黃運(yùn)凱,張旭,李杰,崔俊佳
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114;2.北京理工大學(xué) 深圳汽車(chē)研究院,廣東深圳 518118;3.湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410082)
電磁鉚接技術(shù)是基于傳統(tǒng)鉚接和電磁成形工藝發(fā)展起來(lái)的一種裝配工藝,裝配工藝原理如圖1 所示。電磁成形設(shè)備通過(guò)對(duì)電容器組充電儲(chǔ)能,能量充到預(yù)定值后閉合放電開(kāi)關(guān),通過(guò)置于鉚接工裝中的平板線圈進(jìn)行釋能放電。放電瞬間,儲(chǔ)能電容、放電線圈以及系統(tǒng)內(nèi)阻構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生交變電流,使線圈周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)。在交變磁場(chǎng)作用下,與線圈貼合的銅質(zhì)驅(qū)動(dòng)片表層會(huì)感生出交變渦流,進(jìn)而產(chǎn)生感生渦流磁場(chǎng)。線圈磁場(chǎng)與渦流磁場(chǎng)產(chǎn)生相反的斥力推動(dòng)沖頭壓縮鉚釘形成釘頭,鎖緊被連接板材。
圖1 電磁鉚接原理Fig.1 The principle diagram of electromagnetic riveting
與常規(guī)鉚接工藝[1—2]相比,電磁鉚接過(guò)程加載速度快、沖擊力大,有利于高強(qiáng)度難變形材質(zhì)鉚釘成形;應(yīng)力波傳遞干涉配合充分、均勻,可減少板材孔壁沖擊損失;鉚接過(guò)程中參數(shù)便于控制而且鉚接工藝精確穩(wěn)定。
在國(guó)外,俄羅斯和美國(guó)最早開(kāi)始研究電磁鉚接技術(shù),主要偏向于技術(shù)應(yīng)用方面,基礎(chǔ)研究方面報(bào)道較少。20 世紀(jì)70 年代,俄羅斯伏爾加航空工藝研究院研發(fā)了世界上第1 臺(tái)電磁鉚接設(shè)備,已應(yīng)用于伊爾-86和TY-154(見(jiàn)圖2a)等型號(hào)飛機(jī)部分構(gòu)件鉚接裝配之中。隨后該單位在20 世紀(jì)80 年代研發(fā)了配備有加熱裝置的手提式電磁鉚槍?zhuān)懂a(chǎn)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體(見(jiàn)圖2b)Cr-Ni 鋼鉚釘鉚接裝配過(guò)程中[3]。美國(guó)關(guān)于電磁鉚接技術(shù)研究大致可分為高電壓電磁鉚接、低電壓電磁鉚接以及自動(dòng)化電磁鉚接3 個(gè)階段[4]。高電壓(5 kV 以上)電磁鉚接階段,最具代表性的成果是杜魯門(mén)宇航公司20 世紀(jì)70 年代左右開(kāi)始研究的電磁鉚接技術(shù),該技術(shù)成功攻克了鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接難題,實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷鉚接并且顯著提高了鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,而洛克希德公司采用杜魯門(mén)公司的電磁鉚接設(shè)備在復(fù)合材料鉚接裝配中也取得了很好的效果。低電壓(0.5 kV 以上)電磁鉚接階段,最具代表性的成果是Eletroimpact(EI)公司研發(fā)的E4000系列設(shè)備,目前已應(yīng)用于空客A340-600 機(jī)型的生產(chǎn)制造。此外,該公司還開(kāi)發(fā)了多款低電壓手持式電磁鉚槍?zhuān)⒚嫦蛉澜玟N(xiāo)售。自動(dòng)化電磁鉚接階段,近些年,美國(guó)Electroimpact 公司開(kāi)發(fā)了大型自動(dòng)化電磁鉚接裝備[5—7],并成功應(yīng)用于波音[8](見(jiàn)圖2c)和空客[9](見(jiàn)圖2d)相關(guān)產(chǎn)品的裝配之中。綜上所述,國(guó)外電磁鉚接設(shè)備推展及應(yīng)用做得最好的應(yīng)屬美國(guó)Eletroimpact(EI)公司,持續(xù)研發(fā)和改進(jìn)技術(shù)使電磁鉚接設(shè)備的穩(wěn)定性和技術(shù)成熟度顯著提高,其電磁鉚槍及鉚接能力見(jiàn)表1。
