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压铆过程阶段划分与压铆力计算刘平 ,李原 ,张开富 ,余剑峰(西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 ,西安 710072 )刘 平摘要 :压铆是飞机装配过程中常用的机械连接方式 ,适当的加载压铆力可以减小铆接造成的铆接件变形 ,提高装配效率和装配性能 。本文提出将压铆过程划分为 5个阶段 ,分析每个阶段的金属流 动方向和受力情况 ;并在此基础上给出压铆过程的所需压铆力的计算方法 ,最后以直径为 4 mm 的沉头铆接为实例进行计算 ,与实验数据进行对比 ,验证公式的正确性 。关键词 :压铆 ;阶段划分 ;压铆力 ;扩张量文章编号 : 1003 28728 ( 2009 ) 04 20514 203中图分类号 : TP391文献标识码 : AStage D iv ision and Upsetting Force Ca lcula tion for Pressing Rivet ConnectionL iu P ing, L i Yuan, Zhang Ka ifu, Yu J ianfeng( Key L abo ra to ry of Con tempo ra ry D e sign and In tegra ted M anufac tu ring Techno logy (No rthwe ste rnPo lytechn ica l U n ive rsity) , M in istry of Educa tion, X ian 710072)A b stra c t: A s one of the mo st common m e thod s u sed in m echan ica l jo in t, p re ssing rive t ha s been app lied in a ir2 p lane m anufac tu ring w ide ly. Su itab le up se tting fo rce is benefic ia l to reduc ing defo rm a tion and re sidua l stre ss in2 duced by p re ssing rive t. In th is p ap e r, a simp le m e thod fo r ca lcu la ting the up se tting fo rce is p re sen ted. B a sed on the deve lopm en t of m e ta l flow , the who le jo in ing p roce ss is d ivided in to five stage s. In eve ry stage, the fo rce of riv2 e t and p lane a s we ll a s the defo rm a tion a re ana lyzed. In the p e riod of e la stic defo rm a tion, the p roce ss of p re ssing rive t is rega rded a s p lane up se tting; and in the p e riod of p la stic defo rm a tion, the p roce ss of p re ssing rive t is rega r2 ded a s fo rging. The ca lcu la tion fo rm u la a re de rived from the theo ry of up se tting and fo rging. The sp ec ifica tion of rive t and p lane is a lso con side red in the fo rm u la. F ina lly, a coun te rsunk rive t who se d iam e te r is 4 mm is stud ied a s an examp le to ve rify the fo rm u la.Key word s: rive t; p re ssing rive t; stage d ivision; up se tting fo rce飞机制造中铆接装配占有十分重要的地位 ,据估算 ,飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的40 % 50 %之间 , 其中铆接劳动量约为 30 % , 随着 对飞机性能要求的不断提高 ,迫使人们重视铆接质量 ,使其适应质量稳定 、生产速率高 、疲劳寿命长的 要求 。在飞机 行业 中 , 法国 的 L angrand, B. 等 1 对 于铆接过程进行了研究 , 分析了铆接基于 FE 模型和材料疲劳特性模型特征的数值过程 ,测量了在准静 态和动态条件下应变速度的影响 ,提出考虑铆钉材 料的非线性因素 2 。U rban. M. R 等 3 对于 旋翼 飞机机身结构中使用的普通铆接的误差传播进行了测 试和 分 析 。B illy Ke lly 等 4 仿 真 了 铆 钉 的 安 装 过 程 ,研究了轴对称模型下铆钉安装仿真的 FE 模型 , 精确预测了铆接成形过程中 的 力 。V. B lancho t等 5 人 建立部分 、轴对称和 3D 这 3 种可调整数值模型来仿真铆钉连接 。