鋁合金鉚釘電脈沖鉚接工藝試驗(yàn)研究

薛 俊，杜兆才，秦玉波

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控加工工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

0 引言

近年來(lái)，隨著航空制造業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的重量、可靠性、疲勞壽命等方面要求越來(lái)越高，這就急需高穩(wěn)定性、高質(zhì)量的鉚接技術(shù)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)長(zhǎng)壽命鉚接、厚夾層結(jié)構(gòu)鉚接、復(fù)合材料等不耐沖擊結(jié)構(gòu)件的鉚接以及鈦鉚釘?shù)入y成形鉚釘?shù)你T接及干涉螺栓安裝等鉚接技術(shù)亟待解決[1]。國(guó)外從70年代開(kāi)始研究電磁鉚接技術(shù)，最初的鉚接電壓需要5～10 kV。80年代末低電壓電磁鉚接技術(shù)得到發(fā)展，Zieve P B[2]將鉚接電壓降到500 V以下，低電壓解決了墩頭易產(chǎn)生裂紋等工藝問(wèn)題。Electroimpact公司專(zhuān)門(mén)研究低電壓電磁鉚接設(shè)備[3]，設(shè)備已經(jīng)用于多種機(jī)型的生產(chǎn)。國(guó)外在電磁鉚接技術(shù)方面研究深入，電磁鉚接設(shè)備已形成系列化[4]。國(guó)內(nèi)電磁鉚接設(shè)備發(fā)展較晚，西北大學(xué)的曹增強(qiáng)等從90年代開(kāi)始電磁鉚接技術(shù)研究，在電磁鉚接技術(shù)及鉚接設(shè)備上開(kāi)展了大量的研究[5-6]；鄧將華等在電磁鉚接工藝及電磁鉚接鉚釘變形等方面開(kāi)展了部分研究[7-9]；北京航空制造工程研究所也在電磁鉚接電源新型電脈沖鉚接技術(shù)方面開(kāi)展了部分研究[10-11]。

電脈沖鉚接技術(shù)是一種基于電磁發(fā)射原理的新型電磁鉚接技術(shù)[11]，該技術(shù)與傳統(tǒng)電磁鉚接技術(shù)相比具有更高的能量轉(zhuǎn)化率，鉚接設(shè)備體積小、重量輕。本文根據(jù)金屬變形過(guò)程中的基本規(guī)律，分析電脈沖鉚接鉚釘成形特點(diǎn)。針對(duì)2A10鋁合金鉚釘開(kāi)展電脈沖鉚接工藝試驗(yàn)研究。

1 電脈沖鉚接技術(shù)原理

電脈沖鉚接是利用電磁效應(yīng)，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極大的沖擊力，作用在鉚釘上，使鉚釘瞬間完成變形。電脈沖鉚接原理如圖1所示，鉚接系統(tǒng)一般由充電電源和鉚接單元兩大部分組成。充電電源的作用是將交流電經(jīng)過(guò)升壓和整流后對(duì)電容器充電。鉚接時(shí)閉合放電開(kāi)關(guān)，動(dòng)力頭內(nèi)的放電線圈周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，動(dòng)子鐵芯在磁場(chǎng)作用下加速，并高速撞擊鉚頭，鉚頭壓縮鉚釘，鉚釘在短時(shí)間內(nèi)完成塑性變形。

圖1 電脈沖鉚接原理

2 電脈沖鉚接鉚釘成形分析

在電脈沖鉚接過(guò)程中，根據(jù)金屬變形過(guò)程中的最小阻力定律，金屬變形體的質(zhì)點(diǎn)有向各向移動(dòng)的可能，變形體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)是沿其最小阻力方向移動(dòng)。

以平頭鉚釘鉚接過(guò)程為例，剖面示意圖如圖2所示，在鉚釘釘頭被鐓粗過(guò)程中：

（1）釘桿漲粗直到填充滿釘孔，釘桿受到夾層的約束，徑向受較大阻力，釘桿部分材料沿徑向發(fā)生微小變形，組織材料變化不明顯。

圖2 平頭鉚釘剖面圖

（2）在釘頭與鉚模的接觸面上不可避免的存在摩擦力，由于摩擦力的作用，改變了金屬流動(dòng)的特征，在接觸面上的材料幾乎不發(fā)生流動(dòng)。因此，釘頭區(qū)域?qū)儆陔y成形區(qū)，組織結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯流動(dòng)。

（3）釘桿伸出夾層部分，當(dāng)無(wú)摩擦?xí)r，釘桿在高度上被壓縮，根據(jù)體積不變條件，不論是外層還是內(nèi)層，金屬的直徑都有所增加，即所有金屬都沿徑向輻射狀向外流動(dòng)。由于有摩擦的存在，流動(dòng)受到阻礙。越接近內(nèi)層金屬向外流動(dòng)的阻力越大越，靠近鉚釘軸線，材料移動(dòng)越小。因此，釘桿的塑性變形主要發(fā)生在鉚釘伸出夾層部分，該區(qū)域?yàn)殂T釘?shù)闹髯冃螀^(qū)。

