机械锁紧鼓包型抽芯铆钉研制与应用.pdf

2006年第3期航空制造技术新工艺新技术新设备图1机械锁紧鼓包型抽芯铆钉的结构图Fig.1Structureofmechanicallockedspindleandbulbedrivet摘要!介绍了机械锁紧鼓包型抽芯铆钉的结构和设计,阐述了热处理工艺和冷加工工艺的技术难点和解决办法,并对中、美产品按9项试验的性能指标作了对比,得出了可以用国产铆钉替代进口的结论。关键词:飞机制造抽芯铆钉工艺试验ABSTRACTThestructureanddesignofthemechanicallockedspindleandbulbedrivetareintro-duced,andthedifficultiesandsolutionsoftheheattreatmentandmachiningareexplained.Theperfor-mancesoftherivetmadeinChinaandAmerica,whichareuptostandardarecomparedthrough9tests.Theconclusionthatthehome-maderivetscansubstitutefortherivetimportediscarriedout.Keywords:AircraftmanufactureBulbedrivetTechnologicaltest机械锁紧鼓包型抽芯铆钉是适用于单面铆接的新型铆钉,它连接强度大,可靠性高,使用操作方便,国外已广泛应用于飞机不开敞部位的铆接及维修。国内以前在单面铆接中常用HB1-601、HB1-602螺纹空心铆钉,因连接强度低、铆接不牢固容易松动,而存在质量隐患。1997年7月应某新型飞机需求开始立项研制,经过课题组2年多的努力,研制出国产的机械锁紧鼓包型抽芯铆钉,并在某新型飞机上装机使用。1抽芯铆钉的设计国产抽芯铆钉的结构设计与国外某抽芯铆钉相近,在钉杆的剪切环处有所不同；通过材料牌号对照选用了国产的材料,性能也有所不同。课题组利用等强度设计和试验分析相结合的方法,进行了抽芯铆钉的设计。1.1抽芯铆钉的结构和材料机械锁紧鼓包型抽芯铆钉由钉杆、钉套、锁圈、顶片4部分组成,如图1所示。铆钉的材料选用见表1。1.2铆接成形原理抽芯铆钉铆接成形过程如下:(1)插入铆孔,铆枪抽拉芯杆(见图2(a)。(2)芯杆上的剪切环挤压钉套并钻入钉套内机械锁紧鼓包型抽芯铆钉研制与应用DevelopmentandApplicationofMechanicalLockedSpindleandBulbedRivet江西洪都航空工业集团公司陈兴安陈金云顶片钉杆锁圈钉套表1铆钉的材料选用铆钉种类铆钉部位锁圈顶片铝铆钉40CrNiMoALY10GH213245钢钢铆钉0Cr15Ni7Mo2AlNcu28-2.5-1.5钉杆钉套(a)(b)(c)(d)图2抽芯铆钉铆接成形原理Fig.2Formationprincipleofbulbedrivetwhenriveting93航空制造技术2006年第3期新工艺新技术新设备孔,形成盲端鼓包镦头(见图2(b)。(3)剪切环从芯杆上被剪切下来,当锁圈触到顶片后,锁圈被压迫变形,填充钉套端头凹槽(见图2(c)。(4)芯杆和钉套被锁在一起,芯杆在断颈槽处被拉断,形成可靠连接(见图2(d)。1.3主要尺寸的设计计算(1)由抗拉载荷计算钉杆与钉套直径。由图3可知,做抗拉强度试验时,铆钉的危险截面有A、B、C3个。分别进行强度计算,当d5=1.963.1mm时,3个截面的破坏载荷都大于1980N,d5=2.82mm为最佳值。经试验验证,最终取d5=2.7mm。图3抗拉强度试验时铆钉的危险截面Fig.3Dangersectionofrivetwhentensilestrengthtest(2)校核抗剪载荷。抗剪载荷要求大于3735N。由计算可知,当d5=2.7mm时,抗剪载荷为3735N,可满足要求。(3)剪切环厚度及直径计算。经过反复试验,为了适时剪断剪切环形成完整的刚性环体,必须利用应力集中原理,制出剪切断裂应力集中点,故确定了如图4所示的结构。