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        鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究

        2015-05-30 07:07:52西北工業(yè)大學(xué)曹增強(qiáng)
        航空制造技術(shù) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:鉚釘鈦合金成形

        西北工業(yè)大學(xué) 方 俊 曹增強(qiáng)

        中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 陳允全 秦龍剛 陳麗麗 徐 菁

        相對(duì)于螺接而言,鉚接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、適用范圍廣、費(fèi)用低,是目前最為廣泛的連接方法之一[1]。在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)制造的干涉配合鉚接工藝僅僅應(yīng)用在鋁合金結(jié)構(gòu)。為滿足新機(jī)結(jié)構(gòu)長壽命的設(shè)計(jì)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(jī)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(yīng)變率敏感、屈強(qiáng)比高、成形困難,因此實(shí)際生產(chǎn)采用熱鉚。而熱鉚存在加熱不均、接觸點(diǎn)易燒蝕、操作不方便等缺點(diǎn),無法保證飛機(jī)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(qiáng)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(duì)不開敞性結(jié)構(gòu)的鉚接有一定局限性。而傳統(tǒng)的氣動(dòng)鉚槍體積較小,使用靈活,操作簡單,與其相應(yīng)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(jī)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(gè)空白。

        本文采用錘鉚法進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究,通過試驗(yàn)選擇合適的干涉配合鉚接工藝參數(shù),為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 材料及試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        某型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)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。

        1.2 試驗(yàn)方法

        要實(shí)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(jìn)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(duì)鉚接質(zhì)量有很大影響。目前應(yīng)用最普遍的青島前哨風(fēng)動(dòng)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(hào)的氣動(dòng)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(hào)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(hào)為M0901/9X鉚槍則功率較大,鉚接后試件出現(xiàn)變形;而型號(hào)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(yàn)將采用型號(hào)為M0801/7X鉚槍進(jìn)行鉚接。

        表1 不同功率氣動(dòng)鉚槍參數(shù)

        圖1 不同功率氣動(dòng)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(gè)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(duì)干涉量I′,下文所述干涉量均指相對(duì)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(gè)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

        2 結(jié)果與分析

        2.1 干涉量的選擇

        材料不同,可獲得的干涉量值不同。板硬釘軟,干涉量?。话遘涐斢?,干涉量大[6]。由文獻(xiàn)[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(gè)范圍內(nèi)接頭疲勞壽命將會(huì)有較大的變化,結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)最佳疲勞壽命增益。文獻(xiàn)[7]指出鋁合金構(gòu)件干涉量在2%~3%時(shí)疲勞壽命增益最大,而合金鋼構(gòu)件干涉量在1.5%左右時(shí)能獲得最大疲勞壽命。

        在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要求被鉚接件為TC4-M型號(hào)鈦板,緊固件為鈦鈮鉚釘。而鈦鈮鉚釘屈服強(qiáng)度僅有414MPa,靜拉伸強(qiáng)度為448MPa;夾層材料TC4鈦合金板屈服強(qiáng)度約為900MPa,靜拉伸強(qiáng)度為950MPa。由于鈦鈮合金屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TC4鈦合金屈服強(qiáng)度(約為其50%左右),鈦鈮鉚釘材料在風(fēng)動(dòng)鉚槍作用下對(duì)夾層材料的擠壓作用有限,導(dǎo)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(duì)TC4型號(hào)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(qiáng)度不匹配,故只能達(dá)到目前干涉量范圍。從實(shí)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%。

        2.2 釘孔間隙對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

        鉚釘變形受孔徑影響較大,釘孔間隙過大時(shí),鉚接相當(dāng)于自由鐓粗,無法形成干涉配合,影響連接件強(qiáng)度和抗疲勞壽命;釘孔間隙過小,則有可能對(duì)試件造成初始損傷,而且會(huì)使鉚釘安裝困難。筆者參考文獻(xiàn)[5],對(duì)φ3.5和φ4不同型號(hào)鉚釘選取預(yù)置孔徑,如表2所示。