3 試驗(yàn)條件

本文分別進(jìn)行微觀組織分析、電壓參數(shù)對(duì)成形影響及釘桿干涉量對(duì)比三方面工藝試驗(yàn)研究，選用鉚釘為牌號(hào)HB 6298鋁合金鉚釘，鉚釘材料2A10，夾層材料2A12-CZ，鉚接設(shè)備有壓鉚機(jī)、氣鉚槍及北京航空制造工程研究所自行研制的電脈沖鉚接設(shè)備EMR-1，設(shè)備電容 16 000 μF，最大放電電壓 460 V。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件

4 結(jié)果分析

4.1 電脈沖鉚接微觀組織分析

為了分析實(shí)際鉚接變形后鉚釘微觀組織的變化，將鉚釘鉚接后，沿軸線剖開(kāi)，使用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌法制成嵌樣，對(duì)剖面打磨拋光后在顯微鏡下觀察鉚釘?shù)慕M織結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

教學(xué)模式變革的需求 農(nóng)村教育信息化使教師和學(xué)生活動(dòng)進(jìn)一步突破時(shí)空限制，形成更加豐富的教學(xué)手段、觀念和內(nèi)容。農(nóng)村地區(qū)實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)，有充足條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，農(nóng)村地區(qū)的學(xué)生也可以滿足自主性、探究性的學(xué)習(xí)需要，促進(jìn)教學(xué)方式的變化，使教學(xué)方法由歸納演繹的講解法轉(zhuǎn)變?yōu)榍榫硠?chuàng)設(shè)、主動(dòng)探索、協(xié)作學(xué)習(xí)等多種新型教學(xué)方法的結(jié)合[5]。教學(xué)效率在信息化背景下依靠新型教學(xué)手段會(huì)有很大提高，農(nóng)村教育教學(xué)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及教育信息組織的系列演化背景下，改變僅靠一張嘴、一支粉筆、一本書(shū)的狀況，在課程改革的大背景下，使農(nóng)村教學(xué)模式向更高的臺(tái)階邁進(jìn)。

圖3 微觀組織試樣

在釘頭處有明顯的剪切帶形成，剪切帶是變形的高度集中區(qū)域，這是由材料流動(dòng)的不均勻性造成的。鉚釘在高速?zèng)_擊載荷作用下，材料發(fā)生大塑性變形，局部大塑性畸變產(chǎn)生的熱來(lái)不及輸出，引起材料升溫，升溫又反過(guò)來(lái)加劇該區(qū)域的塑性流動(dòng)。當(dāng)局部熱軟化效應(yīng)超過(guò)應(yīng)變硬化時(shí)，大部分塑性變形都集中在剪切帶上，變形中的熱量大部分滯留在剪切帶區(qū)域，形成白色的亮帶，稱(chēng)為絕熱剪切帶[7]。

如圖4a所示，在釘頭的不同位置，變形呈現(xiàn)出明顯差異。由于變形過(guò)程材料流動(dòng)的不均勻性，剪切帶呈錐形。圖4b為剪切帶的局部示意圖。剪切帶上的晶粒被拉長(zhǎng)，拉伸方向沿著剪切帶方向。

圖4 剪切帶微觀組織

兩剪切帶中間部分組織材料如圖5（a）所示，該區(qū)域材料有明顯的塑性變形，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度提高。該區(qū)域的塑性變形程度主要與三方面因素有關(guān)，分別是：鉚接過(guò)程鉚釘所受沖擊載荷；變形位置與剪切帶距離；鉚模形狀。鉚釘受到?jīng)_擊載荷越大，塑性變形越明顯；距離剪切帶越近，塑性變形越明顯；鉚模開(kāi)口角度及倒角對(duì)塑性變形有直接影響[12]。剪切帶外部結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，該區(qū)域未外發(fā)生明顯的塑性變形，晶粒粗大，與夾層內(nèi)鉚釘組織基本一致。

圖5 剪切帶內(nèi)外材料對(duì)比

圖6 為難成形材料區(qū)域觸面，材料并未發(fā)生明顯的流動(dòng)，但該區(qū)域晶粒明顯小于下部，晶粒在鉚接過(guò)程被細(xì)化，強(qiáng)度提高。