以t、dt为未知数,计算钉套进入塑性状态时所受的剪切力、剪切环剪断力、断颈槽拉断力,便可得出:当0.2mmt0.54mm、dt4mm时能够满足要求,经试验确定t=0.47mm、dt=3.56mm。图4剪切环结构及受力状况Fig.4Structureofshearingringandstress(4)断颈槽直径的计算。因断颈槽直径应小于钉杆上其他凹槽直径,其他凹槽直径分别为2.5mm、2.4mm、2.1mm,断颈槽直径初定为1.9mm,可计算出拉断力为3077.1N。经计算可知,当铆枪抽拉钉杆时,钉套先进入塑性变形状态,然后钉杆上的剪切环被剪断,最后钉杆从断颈槽处被拉断,符合预期的要求。经试验确定断颈槽直径为1.93-0.05mm。(5)确定锁圈的材料和尺寸。经反复试验,选用GH2132高温合金为锁圈材料。锁圈的长度尺寸由钉套头部的凹槽体积计算得出,其他尺寸由钉套及钉杆的结构决定。最终计算结果如图5所示。图5锁圈结构Fig.5Colletstructure由于抽芯铆钉各部分之间要求有很强的协调关系,加之弹塑性变形难以计算,只能给出选择范围,存在一定的误差。设计方案在反复的试制和试验过程中不断进行修正。2抽芯铆钉的加工工艺2.1工艺难点抽芯铆钉制造的工艺难点是:钉杆长径比大,公差要求高,钉杆断颈槽、剪切环和细小的锁圈加工困难,零件硬度匹配严格,热处理范围小,检测困难。2.2热加工工艺组成抽芯铆钉的钉杆、钉套、锁圈、顶片都必须经过热处理,钉杆、钉套、锁圈三者之间存在强度、硬度匹配的问题,匹配合理,才能铆接成形。例如:钉杆如果太硬,铆接试验时就会拉过头或剪切环剪不断；如果太软,钉套就不能变形胀大,或者断颈槽处断裂不平有凸起。钉套如果太硬,铆接后不能变形或胀大尺寸不符合要求。锁圈的硬度太高,锁圈的变形不好,锁紧力不够,影响到钉杆顶出力、板夹紧力、振动试验数据达不到要求。经过多次试验和分析,最终定出了切实可行的工艺CCABBd5d0钉套剪切环钉杆dtd5d0d7At!00.1450.52.22.70.20.30.2942006年第3期航空制造技术新工艺新技术新设备方案,并在实施过程中严格控制炉温、零件数量、转移时间、冷却介质等工艺参数和工艺条件,达到了规定的强度和硬度值。2.3冷加工工艺(1)钉杆。钉杆的冷加工是关键难点之一,首先冷镦出头部毛坯,使头部组织紧密,提高强度,然后在数控仪表车床上采用线切割获得的成形刀分别加工出断颈槽和剪切环,最后在搓丝机上用搓齿板搓出齿槽。(2)锁圈。锁圈的特点是外径小、壁薄,最初采用高温合金钢板压薄再卷成圆圈,但端面不平整。后来采用GH2132高温合金棒材在六角车床上经反复改进车制出来,0.2mm宽的缺口是在线切割机上加工出来的。(3)检测设备。为提高成批生产合格率,自制了检测设备。钉杆的断颈槽直径是关键尺寸,因槽子的宽度仅为0.3mm,用工具显微镜测量很不方便。为了快速测量,把钉杆断颈槽直径的公称尺寸和极限偏差在镜片上刻线,并做了装夹零件的设备,抽芯铆钉一放在设备上,就能从镜片上看出尺寸是否超差。钉杆的剪切环厚度t也是关键尺寸,其公差仅0.02mm,且端面有斜度,用普通的分厘卡难以测量,后来自制了检测设备,装在分厘卡上就可以很方便地测量了。3试验在研制过程中经过反复试验、改进,设计方案才最终确定。根据机械锁紧鼓包型抽芯铆钉的安装和连接强度,主要做了以下试验:铆接性试验、芯杆推出力试验、板夹紧力试验、钉套胀形试验、剪切强度试验、抗拉强度试验、耐振性试验、疲劳强度试验、薄板抗拉试验。下文主要介绍在试验过程中出现的问题及解决的办法。3.1铆接性试验根据机械锁紧鼓包型抽芯铆钉的连接承力原理,要求抽芯铆钉在铆接成形后应达到:锁圈不能松动或脱落,在最大和最小夹层厚度条件下,钉杆必须到位,即铆接后钉杆断颈槽处不得高于钉套表面0.25mm,不得低于钉套表面0.51mm。课题组在进行铆接性试验时,铆接成功率不到30%,主要故障是芯杆下陷量为0.700.83mm,超过规定的0.51mm。从外端看,锁圈明显变形不足,没有锁住芯杆。经分析,故障的主要原因是芯杆的剪切环未被完全剪断,断颈槽提前被拉断,造成锁圈锁不死芯杆。为消除上述故障,采取了两项措施:一是把断颈槽直径加大0.02mm,以增加断颈槽部位的抗拉强度；二是把剪切环的厚度减小0.04mm。经过以上改进,铆接成形合格率达98%以上,铆接齐平度符合有关标准规定。