電磁鉚接工藝參數試論

中國電子科技集團公司第三十八研究所 王青杰

電磁鉚接工藝參數試論

中國電子科技集團公司第三十八研究所 王青杰

介紹了電磁鉚接的原理和發展歷史，分析了電磁鉚接技術的特點。系統地研究了電磁鉚接技術在組合件鉚接、鉚接和抗干擾緊固件安裝中的應用。結果表明，電磁鉚接技術能提高結構的疲勞壽命，并能安裝大型干涉配合緊固件。

電磁鉚接；干涉配合；復合材料

引言

鉚接是一種新的制造方法，尤其應用在飛機的制造上最廣泛。隨著飛機性能的不斷提高，對整體結構壽命要求不斷增加，一些新的材料如鈦合金等在結構設計中的比重越來越多。以前的鉚接工藝方法已經不適應新材料的加工要求，需要研究新的工藝方法。上世紀60年代開始美國波音飛機公司研究出電磁鉚接技術，解決飛機鉚接制造的相同共性問題，并在1968申請了電磁鉚接裝置專利，應用與強力沖擊制造。70年代格魯曼公司設計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構和夾層結構厚度的問題上，取得了好的應用推廣價值，帶來了技術經濟效益。在電磁鉚接帶來積極作用的同時，由于電磁高壓進給率太高，鉚釘頭容易開裂，設備使用不方便，電磁鉚接技術僅用在新材料上，并沒有得到廣泛推廣。直到1986年zievepeter開發了針對高壓的低壓電磁鉚接，使的壓接鉚的問題的到解決，鉚接質量得到提升，電磁鉚接技術才得以發展迅速。目前電磁鉚接技術已廣泛應用于各型飛機的制造中，電磁鉚接的新工藝方法，只有美國，俄羅斯和中國已經開發了電磁鉚接設備。

1. 電磁鉚接原理

電磁鉚接是利用電磁成形技術為原理，在傳統鉚接的基礎上發展的一種新型鉚接技術。電磁鉚接的構造為如下圖，在放電線圈和工件之間加入一個線圈和一個應力波放大器。通電后開關閉合期間，電路產生放電，初級線圈通過快速變化的沖擊電流產生線圈周圍的強磁場。次級線圈和初級線圈產生感應電流，形成渦流磁場，根據同性相吸異性相離的原理，兩個磁場相互作用產生的渦流力斥力，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力波的形式傳播。

電磁鉚接有很高的加載速率，整個鉚接過程在幾百微秒到一毫秒之間形成，材料的動態響應不同于一般鉚接過程。傳統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生材料變形。

圖1 電磁鉚接原理圖

2. 干涉配合鉚接

目前結構設計中都是要求提高疲勞壽命，過盈配合設計成為延長結構壽命的主要方法。鉚接時，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，很難保證對整個釘桿的干涉，以獲得最佳的疲勞壽命增益。但是由于電磁鉚接整個過程時間較短，成型螺桿膨脹和破壞幾乎是同步進行，所以釘桿和釘孔的過盈量之間形成一個相對統一的情況，當釘孔的差距比較大或者材料層厚度較大時，過盈連接會使結構件疲勞壽命長。實驗結果表明，電磁鉚接產生的力均勻干涉，鉚接質量不受操作者技術水平的影響。

3. 復合材料結構鉚接

復合材料中相對于普通材料具有很多其他的特點，在現代航天結構中得到了廣泛的應用。材料的硬度不如金屬結構，因此材料連接的位置是復合材料中最薄弱的環節，鉚接后的結構損傷60%以上都發生在連接節點處。復合材料制造中常用錘擊鉚接，以防止沖擊損傷。復合結構的干涉是有限的，以防止由于鉚釘桿的不均勻膨脹而導致的擠壓失效。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。鉚接時鉚釘接頭均勻展開在鉚接復合部位，防止在鉚接過程中材料受到擠壓損壞。用于連接復合材料結構連接中是非常合適的工藝方法。

3.1 鐓頭尺寸

復合材料鐓粗頭沒有統一的標準，一般情況下TA1鉚釘鉚接高強度碳纖維復合材料時，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合結構的鉚釘，鉚釘頭高度013d ～ 014d，頭部直徑113d。復合材料的特性為脆性，擠壓時容易受到破壞，所以鐓頭不宜過大。鉚接時要考慮材料層間層壓板，以及結構的靜強度能滿足設計制造要求。

3.2 墊圈幾何構形設計

復合材料鉚接時需要增加墊片，對鉚接質量有著重要的影響。墊圈的內徑決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合材料結構鉚接的要求。電磁鉚接的螺桿膨脹體積的測量結果表明，當鉚接時用的墊圈直徑和厚度合適時，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

復合材料的彎曲性能較差，鉚接時鉚釘與材料直徑產生間隙，對結構連接有著很大的影響。為了防止損壞安裝，鉚釘和結構件孔之間的間隙必須大于鉚釘的長度。通過試驗表明，鉚接質量可靠狀態時，鉚釘與孔的間隙在013mm和014mm之間。當釘與孔的間隙小于013mm時，接頭受到的干擾較大，鉚接后容易損壞復合材料的本身。如果釘與孔的間隙大于014mm時，鉚釘在孔內容易出現偏轉，影響接頭強度，鉚接位置不牢。

4. 結論

電磁鉚接作為鉚接過程中的一項新技術，適用于過盈配合鉚接、復合結構鉚接等過程。電磁鉚接技術的應用，可以提高結構的疲勞壽命，可以減少結構件安裝時的應力損傷，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力波安裝方法研究[D].西北工業大學,2014年.

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

[3]劉衛華.低電壓電磁鉚接工藝參數及成形機理的研究[D].武漢理工大學,2015年.

王青杰（1979—），河南人，高級雷達裝配工，主要從事無人機裝配技術研究。