磁阻型電磁鉚接工藝研究

方炳鑫，呂楓，江星瑩，范治松，鄧將華

（福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108）

鉚接由于操作簡單，質量可靠，是目前航空航天飛行器制造中應用最為廣泛的機械連接方法之一，常見的鉚接方式有氣鉚和壓鉚[1—4]。對于高強度和大直徑鉚釘，鉚釘變形所需的鉚接力較大，氣鉚存在鉚接力不足、后坐力大和鉚接質量不穩(wěn)定等問題[5]。大功率壓鉚機能滿足鉚接力的要求，但對結構開敞性要求較高，在結構受限區(qū)域常常無法使用。為了解決難成形材料和大直徑鉚釘的鉚接問題，研究人員將電磁成形技術應用于鉚接領域，有效克服了上述問題，成為異種材料連接的新方式[6—12]。電磁鉚接技術經歷了從高電壓到低電壓的發(fā)展階段，低電壓電磁鉚接能解決應變速率敏感材料鐓頭開裂和設備安全性問題，是目前普遍采用的方式，也是其被廣泛應用的原因。美國和中國基本上采用原理相同的低電壓電磁鉚接技術，而俄羅斯采用的低壓電磁鉚接技術原理略有不同[3]。

電磁鉚接基于電磁感應原理產生鉚接驅動力，驅動片上感應電流屬于被動控制，很大程度上取決于放電線圈電流的大小。為了實現感應電流的主動控制，提出了一種采用雙線圈的自激勵式電磁鉚接技術[13]。自激勵電磁鉚接與感應式電磁鉚接最大的區(qū)別在于對放電電流的控制，感應式僅控制一路電流，而自激勵式可控制兩路電流，可實現鉚接力的主動控制，提高了鉚接能量利用率，是實現大直徑鉚釘成形的一種有效方式[14]。不管是感應式還是自激勵式電磁鉚接，均采用平板線圈來產生電磁驅動力。目前低電壓電磁鉚接工程化應用的一個主要方向就是手持式鉚槍的輕量化[2]。為了實現鉚槍的輕量化，需采用小直徑平板線圈。鉚接力與線圈匝數息息相關，為了保證鉚接力的大小，平板線圈需一定的匝數。線圈匝數太少，設備能量利用率低，鉚接力小，無法保證鉚釘成形，因此平板線圈匝數不能太少，這就限定了線圈外徑的大小。電磁鉚接排斥力產生原理制約了電磁鉚槍進一步小型化。

電磁力可分為排斥力和吸引力，產生電磁力的方法和形式是多樣的，除平板線圈可產生電磁力外，螺線管線圈亦可產生電磁力。磁阻型電磁發(fā)射中的電磁力就來源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用。與平板線圈相比，螺線管線圈可沿軸向纏繞，相比于徑向纏繞，其直徑可以做得更小，有利于實現電磁鉚槍的小型化，因此將磁阻型電磁發(fā)射原理用于鉚釘的成形[15]，為鉚槍的輕型化提供了一種新的思路。磁阻型電磁鉚接采用螺線管線圈與彈丸之間相互作用產生的電磁吸引力使鉚釘成形，與傳統感應式采用平板線圈與驅動片之間的電磁排斥力成形有著本質的區(qū)別。文中基于螺線管線圈產生的電磁吸引力，采用試驗方法，探索相關參數對鉚釘鐓頭變形的影響，有利于加深對磁阻型電磁鉚接新技術的認識，進一步豐富和完善電磁鉚接理論體系。

1 磁阻型電磁鉚接原理

磁阻型電磁鉚接是將磁阻型電磁發(fā)射技術應用于鉚釘成形的一種鉚接方式，其原理如圖1 所示。磁阻型電磁鉚接原理與感應式電磁鉚接原理最大的區(qū)別在于采取的放電線圈不同，導致了其產生驅動力的方式不同。二者可以采用相同的電源系統，僅需更換線圈和相應工裝即可實現不同鉚接方式。

