楊 燁，張登宇，侯東旭，于 亮，仝夢佳

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

鉚接是火箭箭體結(jié)構(gòu)大量采用的連接形式之一。一直以來均采用傳統(tǒng)的手工氣動錘鉚的工藝方法進(jìn)行鉚接。而火箭底部的主承力結(jié)構(gòu)因需承受整發(fā)火箭的質(zhì)量，大量采用了高強(qiáng)度的6 mm直徑大長徑比鋁鉚釘。傳統(tǒng)的工藝方法存在成型困難、功率較小、噪聲大、后坐力大、效率低和鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定等不足。

電磁鉚接是20世紀(jì)70年代初，在電磁成型工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉚接工藝。它利用電磁脈沖技術(shù)獲得瞬時沖擊載荷作用于鉚釘成形，國內(nèi)外對電磁鉚接的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。該技術(shù)可實現(xiàn)比較理想的干涉配合，對屈強(qiáng)比高、應(yīng)變速率敏感、強(qiáng)度高及大直徑鉚釘?shù)你T接具有特殊的功能，是解決大長徑鉚釘難成形的有效途徑。

本文擬結(jié)合HH54電磁鉚接設(shè)備，通過原理分析、工藝試驗等研究將電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用于運載火箭主承力結(jié)構(gòu)大長徑鉚釘?shù)你T接。實現(xiàn)該部位大長徑鉚釘?shù)驮肼暋⒏咝?、一次鉚接成型。

1 總體思路

本文采用HH54電磁鉚接設(shè)備，展開6 mm直徑大長徑比鉚釘電磁鉚接工藝試驗，從定鉚釘孔間隙、鉚釘外伸量、鉚模幾何構(gòu)形等方面進(jìn)行研究，制定最優(yōu)工藝參數(shù)，通過剪切、拉脫試驗、微觀金相分析等驗證鉚接強(qiáng)度及質(zhì)量可靠性，并編制工藝流程實現(xiàn)殼段應(yīng)用。主要技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 電磁鉚接技術(shù)研究方案Fig.1 Research Scheme of Electromagnetic Riveting Technology

2 一次成型電磁鉚接工藝參數(shù)研究

2.1 電磁鉚接專用鉚模設(shè)計

鉚接模具由釘頭鉚模和釘尾鉚模組成，根據(jù)產(chǎn)品半圓頭和90°沉頭兩種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)電磁鉚接專用的頭模模具。頭模工作面窩頭深淺，將影響到產(chǎn)品夾層材料的外觀和鉚接質(zhì)量，以及鉚接后的力學(xué)性能。

a）半圓頭頭模結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計。

如圖2所示，頭模按釘頭的外形設(shè)計，非受力部分設(shè)計模腔錐面，和釘頭形成間隙，防止釘頭壓傷；鉚模前端面和材料表面形成間隙，防止夾層材料損傷。

圖2 半圓頭鉚釘頭模設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.2 Round Head Rivets Head Mould Design

根據(jù)大長徑比鉚釘?shù)奶匦?，通過改變頭模的工作面參數(shù)，將6 mm直徑大長徑比鉚釘頭模技術(shù)參數(shù)設(shè)計如表1。

表1 半圓頭鉚釘頭模工作面的形狀和尺寸Tab.1 Shape and Size of Round Head Rivets Head Mould

b）90°沉頭頭模結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計。

沉頭鉚釘頭模設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖3，90°沉頭頭模工作面設(shè)計為弧形表面。鉚接時，為避免釘頭不能有效受力造成的釘頭和夾層材料不貼和，鉚模工作面和鉚釘釘頭平面形成夾角；另外，為防止鉚模壓傷夾層材料，鉚模和夾層材料預(yù)留間隙。

圖3 沉頭鉚釘頭模設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.3 Countersunk Head Rivets Head Mould Design

根據(jù)工藝試驗及大長徑比鉚釘?shù)奶匦?，通過改變尾模的工作面參數(shù)，將尾模技術(shù)參數(shù)設(shè)計如表2。

表2 90°沉頭鉚釘頭模工作面的形狀和尺寸Tab.2 Shape and Size of 90°Countersunk Head Rivets Head Mould

c）結(jié)構(gòu)設(shè)計鉚接效果。

選用本設(shè)計的鉚模對完成半圓頭鉚釘?shù)碾姶陪T接，鉚接后鉚釘成形率高，質(zhì)量特性好，且成形后的連接性能優(yōu)于普通電磁鉚接鉚模鉚接成形后的連接性能。

