觀察鐓頭外觀,發(fā)現(xiàn)大部分鐓頭打偏,而其余外伸量下鐓頭外觀成形較好,此外兩種鉚釘在最小外伸量下鐓頭高度均未達標。由圖5、圖6分析可得兩種鉚釘合適外伸量均為(1.2~1.3)d。
圖6 不同外伸量下鉚釘鐓頭成形Fig.6 Rivet head forming with different overhanging
(1)由于鈦合金鉚釘冷塑性差、應變率敏感、屈強比高、成形困難,故選取不同功率氣動鉚槍對鉚接質(zhì)量影響很大,筆者從鉚接成形質(zhì)量、工作強度及鉚接效率等方面綜合考慮,建議選用M0801/7X槍式風動鉚槍實現(xiàn)φ3.5和φ4鈦鈮鉚釘與鈦合金板的鉚接。
(2)通過研究鉚釘工藝參數(shù)對干涉量影響可知,在釘孔間隙取(0.08±0.02) mm時外伸量在(1.2~1.3) d內(nèi),鉚釘φ3.5和φ4的鉚接質(zhì)量良好,鉚接后成形干涉量都達到最大0.8%~1.0%且鉚釘整體釘桿膨脹較均勻,形成的鐓頭尺寸和外觀均符合鉚接要求規(guī)范。
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