3.2机械性能试验在进行机械性能试验时,又发现芯杆推出力试验达不到预定指标。经分析认为,影响推出力的因素主要是锁圈变形部分与钉套的接触面积和厚度。铆接成形的铆钉经剖开检查,发现锁圈的变形较小,不足以锁紧芯杆。经分析,采取了以下两项措施,使芯杆推出力试验达到了规定的要求。(1)调整锁圈的硬度,使之更容易变形。锁圈的材料是GH2132高温合金丝材,固溶处理后变软,挤压变形后会冷作硬化。经多次热处理试验,调整热处理时间、温度等参数,锁圈固溶处理后的硬度由HV203降到HV160以下,使锁圈的变形更加充分。(2)加大钉套头部台阶孔容积,增加锁圈变形部分与钉套的接触面积和厚度。经过反复试验改进,机械锁紧鼓包型抽芯铆钉的9项鉴定试验最终全部符合规定要求,达到或超过了国外某型抽芯铆钉的性能指标,各项数据见表2。表2试验数据比较表试验项目国外某型抽芯铆钉(d=3.96mm)自行研制的抽芯铆钉(d=4mm)铆接性试验芯杆凸出小于0.25mm,下陷量小于0.51mm,鼓包直径!5.1mm,100%合格芯杆凸出小于0.25mm,下陷量小于0.51mm,鼓包直径!5.2mm,100%合格抗拉试验2270N2820N抗剪试验3400N4050N芯杆推出试验910N923N板夹紧力试验消除间隙的最小拉力达134N消除间隙的最小拉力达134N振动试验在5105Pa气压振动下,振动20min,未发现抽钉损坏、破裂,铆钉可用手指旋转360等缺陷在5105Pa气压振动下,振动20min,未发现抽钉损坏、破裂,铆钉可用手指旋转360等缺陷钉套胀形试验试片受到手指压力时,试片不会绕钉套转动或沿钉套轴线方向移动试片受到手指压力时,试片不会绕钉套转动或沿钉套轴线方向移动抗剪疲劳试验在最大疲劳载荷3135N的条件下,完成3106次循环,未破坏在最大疲劳载荷3135N的条件下,完成3.0005106次循环,未破坏薄板抗拉试验979N1200N(下转第99页)952006年第3期航空制造技术新工艺新技术新设备计状态下绝密的所有对象类型生成的ACL条目见表4。表4数据访问权限的计算结果ACL3访问控制模型的实现(1)系统功能权限。将PDM系统中的现有系统功能进行整理,如表5所示。表5PDM系统中的系统功能(2)数据访问权限。数据对象存储的文件柜按照部门和项目进行组织,文件夹按照产品进行组织。数据对象密级分为秘密、机密、绝密3级。对象类型分为文件柜或文件夹自身、子文件夹、文档、零部件等类型。生命周期状态可以由用户自行定义。设置数据访问权限的界面如图5所示。4结束语PDM系统中用户权限管理模型的建立是一项十分复杂的工作。通过用户权限管理模型的建立,可以规范各级人员在系统中的职责和权限,为系统的流程管理和生命周期管理提供有力的支持,同时可以提高产品研制的管理水平,使技术资料的安全性、完整性和一致性得到提高。本文针对目前正在参与的企业PDM系统的设计与开发,探讨了基于安全策略的权限管理中安全策略的各个组成因素及其相互之间的关系、由这些因素组成的安全策略的定义,以及根据安全策略计算权限的方法。实践证明,这种权限管理方法的建模方法规范,授权方式灵活,控制权限更方便、更细致,可广泛应用于各种复杂信息管理系统的用户权限管理。参考文献1周燕飞,马,王林博,等.产品数据管理系统的用户权限管理.数据采集与处理,2002,17(4):3853892刘清华,万立,钟毅芳.PDM中产品数据的组织及关键技术.见:国家高技术计划自动化领域CIMS主题专家组编.第五届中国计算机集成制造系统(CIMS)学术会议论文集,第4部分.1998.1191233高其微,莫欣农.产品数据管理(PDM)及其实施.北京:机械工业出版社,19984约瑟夫萧塔纳著.制造企业的产品数据管理.祁国宁译.北京:机械工业出版社,2000(责编文洵)(上接第95页)4结束语抽芯铆钉研制成功后,2002年3月起在某新型飞机上替代国外某型抽钉装机使用了多种规格数千件抽芯铆钉,使用结论是:抽芯铆钉使用方便,连接可靠,合格率达100%,完全可取代国外某型抽芯铆钉。课题组在研制的同时,还开展了航标编写工作。所编写的5项航标于2002年10月经中航一集团301所组织有关专家评审,国防科工委批准发布,编号为HB772