中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 王青杰

電磁鉚接工藝參數(shù)試論

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 王青杰

介紹了電磁鉚接的原理和發(fā)展歷史，分析了電磁鉚接技術(shù)的特點(diǎn)。系統(tǒng)地研究了電磁鉚接技術(shù)在組合件鉚接、鉚接和抗干擾緊固件安裝中的應(yīng)用。結(jié)果表明，電磁鉚接技術(shù)能提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并能安裝大型干涉配合緊固件。

電磁鉚接；干涉配合；復(fù)合材料

引言

鉚接是一種新的制造方法，尤其應(yīng)用在飛機(jī)的制造上最廣泛。隨著飛機(jī)性能的不斷提高，對(duì)整體結(jié)構(gòu)壽命要求不斷增加，一些新的材料如鈦合金等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的比重越來越多。以前的鉚接工藝方法已經(jīng)不適應(yīng)新材料的加工要求，需要研究新的工藝方法。上世紀(jì)60年代開始美國(guó)波音飛機(jī)公司研究出電磁鉚接技術(shù)，解決飛機(jī)鉚接制造的相同共性問題，并在1968申請(qǐng)了電磁鉚接裝置專利，應(yīng)用與強(qiáng)力沖擊制造。70年代格魯曼公司設(shè)計(jì)出一種新的電磁鉚接裝置，成功地解決了電磁鉚接困難的干擾，在鈦合金緊固件連接結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)厚度的問題上，取得了好的應(yīng)用推廣價(jià)值，帶來了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在電磁鉚接帶來積極作用的同時(shí)，由于電磁高壓進(jìn)給率太高，鉚釘頭容易開裂，設(shè)備使用不方便，電磁鉚接技術(shù)僅用在新材料上，并沒有得到廣泛推廣。直到1986年zievepeter開發(fā)了針對(duì)高壓的低壓電磁鉚接，使的壓接鉚的問題的到解決，鉚接質(zhì)量得到提升，電磁鉚接技術(shù)才得以發(fā)展迅速。目前電磁鉚接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各型飛機(jī)的制造中，電磁鉚接的新工藝方法，只有美國(guó)，俄羅斯和中國(guó)已經(jīng)開發(fā)了電磁鉚接設(shè)備。

1. 電磁鉚接原理

電磁鉚接是利用電磁成形技術(shù)為原理，在傳統(tǒng)鉚接的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型鉚接技術(shù)。電磁鉚接的構(gòu)造為如下圖，在放電線圈和工件之間加入一個(gè)線圈和一個(gè)應(yīng)力波放大器。通電后開關(guān)閉合期間，電路產(chǎn)生放電，初級(jí)線圈通過快速變化的沖擊電流產(chǎn)生線圈周圍的強(qiáng)磁場(chǎng)。次級(jí)線圈和初級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成渦流磁場(chǎng)，根據(jù)同性相吸異性相離的原理，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的渦流力斥力，由放大器傳給鉚釘形成沖擊力。渦流力在頻率上非常高，在鉚釘接觸位置以應(yīng)力波的形式傳播。

電磁鉚接有很高的加載速率，整個(gè)鉚接過程在幾百微秒到一毫秒之間形成，材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同于一般鉚接過程。傳統(tǒng)的鉚接中鉚接位置材料變形是一種均勻的形變，而電磁鉚接特別是高壓電磁鉚接，是通過絕熱剪切形式下產(chǎn)生材料變形。

圖1 電磁鉚接原理圖

2. 干涉配合鉚接

目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都是要求提高疲勞壽命，過盈配合設(shè)計(jì)成為延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命的主要方法。鉚接時(shí)，釘桿的膨脹不均勻，特別是鋼筋厚度大于緊固件直徑和厚度時(shí)，很難保證對(duì)整個(gè)釘桿的干涉，以獲得最佳的疲勞壽命增益。但是由于電磁鉚接整個(gè)過程時(shí)間較短，成型螺桿膨脹和破壞幾乎是同步進(jìn)行，所以釘桿和釘孔的過盈量之間形成一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的情況，當(dāng)釘孔的差距比較大或者材料層厚度較大時(shí)，過盈連接會(huì)使結(jié)構(gòu)件疲勞壽命長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁鉚接產(chǎn)生的力均勻干涉，鉚接質(zhì)量不受操作者技術(shù)水平的影響。

3. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接

復(fù)合材料中相對(duì)于普通材料具有很多其他的特點(diǎn)，在現(xiàn)代航天結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。材料的硬度不如金屬結(jié)構(gòu)，因此材料連接的位置是復(fù)合材料中最薄弱的環(huán)節(jié)，鉚接后的結(jié)構(gòu)損傷60%以上都發(fā)生在連接節(jié)點(diǎn)處。復(fù)合材料制造中常用錘擊鉚接，以防止沖擊損傷。復(fù)合結(jié)構(gòu)的干涉是有限的，以防止由于鉚釘桿的不均勻膨脹而導(dǎo)致的擠壓失效。電磁鉚接是一種沖擊距離為零的沖擊載荷，其沖擊損傷比普通的鉚釘鉚接要小得多。鉚接時(shí)鉚釘接頭均勻展開在鉚接復(fù)合部位，防止在鉚接過程中材料受到擠壓損壞。用于連接復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中是非常合適的工藝方法。

3.1 鐓頭尺寸

復(fù)合材料鐓粗頭沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下TA1鉚釘鉚接高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料時(shí)，鉚釘頭直徑114d + 011d，頭部的高度是015d ～ 0165d；用于玻璃纖維和芳綸纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的鉚釘，鉚釘頭高度013d ～ 014d，頭部直徑113d。復(fù)合材料的特性為脆性，擠壓時(shí)容易受到破壞，所以鐓頭不宜過大。鉚接時(shí)要考慮材料層間層壓板，以及結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)制造要求。

3.2 墊圈幾何構(gòu)形設(shè)計(jì)

復(fù)合材料鉚接時(shí)需要增加墊片，對(duì)鉚接質(zhì)量有著重要的影響。墊圈的內(nèi)徑?jīng)Q定了材料吸收鉚釘變形的能力。在鐓粗過程中，墊圈的外徑受到鉚接壓力的影響產(chǎn)生損傷，厚度決定了鉚接的剛度。因此鉚接使用的墊圈一般直徑小，直徑大的墊圈通常都不能滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接的要求。電磁鉚接的螺桿膨脹體積的測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)鉚接時(shí)用的墊圈直徑和厚度合適時(shí)，直徑011mm和012mm鉚釘可選墊圈直徑尺寸為D+（011 ～ 012）mm，尺寸限制的選擇盡量選擇如表1所示。

表1 墊圈幾何尺寸

3.3 釘孔間隙選擇

復(fù)合材料的彎曲性能較差，鉚接時(shí)鉚釘與材料直徑產(chǎn)生間隙，對(duì)結(jié)構(gòu)連接有著很大的影響。為了防止損壞安裝，鉚釘和結(jié)構(gòu)件孔之間的間隙必須大于鉚釘?shù)拈L(zhǎng)度。通過試驗(yàn)表明，鉚接質(zhì)量可靠狀態(tài)時(shí)，鉚釘與孔的間隙在013mm和014mm之間。當(dāng)釘與孔的間隙小于013mm時(shí)，接頭受到的干擾較大，鉚接后容易損壞復(fù)合材料的本身。如果釘與孔的間隙大于014mm時(shí)，鉚釘在孔內(nèi)容易出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，影響接頭強(qiáng)度，鉚接位置不牢。

4. 結(jié)論

電磁鉚接作為鉚接過程中的一項(xiàng)新技術(shù)，適用于過盈配合鉚接、復(fù)合結(jié)構(gòu)鉚接等過程。電磁鉚接技術(shù)的應(yīng)用，可以提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，可以減少結(jié)構(gòu)件安裝時(shí)的應(yīng)力損傷，可以替代一些干涉情況的緊固件。

[1]高彬.干涉配合緊固件的應(yīng)力波安裝方法研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2014年.

[2]楊軍.低電壓電磁鉚接過程數(shù)值模擬研究[D].武漢理工大學(xué),2014年.

[3]劉衛(wèi)華.低電壓電磁鉚接工藝參數(shù)及成形機(jī)理的研究[D].武漢理工大學(xué),2015年.

王青杰（1979—），河南人，高級(jí)雷達(dá)裝配工，主要從事無人機(jī)裝配技術(shù)研究。