表1 Electroimpact 公司電磁鉚槍及鉚接能力Tab.1 Electromagnetic riveters and riveting capacity of Electroimpact company
圖2 電磁鉚接的應(yīng)用Fig.2 Application of Electromagnetic riveting
在國(guó)內(nèi),西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)航空領(lǐng)域率先開(kāi)展研發(fā)工作,近些年在電磁鉚接設(shè)備及鉚槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得了很大進(jìn)步,并開(kāi)發(fā)了多款電磁鉚接設(shè)備及電磁鉚槍?zhuān)ㄒ?jiàn)圖3)[10—13]。此外,20 世紀(jì)90 年代北京航空制造工程研究所引進(jìn)俄羅斯電磁鉚接設(shè)備用于機(jī)翼油箱鉚接裝配,并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了采用自動(dòng)化脈沖變壓器的電磁鉚接設(shè)備[14]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)航天制造領(lǐng)域需求,“十一五”和“十二五”期間研發(fā)了電磁鉚接設(shè)備和鉚槍樣機(jī)[15—16]。近些年福州大學(xué)在電磁鉚接設(shè)備研制方面也做了大量工作,并開(kāi)發(fā)了基于PLC 控制的鉚接設(shè)備及電磁鉚槍?zhuān)ㄒ?jiàn)圖4)[17—18]。其他單位多數(shù)以基礎(chǔ)研究為主,主要采用電磁鉚接過(guò)程中數(shù)值仿真和工藝試驗(yàn)相結(jié)合的研究方式,探究最佳工藝參數(shù)和接頭力學(xué)性能。
圖3 小型電磁鉚槍Fig.3 Small electromagnetic riveter
圖4 電磁鉚接設(shè)備及手持式電磁鉚槍Fig.4 Electromagnetic riveting equipment and handheld electromagnetic riveter
電磁鉚接過(guò)程屬于高速?zèng)_擊鉚釘釘頭成形,釘頭內(nèi)部的變形程度、應(yīng)力和其他影響鉚接質(zhì)量的微觀因素以及干涉配合過(guò)程等很難通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到,因此需要借助數(shù)值方法來(lái)進(jìn)行分析。電磁鉚接過(guò)程涉及電磁場(chǎng)、力場(chǎng)以及溫度場(chǎng)之間的耦合作用,因此要想得到精確的仿真結(jié)果尤為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外多數(shù)采用ANSYS/LS-DYNA 軟件從放電參數(shù)、鉚模幾何尺寸以及鉚釘變形、溫度場(chǎng)分布3 方面對(duì)電磁鉚接過(guò)程進(jìn)行仿真。
針對(duì)電磁鉚接過(guò)程放電參數(shù),福州大學(xué)鄧將華等[19—20]進(jìn)行了系統(tǒng)研究,研究了工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等對(duì)放電電流的幅值和周期的影響規(guī)律,對(duì)鉚接過(guò)程放電參數(shù)的優(yōu)化具有重要意義。
鉚模幾何尺寸不僅決定了釘頭成形后的幾何尺寸,同時(shí)影響了鉚接過(guò)程中釘頭的塑性流動(dòng)和應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài),是釘頭成形的重要影響因素,許多學(xué)者采用有限元方法對(duì)其進(jìn)行了研究。Reinhall 等[21]對(duì)鉚釘產(chǎn)生剪切破壞的原因進(jìn)行了探討,認(rèn)為鉚模的幾何尺寸決定了釘頭應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)分布,對(duì)其成形質(zhì)量有很大影響。西北工業(yè)大學(xué)李奕寰等[22]研究表明鉚模傾角對(duì)干涉量有較大影響,傾角越小,干涉量越大。采用66°鉚模傾角可以實(shí)現(xiàn)較理想的干涉配合,接頭疲勞壽命最長(zhǎng)。南京航空航天大學(xué)馮曉 旻[23]探究了鉚模傾角對(duì)鉚接件殘余應(yīng)力的影響,發(fā)現(xiàn)釘孔周?chē)鷼堄鄳?yīng)力隨著鉚模角度的減小而減小。Cui 等[24]研究發(fā)現(xiàn)鉚模幾何尺寸決定了釘頭成形后微觀組織分布,進(jìn)而決定了釘頭的成形性能。
