铆钉成形技术研究及性能评价

作者：沈阳飞机工业集团 赵建国 郭洪杰 董帅    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 1 紧固件/键/销展厅 螺丝, 螺栓, 螺母, 铆钉, 键/销... 摘要：针对电磁铆接和普通铆接镦头变形差异，建立铆钉成形过程的数学模型，并通过试验验证了有限元模型的合理性，得出了不同铆接工艺铆钉的变形规律；设计了铆钉拉脱试验方法，验证了电磁铆接在成形质量和轴向抗拉强度方面均高于普通铆接，得出了电磁铆接工艺性能优于普通铆接的结论。 关键词：铆钉成形 有限元模型 拉脱强度 性能评价 铆接技术具有工艺简单、连接强度稳定、检查和排除故障容易、对复杂结构的适应性强等优点，在飞机生产过程中获得了大量应用。但是，普通锤铆铆接件结构强度低、铆钉变形量大、操作环境差、工作强度高，已不能满足新一代飞机的研制要求。电磁铆接成形时间短，钉杆膨胀和镦头成形几乎同步完成，钉杆和钉孔间形成的干涉量比较均匀，当钉孔间隙较大或夹层较厚时仍能实现较好的干涉配合，利于提高飞机结构的疲劳寿命，而且电磁铆接为一次成形，铆钉材料不易产生加工强化，适用于难于成形材料以及大直径铆钉的铆接，此外，电磁铆接还具有噪音低、后坐力小、铆接工艺质量稳定的优点。 20 世纪 60 年代，波音公司最早意识到传统铆接工艺难以满足新机型、新材料的工艺需求，率先开展了电磁铆接技术研究，并于 1968 年申请了强冲击电磁铆接装置的专利，解决了普通铆接存在的问题，从此拉开了电磁铆接工艺研究的序幕。1986 年 Zieve[1] 研制成功低压电磁铆接设备，解决了高压电磁铆接的缺陷，使电磁铆接技术得到较快发展。1988 年 Peter[2] 将原来需 6~10kV 的工作电压降到 0.5~1.0kV，并成立了Electroimpact 公司，其产品已广泛用于世界各地飞机制造行业，如波音 767、空客 380 等飞机机身复合材料连接均采用了电磁铆接技术。俄罗斯伏尔加航空科学技术中心研制的 YMK-6AM、YMK-8AM 电磁铆接设备已用于 IL-86、TY-154 飞机的生产，研制的 YMKCH3 装置已用于发动机燃烧室筒体 Cr-Ni 钢等铆接。国内电磁铆接技术研究相对较晚，具有代表性的有西北工业大学的曹增强 [3] 和哈尔滨工业大学的李春风等 [4]。电磁铆接工艺应用研究相当重要，华盛顿大学 Reinhal 等 [5] 考虑到电磁铆接的材料动力响应与普通铆接不同，通过试验计算得出铆模的形状对成形质量有较大影响的结论，电磁铆接不能采用普通铆接所用的铆模。Vincent 等 [6]提出了加载速率是影响铆接质量的重要参数。此外，铆钉材料、铆钉规格、钉孔间隙、垫圈和镦头形状尺寸的不同对电磁铆接工艺均有较大影响 [7]。国内设备总体性能仍落后于国外，各大主机厂主要是在引进国外先进设备的基础上，开展相关的应用研究，如中航工业北京航空制造工程研究所于 1999 年从俄罗斯引进两台电磁铆接设备，将电磁铆接工艺应用于机翼整体油箱的铆接，中航工业西飞于 2008 年从美国 Electroimpact 公司引进了双枪电磁铆接设备，用于无头铆钉的铆接。 电磁铆接与普通锤铆镦头变形差别较大，为保证铆接质量和连接强度，开展铆钉镦头成形技术研究及相关评价方法至关重要。 1 铆钉镦头成形数值分析 铆钉铆接过程中，不可避免产生加工强化，影响金属的塑性性能。断面收缩率是金属材料塑性性能的表征，由文献 [8]~[9] 可知，断面收缩率随着变形速度的增加而增加，加工强化效果降低，塑性损失减小。电磁铆接为单次应力波载荷，普通锤铆为多次冲击载荷，两种铆接方式铆钉变形速率不同，材料发生加工强化的程度不同，最终导致铆钉镦头形状不同。 铆钉塑性变形具有高度的非线性，MSC 公司的MARC 软件非线性求解能力较强，美国 NASA 主要用于航空航天工业有限元计算。铆钉镦头成形过程中，钉体塑性变形较大，故本文采用 MARC 求解器，按增量法计算铆钉变形过程。 铆钉材料为钛铌合金，弹性模量为 20000MPa，泊松比为 0.28，屈服强度为 495MPa。铆钉直径 5mm，长度10mm，铆接夹层厚度 4mm，为提高计算精度，有限元网格采用六面体八节点一次单元，单元数 7992 个，节点数9211 个，如图 1 所示。 为节约计算时间，除铆钉外，上、下铆模，铆接夹层等实体均按实际条件简化为刚体。