2.2 電磁鉚接工藝參數(shù)研究

設(shè)計了鉚接模具后，使用電磁鉚接設(shè)備HH54進(jìn)行了同材料及夾層厚度的工藝試片試驗，確定大長徑鉚釘工藝參數(shù)。試驗方案如圖4所示。影響鉚接質(zhì)量的工藝參數(shù)有鉚接電壓、鉚釘桿外伸量、鉚模結(jié)構(gòu)以及鉚釘與鉚釘孔的間隙。

圖4 鉚接參數(shù)試驗研究技術(shù)方案Fig.4 Technical Scheme for Experimental Study of Riveting Parameters

a）底孔直徑的選擇。

根據(jù)《Q/Y444鉚接通用技術(shù)條件》的規(guī)定，將鉚釘?shù)卓字睆絽?shù)設(shè)定為6.1 mm、6.2 mm、6.3 mm、 6.4 mm，進(jìn)行不同直徑的工藝試片試驗，并進(jìn)行干涉量的計算和分析。結(jié)果如下：

當(dāng)釘孔間隙為0.1 mm時，6 mm的鋁合金鉚釘干涉量過大出現(xiàn)了釘孔處脹壞的現(xiàn)象，釘孔間隙為 0.4 mm時，6 mm的鋁合金鉚釘各測點位置的膨脹情況差異過大，變形不均勻。因此，對于6 mm直徑鋁合金鉚釘，其最佳制孔參數(shù)為Φ6.2 mm/Φ6.3 mm。

b）釘桿外伸量選擇。

鉚釘長度計算公式為（為夾層厚度，為鉚釘直徑）

通過工藝試驗得出，電磁鉚接時，為形成符合鉚接通用技術(shù)條件的鉚成頭外形，釘桿外伸量可參考普通鋁鉚釘鉚接釘長選擇范圍。為避免成形平墩頭時，鉚釘過長導(dǎo)致的打歪打裂現(xiàn)象，釘長宜取下限。

c）充電電壓選擇。

鉚接磁壓力是電磁鉚接工藝的重要參數(shù)之一，對鉚接變形具有重要影響，不同直徑、不同長度的鉚釘，鉚接所需能量不同。隨著鉚釘直徑增大，所需能量越大?，F(xiàn)使用電磁鉚接設(shè)備HH54，制孔孔徑為Φ6.3 mm，長×寬為60 mm×60 mm，厚度為21/25 mm鋁板進(jìn)行鉚接試驗，不同鉚接壓力進(jìn)行鉚接，鉚接電壓參數(shù)如表3所示。

表3 典型鉚接電壓參數(shù)Tab.3 Typical Riveting Voltage Parameters

3 電磁鉚接質(zhì)量可靠性分析

根據(jù)前面的工藝參數(shù)研究成果，進(jìn)行鉚接試片試驗，對被鉚接件進(jìn)行宏觀剪切、拉脫試驗以及微觀軸向剖切金相分析試驗，對比電磁鉚接與氣鉚的鉚接效果，分析電磁鉚接鉚釘連接強(qiáng)度及質(zhì)量可靠性。

3.1 鉚釘力學(xué)性能影響分析

力學(xué)性能是通過鉚接接頭的剪切和拉脫破壞試驗，檢測鉚接接頭的靜強(qiáng)度，反映鉚接質(zhì)量。在本項目中，將對比電磁鉚接接頭與氣動錘鉚鉚接接頭的靜強(qiáng)度。試驗技術(shù)方案如圖5所示，剪切試驗及拉脫試驗原理如圖6所示，試驗鉚釘直徑選取6 mm，材料選取2A10。

圖5 力學(xué)性能對比分析技術(shù)方案Fig.5 Technical Scheme for Comparative Analysis of Mechanical Properties

圖6 拉脫試驗原理Fig.6 Schematic Diagram of Pull Off Test

a）剪切力對比試驗。

剪切強(qiáng)度一般決定于分界面處的釘桿直徑和材料力學(xué)性能。試驗采用了與產(chǎn)品同技術(shù)狀態(tài)的5組鉚接試片進(jìn)行鉚接，并運用萬能試驗機(jī)分別對電磁鉚和氣動錘鉚的試片進(jìn)行了破壞試驗。電磁鉚接和氣動錘鉚剪切試驗得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 鉚接最大剪切力對比Tab.4 Comparison of Maximum Shear Force of Rivet