        表2 不同型號(hào)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(guān)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(shí)整體干涉量成形都較均勻;當(dāng)兩種鉚釘在最大釘孔間隙時(shí)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(duì)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(shí)干涉量最大且主要集中在0.95%~1%;間隙0.08mm時(shí)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(dāng)間隙為0.13mm時(shí)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(shí)干涉量最大且主要集中在0.92%~1%;同樣間隙0.08mm時(shí)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(shí)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(dòng)。兩種鉚釘在間隙0.05mm和0.08mm時(shí),干涉量大小分布都相差不大,但在實(shí)際操作過程中均發(fā)現(xiàn)在間隙0.05mm時(shí),由于間隙過小鉚釘膨脹后對(duì)釘孔擠壓變形過大,造成相鄰孔徑夾層間出現(xiàn)錯(cuò)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(guān)系圖(橫坐標(biāo)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(diǎn)),用來反映單個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)釘桿膨脹均勻性差別不大但均好于最大間隙時(shí)。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(shí)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

        2.3 外伸量對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

        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(qiáng)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(hào)鉚釘對(duì)應(yīng)外伸量及夾層厚度參數(shù)見表3。依據(jù)文獻(xiàn)[8],將鐓頭尺寸和形狀作為外伸量選取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一,鉚接后鐓頭尺寸標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行工藝試驗(yàn)。

        圖5為φ3.5和φ4鉚釘不同外伸量與釘桿整體膨脹關(guān)系圖,可見外伸量的大小對(duì)鉚釘干涉量影響較大。外伸量分別為 0.97d、1.1d、1.2d、1.3d 時(shí)的φ3.5 鉚釘和外伸量分別為0.95d、1.04d、1.2d、1.32d時(shí)的φ4鉚釘?shù)恼w膨脹都較均勻,而當(dāng)兩種鉚釘在最大外伸量時(shí)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(hào)鉚釘對(duì)應(yīng)外伸量及夾層厚度

        圖5 不同外伸量下鉚接后的相對(duì)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(shí)干涉量最小,基本分布在0.2%~0.3%內(nèi);外伸量1.1d時(shí)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(shí)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(shí)干涉量最小,集中分布在0.1%~0.2%內(nèi);外伸量1.04d時(shí)干涉量增大,基本在0.5%~0.6%分布;外伸量1.2d和1.3d時(shí)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(shí)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(dòng)。

        圖6為鐓頭高度與外伸量關(guān)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(shí)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(dá)標(biāo)。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

        3 結(jié)論

        (1)由于鈦合金鉚釘冷塑性差、應(yīng)變率敏感、屈強(qiáng)比高、成形困難,故選取不同功率氣動(dòng)鉚槍對(duì)鉚接質(zhì)量影響很大,筆者從鉚接成形質(zhì)量、工作強(qiáng)度及鉚接效率等方面綜合考慮,建議選用M0801/7X槍式風(fēng)動(dòng)鉚槍實(shí)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(duì)干涉量影響可知,在釘孔間隙取(0.08±0.02) mm時(shí)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(dá)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。

        [1] 王云渤,張關(guān)康.飛機(jī)裝配工藝學(xué).北京: 國防工業(yè)出版社,1990.

        [2] 楊海濤,全書海. 飛機(jī)電磁熱鉚接電控系統(tǒng)研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué),2008.

        [3] Duprat D, Campassens D, Balzano M, et al. Fatigue life prediction of interference fit fastener and cold worked holes. International Journal of Fatigue, 1996,18:515-521.

        [4] 曹增強(qiáng).應(yīng)對(duì)我國大飛機(jī)研制的裝配連接技術(shù).航空制造技術(shù), 2009(2):88-91.

        [5] 中華人民共和國航空工業(yè)部. HB/Z223.4-2004飛機(jī)裝配工藝:冠狀鉚釘,平錐頭鉚釘干涉配合鉚接. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

        [6] 中國航空科學(xué)研究院.飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂強(qiáng)化工藝手冊(cè).北京:航空工業(yè)出版社,1993.

        [7] 緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫委員會(huì).緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京:國防工業(yè)出版社,1990.

        [8] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè).北京:航空工業(yè)出版社,1993.

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