圖1 磁阻型電磁鉚接原理Fig.1 Principle of reluctance electromagnetic riveting

閉合充電開關4，交流電壓變壓后經整流器2 整流，對電容器5 進行充電。充電完畢后閉合開關6，電容器5 向螺線管線圈8 放電，激發(fā)磁場。在磁阻型電磁鉚接中，鉚接驅動力來源于螺線管線圈與彈丸的相互作用。由于彈丸為鐵磁性材料，在驅動線圈磁場的作用下彈丸會受到磁場力作用而加速發(fā)射。由于鐵磁性物質的磁導率遠大于空氣，相對空氣而言，鐵磁性材料的磁阻較小，磁通更容易通過，因此在螺線管線圈建立的磁場中，鐵磁性材料受磁場作用會朝著能使磁路磁阻達到最小的位置運動，從而使磁通能達到最容易通過的狀態(tài)。磁場使鐵磁性物質磁化，而磁化后的鐵磁性物質則會朝著磁場強度大的方向運動，如同被磁鐵吸引一般。當鐵磁性彈體獲得足夠大的動能與鉚模發(fā)生碰撞后，鉚模將力傳遞給鉚釘使鉚釘產生塑性變形，實現異種材料的鉚接。

由于磁阻型電磁鉚接采用電磁吸引力成形，與感應式電磁鉚接相比，在驅動力的產生方式上不同，其能量利用率也有差別。因此，采用螺線管線圈，有望突破現有平板線圈尺寸極限的限制，為鉚槍小型化提供一條新途徑。

2 試驗條件與方法

航天航空中最常采用的鉚釘為鋁合金鉚釘，試驗采用規(guī)格為Φ8 mm×24 mm 的2A10 半圓頭鉚釘，該材料具有良好的塑性和一定的應變速率敏感性；彈丸材料為45#鋼淬火，直徑小于線圈骨架內徑，為0.5 mm，且放置于骨架內孔，彈丸頭部端面與線圈尾部端面平齊；鉚模材料為奧氏體不銹鋼，不受磁場影響。文中采用工藝模擬試驗，通過比較成形鉚釘鐓頭變形量來衡量磁阻型電磁鉚接驅動力的大小。試驗中用可拆卸的分瓣模具代替被連接板，將不同連接板當作同種材料處理。磁阻型電磁鉚接試驗工裝如圖2 所示，采用螺線管線圈、螺線管線圈以骨架內徑及導線規(guī)格命名。感應式電磁鉚接試驗工裝如圖3 所示，采用平板線圈。試驗中線圈的具體尺寸如表1 所示，纏繞線圈的實物如圖4 所示。線圈以彈丸直徑尺寸和纏繞所用導線規(guī)格進行命名，D P 2 8-3×4 為彈丸直徑為28 mm 且纏繞所用導線規(guī)格為3 mm×4 mm，規(guī)格為3 mm×4 mm 的導線表示其窄邊為3 mm，寬邊為4 mm，將窄邊纏繞于線圈骨架一側所制的線圈稱為DP28-3×4，而將寬邊纏繞于線圈骨架一側的線圈稱為DP28-4×3。試驗設備采用福州大學自主研制的低電壓電磁鉚接設備，設備型號為EMR，最大充電電壓為400 V，最大電容值為96 000 μF，最大放電能量為7.68 kJ。

圖2 磁阻型電磁鉚接裝置三維示意Fig.2 3D view of reluctance electromagnetic riveting tooling

圖3 感應式電磁鉚接裝置三維示意Fig.3 3D view of inductive electromagnetic riveting tooling

表1 驅動線圈結構參數Tab.1 Structural parameters of the coils

圖4 螺線管線圈實物Fig.4 Picture of solenoid coils

3 結果與分析

由磁阻型電磁鉚接原理可知，其電磁吸引力來源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用，彈丸上受到的電磁力是線圈與彈丸在放電過程中相互作用的結果，電磁力受眾多參數的影響。顯然，線圈與彈丸是磁阻型電磁鉚接中最關鍵的兩個元件，線圈和彈丸的相關參數及線圈與彈丸的相互關系會影響電磁力的大小。螺線管線圈由導線纏繞在線圈骨架上制成，纏繞線圈導線的截面尺寸、纏繞方式、纏繞層數和線圈內外徑、長度等均對電磁吸引力的大小有重要影響。文中在彈丸和線圈長度相同（均為90 mm）、線圈纏繞層數為4 的條件下，探討導線截面尺寸和纏繞方式等參數對鉚釘變形的影響，為工藝參數的確定奠定基礎。