通過對比分析可知，對于直徑6 mm的鉚釘，電磁鉚可承受的最大剪切力較氣動錘鉚可承受的最大剪切力相當(dāng)。兩種鉚接方式接頭可承受的最大剪切力均大于鉚釘最小剪切力7.63 kN（Φ6 mm）。

b）拉脫力對比試驗。

采用萬能試驗機(jī)分別對電磁鉚接和氣動錘鉚的試片進(jìn)行了破壞試驗。試驗得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表6所示。

拉脫破壞試驗后，兩種鉚接方式的鉚釘均呈現(xiàn) 3種破壞方式：釘桿拉斷、墩頭破碎、釘頭脫落。通過對比分析對于直徑6 mm的鉚釘，電磁鉚接與氣動錘鉚的拉脫性能接近且電磁鉚接試片拉脫性能略具優(yōu)勢。

表5 拉脫試驗力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.5 Mechanical Property Data of Pull Off Test

3.2 鉚接干涉填充質(zhì)量對比分析

微觀金相分析試驗則是從微觀狀態(tài)來分析兩種鉚接方式對于夾層結(jié)構(gòu)的鉚接情況?，F(xiàn)針對6 mm直徑的半圓頭鉚釘和90°沉頭鉚釘進(jìn)行金相試驗。將被鉚接件沿釘桿中心線進(jìn)行銑平、鑲嵌，以進(jìn)行后續(xù)金相觀察，試驗后結(jié)果如圖7所示。

圖7 試片不同位置金相照片F(xiàn)ig.7 Metallographic Photos of Different Positions of Test Piece

試驗發(fā)現(xiàn)：鉚釘直徑為6 mm氣動鉚接試片釘桿與鋁合金板存在細(xì)微間隙，電磁鉚接試片釘桿與鋁合金板緊密連接，幾乎不存在間隙，形成良好的干涉配合連接，且鉚釘釘桿變形均勻。

4 產(chǎn)品應(yīng)用實踐及質(zhì)量檢驗

在完成Φ6 mm大長徑比鉚釘一次成型鉚接模具設(shè)計、電磁脈沖鉚接設(shè)備及工藝參數(shù)、鉚接性能分析等研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計典型夾層結(jié)構(gòu)鉚接的工藝流程，對大長徑比鉚釘開展電磁鉚接應(yīng)用實踐。

4.1 工藝流程設(shè)計

大長徑比鉚釘產(chǎn)品電磁鉚接工藝流程如圖8所示。

圖8 電磁鉚接工程化應(yīng)用Fig.8 Engineering Application of Electromagnetic Riveting

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量分析

a）表面質(zhì)量。

對照鉚接通用技術(shù)條件QJ782A-2005《鉚接通用技術(shù)要求》進(jìn)行檢查，鉚釘半圓頭及其周圍蒙皮無壓痕，蒙皮無明顯鼓包及凹陷，殼體表面質(zhì)量良好。

b）鉚釘成型質(zhì)量。

對照鉚接通用技術(shù)條件QJ782A進(jìn)行檢驗，尺寸要求為：直徑為（8.7±0.6） mm，高度為（2.9±0.5） mm。開展電磁鉚接與氣動鉚接兩種方式的對比。隨機(jī)抽取殼體上電磁鉚接和手工鉚接的100個6 mm直徑的鉚釘，測量鐓頭直徑、高度尺寸，鉚接鐓頭散點分布趨勢如圖9 所示。由散點圖可以看出，電磁鉚接鐓頭尺寸較集中，一致性較好，比氣動鉚接更有優(yōu)勢。

圖9 鐓頭直徑和高度分布Fig.9 Upsetting Head Diameter and Height Distribution

5 結(jié)束語

相對于手工氣動錘擊鉚接，電磁鉚接技術(shù)更為穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品的力學(xué)性能將會有一定程度的提高，能夠達(dá)到更高的產(chǎn)品外觀需求，鉚接一致性好，同時降低鉚接噪聲54 dB，提高效率66%，大幅度改善了工人的勞動強(qiáng)度和工作環(huán)境。解決了大直徑、大長徑比鉚釘成型困難的問題,為運載火箭成功飛行提供技術(shù)保障。