铆接过程铆钉受力状态随着钉体变形而发生变化，很难进行理论描述，故本文采用刚体接触分析进行计算，同时由于铆接力测定难度较大，本文采用位移加载方式模拟实际铆接过程，位移加于上、下铆模。为限制有限元数学模型的刚体位移，采用弹簧约束，弹性系数足够小，以不影响计算精度为宜，本文取 1N/mm。接触判定中接触容限为最小单元边长的 5%，偏移因子为 97%。由于库伦摩擦模型出现阶跃，数值计算导致奇异解，本文对阶跃部分进行线性改进，摩擦系数取 0.08。经有限元计算，铆钉变形云图如图 2 所示，考虑不同强化程度的影响，铆钉变形后镦头外廓如图 3 所示，原点位于靠近铆接夹层一侧。 为验证上述计算的合理性，对两种铆接形式分别进行铆接试验。电磁铆接设备为 EI 公司的 HH54 型电磁铆抢，采用对铆，普通铆接为风动铆抢，采用正铆。铆接后，铆钉变形如图 4 所示，铆钉有部分破损，这是在拆钉过程中造成的，但不影响镦头的外观。距离原点每间隔0.5mm 采用游标卡尺测量，两种不同铆接方式镦头直径对比如表 1 所示，可见有限元计算值与实际吻合。由上可知有限元计算铆钉变形规律与试验一致，从而验证了有限元模型的合理性。 经有限元计算，两种不同铆接方式铆钉钉杆直径变化如图 5 所示。由图 5 可见，电磁铆接后钉杆变形差别较小，与被铆接件干涉量均匀，这对提高飞机机体疲劳寿命有利。 2 铆接性能验证 由图 4 可见，采用普通铆接，铆钉镦头变形更接近于鼓形，这与实际吻和较好。采用电磁铆接，靠近铆接夹层侧的铆钉镦头变形小于普通铆接，而远离铆接夹层端铆钉镦头变形大于普通铆接，这可能对铆钉的轴向承载能力造成影响，为此，以下进行试验分析。 查阅大量文献后，本文采用拉脱试验验证两种不同铆接工艺铆钉的轴向抗拉强度。试验设备为Instron5569 电子万能材料试验机（图 6），拉脱试验专用夹具如图 7 所示。 在相同条件下，电磁铆接和普通铆接各进行 5 次试验，取最大拉脱应力对比，如图 8 所示。可见，电磁铆接的拉脱强度显著优于普通铆接，所以电磁铆接工艺中铆钉的轴向承载能力优于普通铆接。 综上所述，电磁铆接工艺干涉量均匀，而且轴向承载能力优于普通铆接，有利于提高铆接连接强度，完全满足飞机铆接工艺要求。 3 结论 （1） 建立了铆接过程的数学模型，对铆钉成形过程进行了模拟，得出了不同铆接工艺铆钉的变形规律，并通过试验验证了有限元模型的合理性； （2） 设计了铆钉拉脱试验方法，通过对比得出电磁铆接比普通铆接有更强的轴向承载能力； （3） 电磁铆接铆钉钉杆变形均匀，干涉配合较好，连接疲劳强度大，有利于提高铆接连接寿命。 参 考 文 献 [1] ZIEVE P B. Low voltage electromagnetic riveter[D]. Washington:University of Washington, 1986. [2]PETER B Z. An electromagnetic pulse actuator: US, 0293257[P].1988. [3]曹增强 . 电磁铆接理论及应用研究 [D]. 西安：西北工业大学，1999. [4]邓将华，李春风，于海平 . 电磁铆接铆钉变形分析 . 北京科技大学学报，2006,28(S1)：61-63. [5]REINHAL P G, GHASSAEI S, CHOO V. An analysis of rivet die design in electromagnetic riveting. Transaction of the ASME, 1988, 110:65-69. [6]VINCENT K S C, PER G R, SAEID G. Effect of high rate deformation induced precipitation hardening on the failure aluminum rivets. Journal of Material Science, 1989, 24: 599-608. [7]邓将华 . 电磁铆接数值模拟与实验研究 [D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008. [8]潘川，李正邦，田志凌，等 . 不锈钢焊缝金属的氢脆 . 金属学报，2001，37(9):985-990. [9]王者昌，陈怀宁 . 变形速度和温度对高氢钛合金脆性的影响 . 金属学报，2002，38(S):226-229.(end)

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