3.1 導線截面尺寸對鉚釘變形的影響

試驗采用的線圈為DP28-2×3 和DP28-3×4，成形后2A10 鉚釘變形如圖5 所示。隨著放電電壓升高，鉚釘變形量增加，200 V 即可使直徑8 mm 的鉚釘產生塑性變形，顯然DP28-3×4 線圈所成形的鉚釘變形量要大于DP28-2×3 線圈，說明在相同放電能量下，DP28-3×4 線圈產生的電磁力較大，其能量利用率較高。不同截面尺寸的線圈，其纏繞層數和線圈長度雖然一致，但匝數是不同的，顯然線圈DP28-2×3 的匝數要大于線圈DP28-3×4。線圈匝數是影響彈丸受到電磁吸引力的重要因素，但并不意味著匝數越多，鉚釘變形量越大。

圖5 不同規(guī)格導線線圈的成形鉚釘Fig.5 Forming rivets with different specifications wire coils

3.2 彈丸直徑對鉚釘變形的影響

試驗采用的線圈為 DP28-4×3 和 DP33-4×3，DP33-4×3 線圈成形的鉚釘如圖8 所示，隨著放電電壓的升高，鉚釘變形量增加。與圖6 相比可知，在相同放電電壓下，彈丸直徑為33 mm 的鉚釘變形量要大于彈丸直徑為28 mm 鉚釘的變形量。彈丸直徑不同，其質量不同，最終導致彈丸的動能亦不同，在彈丸與鉚模碰撞的過程中，其能量的轉化率不同，所以彈丸直徑對能量利用率有顯著影響。

圖6 DP28-4×3 成形鉚釘Fig.6 Forming rivets with DP28-4×3 coil

圖7 不同線圈成形鉚釘鐓頭高度Fig.7 Rivet head height with different coils

圖8 DP33-4×3 成形鉚釘Fig.8 Forming rivets with DP33-4×3 coil

3.3 電磁力產生方式對鉚釘變形的影響

試驗中采取2 種方式產生電磁力，一種為傳統感應式電磁鉚接，利用平板線圈與驅動片之間產生的電磁排斥力驅動鉚模作用于鉚釘，使鉚釘產生塑性變形；另一種為磁阻型電磁鉚接，利用螺線管線圈與彈丸之間產生的電磁吸引力驅動彈丸作用于鉚釘，使鉚釘產生塑性變形。2 種電磁力的產生利用了相同電源，保證放電能量相同。感應式電磁鉚接成形鉚釘如圖9所示。在300 V 時，鉚釘的變形量與磁阻型220 V 時相當，說明磁阻型電磁鉚接所需的放電電壓更低，在相同放電能量下鉚接力更大，其能量利用率更高。在該試驗中，磁阻型電磁鉚接螺線管線圈外徑為70 mm，內徑為38 mm，而感應式電磁鉚接平板線圈外徑為120 mm，內徑為40 mm。二者線圈內徑大致相同，而平板線圈外徑遠大于螺線管線圈，但鉚接力卻更小，所以，磁阻型電磁鉚接能量利用率較高，可實現高強度大直徑鉚釘的成形，為電磁鉚槍的小型化提供了一種新的方式。

圖9 感應式電磁鉚接平板線圈成形鉚釘Fig.9 Forming rivets with flat coil in inductive electromagnetic riveting

4 結論

1）磁阻型電磁鉚接驅動力來源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用，為電磁吸引力，與傳統感應式電磁鉚接中來源于平板線圈與驅動片相互作用產生的電磁排斥力有本質差別，為鉚接驅動力的產生引入新方式，采用電磁吸引力亦可實現鉚釘成形。

2）磁阻型電磁鉚接可實現直徑為8 mm 高強度大直徑鉚釘的成形，相同放電能量下，外徑為70 mm螺線管線圈鉚釘的變形量大于外徑為120 mm 平板線圈鉚釘的變形量，與感應式電磁鉚接相比，磁阻型電磁鉚接能量利用率高，其線圈外徑更小，為電磁鉚槍的小型化提供一種新方式。

3）磁阻型電磁鉚接中彈丸受到的電磁吸引力是線圈與彈丸在放電過程中相互作用的結果，線圈和彈丸的相關參數是影響電磁吸引力的重要參數。導線截面尺寸為 2 mm×3 mm 的線圈鉚釘變形量小于 3 mm×4 mm 的線圈，彈丸直徑33 mm 鉚釘變形量要大于彈丸直徑28 mm 鉚釘的變形量。