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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
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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2015-12-17)
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