電磁鉚接時(shí)鉚釘在高速?zèng)_擊下成形,高速塑性變形產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散失,因此該過(guò)程近似絕熱狀態(tài)。由于高速成形時(shí)絕熱溫升很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)捕捉測(cè)量,Repetto 等[25]通過(guò)考慮熱效應(yīng)作用的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)2224 鋁合金鉚釘局部最大溫度高達(dá)600 ℃,局部劇烈溫升軟化效應(yīng)不容忽視,而劇烈的溫升軟化促進(jìn)了鉚釘產(chǎn)生塑性變形形成鐓頭。張岐良等[26]針對(duì)TB2 鈦合金鉚釘熱力耦合模擬,發(fā)現(xiàn)局部最大溫度高達(dá)507.8 ℃,而且發(fā)現(xiàn)鐓頭高溫帶與剪切帶位置相同,說(shuō)明了溫度變化直接導(dǎo)致了應(yīng)變集中帶形成,該溫升也說(shuō)明鈦合金鉚釘電磁鉚接具備絕熱剪切帶形成條件。
耦合方式主要采用松散耦合與順序耦合相結(jié)合方式為主,而近些年隨著DYNA971-R7 版本推出電磁模塊,全耦合方式在電磁鉚接仿真過(guò)程中也得到了應(yīng)用。
1)松散-順序耦合仿真。松散-順序耦合仿真過(guò)程如圖5 所示,電磁場(chǎng)分析獨(dú)立計(jì)算,計(jì)算后得出的電磁力結(jié)果作為變形場(chǎng)分析加載條件[27—29]。變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)直接采用順序耦合方式進(jìn)行計(jì)算。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、效率較高,但是電磁分析時(shí)沒(méi)有考慮鉚釘變形過(guò)程對(duì)電磁場(chǎng)的影響。驅(qū)動(dòng)片隨著沖頭運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離線圈,與之間隙增大會(huì)影響電磁感應(yīng)效應(yīng),對(duì)于大變形鉚釘鉚接過(guò)程影響尤為明顯,但對(duì)于小變形鉚釘鉚接過(guò)程仿真比較適用。
圖5 松散-順序耦合流程Fig.5 Loose-sequential coupling process
為了解決大變形鉚釘鉚接松散-順序耦合仿真過(guò)程中的失真問(wèn)題,亦可采用近似順序耦合方式解決電磁場(chǎng)與變形場(chǎng)之間的實(shí)時(shí)響應(yīng)??蓪㈦姶艌?chǎng)分析中的電流離散化處理(如圖6 所示),進(jìn)行分布加載[30]。第1 步加載后,將電磁場(chǎng)分析的結(jié)果作為熱力耦合場(chǎng)的加載條件,熱力耦合分析后,采用后處理計(jì)算驅(qū)動(dòng)板運(yùn)動(dòng)位移(驅(qū)動(dòng)片與線圈之間間隙增量),更新第2 步電磁場(chǎng)分析幾何模型,重新劃分網(wǎng)格后再計(jì)算磁壓力,作為下一步熱力耦合場(chǎng)加載條件,而第2 步熱力耦合場(chǎng)計(jì)算時(shí)利用LS-DYNA 軟件的重啟動(dòng)功能,繼承第1 步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次加載計(jì)算。以此類(lèi)推進(jìn)行循環(huán)計(jì)算,直至計(jì)算結(jié)束。
圖6 改進(jìn)的松散-順序耦合流程Fig.6 Improved loose-sequential coupling process
2)全耦合仿真。LS-DYNA 中新增的電磁求解器將有限元方法與邊界元方法相結(jié)合[31—34],在電磁場(chǎng)分析時(shí),導(dǎo)體采用有限元方法進(jìn)行處理,而對(duì)導(dǎo)體周邊的空氣及絕緣體采用邊界元方法進(jìn)行處理,因此,可以略去ANSYS 電磁場(chǎng)分析時(shí)的空氣建模以及網(wǎng)格劃分。模型中放電線圈中定義了一個(gè)電阻、電感、電容電路,可在驅(qū)動(dòng)片中產(chǎn)生感應(yīng)電流,反過(guò)來(lái)產(chǎn)生洛倫茲力,推動(dòng)驅(qū)動(dòng)片移動(dòng)。此外,電磁、熱和機(jī)械求解器之間的軟件可自動(dòng)耦合。但是,結(jié)合邊界元算法后,相對(duì)于松散-順序耦合仿真計(jì)算速度較慢。