圖6 難成形區(qū)域

4.2 放電電壓對(duì)鉚釘成形的影響

本文以Φ5及Φ4鋁合金鉚釘為例，通過(guò)在不同電壓下完成鉚接，獲得放電電壓與墩頭直徑及墩頭高度的關(guān)系，鉚接完成后試樣如圖7所示。

圖7 鉚接試樣實(shí)物圖

測(cè)量墩頭直徑及高度，計(jì)算不同放電電壓鉚釘墩頭尺寸的平均值，結(jié)果如圖8所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）依據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)要求，放電電壓300 V～420 V，5 mm鉚釘鉚接墩頭能夠滿足要求；放電電壓230 V～320 V，4 mm鉚釘鉚接墩頭能夠滿足要求。

（3）隨著電壓增加，墩頭直徑的增加量減小，即端頭直徑與電壓關(guān)系曲線的斜率隨電壓增大而減小，這是因?yàn)樵诙疹^變形過(guò)程中，墩頭鐓粗，晶粒變小，塑性變形不斷增大，墩頭處強(qiáng)度不斷提高，墩頭鐓粗越來(lái)越困難。繼續(xù)加大電壓，墩頭直徑不會(huì)明顯增大，多余的能量會(huì)被鉚接工件吸收，對(duì)工件造成損傷。4 mm鉚釘與5 mm鉚釘都符合這一規(guī)律，在4 mm鉚釘鉚接結(jié)果中體現(xiàn)較明顯。

圖8 鉚釘墩頭尺寸與放電電壓關(guān)系

4.3 電脈沖鉚接干涉量對(duì)比分析

在干涉配合連接中，干涉量的大小和均勻程度對(duì)疲勞壽命有較大影響。傳統(tǒng)鉚接工藝很難實(shí)現(xiàn)沿整個(gè)釘桿的均勻干涉，限制了干涉配合工藝的應(yīng)用。電脈沖鉚接屬于應(yīng)力波鉚接種，與傳統(tǒng)鉚接相比，加載速率高、應(yīng)變速率大，能夠解決大直徑鉚釘?shù)某尚螁?wèn)題。電脈沖鉚接能夠?qū)崿F(xiàn)在夾層內(nèi)更均勻的干涉，這也是電脈沖鉚接區(qū)別于傳統(tǒng)鉚接形式的重要特點(diǎn)。

本文分別用錘鉚、壓鉚、電脈沖鉚接完成10件試樣，測(cè)量并記錄鉚接完成后鉚釘釘桿不同位置的直徑，每個(gè)鉚釘測(cè)量三處釘桿的直徑，如圖9所示，分別是位置1距離墩頭0.5 mm處、位置2釘桿全長(zhǎng)1/2處和位置3距離釘頭0.5 mm處，對(duì)比三種鉚接方法的釘桿直徑及相對(duì)干涉量。

圖9 釘桿直徑測(cè)量位置

4.4 結(jié)果分析

不同位置相對(duì)干涉量計(jì)算公式為：

其中：Ii′為相對(duì)干涉量；Ii為干涉量（mm）；D 為緊固件安裝孔直徑（mm）；di為鉚釘鉚接完成后釘桿直徑（mm）。

本文通過(guò)計(jì)算鉚釘釘桿上各點(diǎn)直徑與釘桿直徑平均值的離差平方和，根據(jù)離差平方和的大小來(lái)評(píng)價(jià)均勻性。離差平方和越小，均勻性越好；離差平方和越大，均勻性越差。離差平方和計(jì)算公式如下：

其中：S為離差平方和；I-為釘桿直徑平均值（mm）。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10及圖11所示。

圖10 釘桿直徑平均值

圖11 鉚釘直徑離差平方和

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得：

電脈沖鉚接與錘鉚相比，釘桿直徑平均直徑能夠達(dá)到相同的水平，電脈沖鉚接平均值4.165 mm，錘鉚為4.168 mm；釘桿干涉配合的均勻性方面，電脈沖鉚接明顯優(yōu)于錘鉚，電脈沖鉚接釘桿的S平均值為1.9E-05，錘鉚為1.6E-04.

電脈沖鉚接與壓鉚相比：電脈沖鉚接釘桿直徑比壓鉚大0.02 mm；壓鉚釘桿的S平均值為2.5E-05，略大于電脈沖鉚接。

5 結(jié)論

（1）電脈沖鉚接在鉚釘墩頭處變形劇烈，有明顯的剪切帶生成，剪切帶內(nèi)，晶粒被拉長(zhǎng)。兩剪切帶中間部分組織發(fā)生重結(jié)晶，局部晶粒變小。

（2）對(duì)于塑性較好的材料，電脈沖鉚接能夠通過(guò)一次放電完成5 mm鉚釘鉚接。隨著放電電壓升高，墩頭變形量會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)墩頭變形量增加到一定值時(shí)，繼續(xù)加大電壓，墩頭形狀不會(huì)有明顯變化。

（3）在干涉量及干涉量的均勻性兩方面，電脈沖鉚接整體優(yōu)于錘鉚及壓鉚。電脈沖鉚接能獲得較好的干涉配合連接。