國(guó)外關(guān)于電磁鉚接設(shè)備的研究主要集中在設(shè)備開(kāi)發(fā),而關(guān)于工藝研究報(bào)道極少,主要是20 世紀(jì)的一些報(bào)道。Brown 等[35]為解決波音B787 上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的連接問(wèn)題,采用低電壓電磁鉚接機(jī)進(jìn)行高鎖螺栓安裝時(shí)發(fā)現(xiàn),低電壓鉚接技術(shù)適用于復(fù)合材料的干涉配合安裝,預(yù)緊和最終拉應(yīng)力能夠很容易獲得而不會(huì)損傷復(fù)合材料。Choo 等[36]采用7050-T73 鋁合金鉚釘電磁鉚接時(shí),發(fā)現(xiàn)高速?zèng)_擊變形時(shí)變形溫升局部化,使鉚釘剪切變形區(qū)發(fā)生彌散強(qiáng)化現(xiàn)象(見(jiàn)圖7),以致于彌散強(qiáng)化區(qū)硬度升高而塑性變差開(kāi)裂。Zieve[37]研究發(fā)現(xiàn),7050-T73 鋁合金對(duì)應(yīng)變速率比較敏感,通過(guò)低電壓電磁鉚接降低加載速率,解決了彌散強(qiáng)化開(kāi)裂問(wèn)題。
圖7 鉚釘變形區(qū)硬度分布和彌散強(qiáng)化效應(yīng)Fig.7 Hardness distribution and dispersion strengthening effect in rivet tail
國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者[38—43]對(duì)電磁鉚接工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究,與常規(guī)鉚接工藝的微觀組織以及接頭力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)對(duì)鉚釘變形、加載速率以及鉚釘尺寸等工藝參數(shù)進(jìn)行鉚接接頭制備,分析其力學(xué)性能,結(jié)果表明電磁鉚釘在干涉配合均勻性、以及力學(xué)性能方面均明顯優(yōu)于常規(guī)鉚釘工藝。在工程應(yīng)用方面,章茂云等[44]針對(duì)火箭客體裝配所需的Φ8 mm-2A10 鋁合金鉚釘鉚接工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)采用電磁鉚接的鉚接接頭抗剪切和拉脫接頭強(qiáng)度均優(yōu)于常用的氣動(dòng)鉚接技術(shù)。曹增強(qiáng)等[45]采用Φ8 mm 鋁合金鉚釘,研究某型號(hào)飛機(jī)鉚接部段電磁鉚接裝配,研究表明[46—48]采用電磁鉚接工藝的部段疲勞強(qiáng)度優(yōu)于其他鉚接的部段。電磁鉚接過(guò)程中鉚釘屬于高應(yīng)變率下沖擊變形,變形過(guò)程通常在數(shù)毫秒內(nèi)結(jié)束,因此,整個(gè)變形可近似看作絕熱過(guò)程。通過(guò)對(duì)變形微觀組織分析發(fā)現(xiàn),鉚釘釘頭變形主要集中于狹窄的絕熱剪切,該剪切帶為變形協(xié)調(diào)機(jī)制,并不是剪切裂紋。絕熱剪切機(jī)制有利于高強(qiáng)度難變形鉚釘完成室溫下大塑性變形形成釘頭。
通過(guò)對(duì)電磁鉚接在設(shè)備、數(shù)值模擬以及工藝試驗(yàn)方面進(jìn)行總結(jié)與分析,可以看出國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)研究取得了許多顯著成果,國(guó)外關(guān)于電磁鉚接研究早已成熟,而國(guó)內(nèi)研究主要以數(shù)值仿真與工藝試驗(yàn)相結(jié)合的方式,探究最佳工藝參數(shù)。研究主要針對(duì)航空航天領(lǐng)域技術(shù)需求,應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較窄也限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用,要想使該技術(shù)在工程方面廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)路要走,尤其在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及擴(kuò)展工藝方面還有待探究。