国内对于铆接的研究主要集中 在电磁铆接方面 ,对于电磁铆接的工艺方法和数值 模拟过程 10 , 11 进 行研 究 。曹 增 强 68 等 主 要 研 究 电磁铆接 ,介绍了一种用于不开敞部位大直径铆钉 铆接的铆接方法 应力波铆接 ; 并且针对电磁铆接的方式 ,对于不同铆钉材料在不同加载速率下的收稿日期 : 2008 205 229基金项目 : 国家 863 /C IM S课题项目 ( 2006AA04Z137, 2007AA041903 )和西北工业大学翱翔之星计划项目资助作者简介 :刘 平 ( 1982 - ) , 博士研究生 , 研 究方 向为先 进连 接技 术 、虚拟装配等 , liup ing m ail. nwp u. edu. cn; 李 原 (联系 人 ) ,教授 ,博士生导师 , yuan li nwp u. edu. cn515第 4期刘 平等 :压铆过程阶段划分与压铆力计算变形进行了微观研究 ,发现了镦头中出现的绝热剪切带与加速速率相关 。葛建峰 、杨军 9 , 10 进行了电 磁铆接过程的数值模拟研究 。可见 ,我国对于铆接数值模拟方面的研究尚属于起步阶段 ,开展铆接过程的数值模拟方面的研究 , 是提高连接质量 、减少研究费用和研究时间的有效 途径 。触面的方向 ,摩擦力 f 的方向是与铆钉轴线平行的作用点所在处的接触面的切线方向 。阶段 3 随着冲头位移的增加 , 铆钉头部开始 局部镦粗 ,形成镦头 ,接触到铆接件的金属板面 。铆钉头与铆接件之间的接触区域的摩擦力使得金属流 动发生改变 。同时铆接件因为受到镦头的压力开始 发生变形 。当镦头达到目标尺寸后 ,冲头停止移动 。在此阶段 ,铆接件不仅在孔周围受到铆钉膨胀 带来的压力 ,而且铆钉镦头开始接触到铆接件 ,受到镦 头的压 力 作 用 和 镦 头 延 展1 物理模型的建立在进行压铆受力分析之前 ,除了进行连续性假 设 、匀质性假设 、初 应力 为零 和 体积 力为 零 假设 以 外 ,添加以下假设 :( 1 ) 各向同性假设 : 假设铆钉和铆接件的材料 为各向同性的 。( 2 ) 施铆时温度均是在常温下进行的 。( 3 ) 施铆的冲头和顶铁的变形相对于铆钉的变 形来说是很微小的 ,假设冲头和顶铁是理想刚体 ,在 施铆过程中不发生变形 。带来 的 摩 擦 力 作 用 。接 触面包括 铆 钉 镦 头 和 铆 接 板 的接触 、铆钉和孔之间的接图 3 镦头形成金属流动示意图触等 。设此时铆钉 杆 中 的 金 属 向 下 流 动 已 趋 于 饱和 ,向 两 侧 的 金 属 流 动 为 主 要 流 动 方 式 , 如 图 3所示 。阶段 4 冲头位移减小 , 载荷降低 。但铆钉镦 头仍然与冲头相接触 ,铆钉弹性回复 。阶段 5 冲头离开铆钉 ,压铆过程结束 。2 压铆过程阶段划分针对沉头 铆接 的简 化模 型 , 分 析 其 压 铆 过 程 。 设冲头初速度为 0 ,整个压铆过程由冲头接触铆钉 开始 ,到铆钉发生塑性变形 ,完全成形为止 。这个过 程被划分为 5个阶段 :阶段 1 此阶段以冲头接触铆钉开始 , 随着位 移的 增 长 , 压 铆 力 逐 渐 增大 ,使 得 铆 钉 开 始 发 生 变 形 , 钉 杆 整 体 镦 粗 。当 钉 杆接 触 到 铆 接 件 时 , 这 个阶段结束 。因此此阶段只涉及 到 铆 钉 的 变 形 , 压 力 图 1 铆钉最初阶段受力图尚未 传 递 到 铆 接 件 , 不 考虑铆接件的受力变形 。铆钉最初阶段受力图见图 1所示 。阶段 2 此阶段以铆钉杆接触铆接件的边缘开 始 ,随着冲头位移的增加 ,铆钉与孔内壁接触区域开 始变大 ,直到应力在铆接件厚度上均匀分布 ,阶段 2 就结束了 。此时镦粗的铆钉杆 与铆孔 的 圆 周 面 充 分 接 触 , 尚未 形 成 镦 头 , 铆 钉 中 的 金属 以 向 下 流 动 为 主 , 近 似于 挤 压 型 的 金 属 流 动 。3 压铆过程的最大压铆力计算( 1 ) 在施铆的最初阶段 ,由于铆钉刚刚开始发 生变形为弹性变形 ,满足胡克定律 FN l= lEA式中 : l是铆钉原有的长度 ; FN 是 所加 的 施铆 力 ; E是弹性模量 ; A 是铆钉横截面积 。 铆钉头部的变形取微段 dx, 铆钉半径为 d2A ( x ) = d / 4FN ( x ) dx= F dx d (l)Ed2 / 2EA ( x )故当加力 F 时 , 铆钉头的变形为lF dx 2 F l= l =0 Ed2 / 2Ed2( 2 ) 随着冲头的逐渐下压 ,铆钉刚开始接触到孔周 ,但是尚未形成镦头 ,设此时铆钉杆的受力状态 与平面镦粗的受力状态相似 。图 4展示的是平面应变镦粗型的基于板块的受力分析 。对图中基元列平衡方程 ,即Px= x l1 l -(x+ dx ) l1 l - 2l1 dx = 0= - 2m Kdxd( 1 )l式中 : = m K, m 为 摩 擦 因 子 , K = Y / 3, Y 为 真 实应力 。如图 2 所 示 , 在 钉 杆 与 孔图 2 钉杆下部受力图周的接触面 ,扩张力 f 的方向垂直于钉杆与孔周接 516 机 械 科 学 与 技 术第 28卷式中 : xe - x 表示铆钉镦粗的长度 ; ye是 区边界处的垂直压应力 。 2对于 区 , = m K, y e =Y, 从式 ( 1 ) ,推出3 2m Kye= -x + Ch应用应力边界条件求积分常数 C, 当x = xe ,ye = ye有图 4 镦粗时基元受力分析 2m KC = xe +ye( 3 ) 铆钉钉杆塑性变形开始以后 ,铆钉中部金属向下流动 ,近似于挤压型的金属流动 ;而铆钉镦头 金属向两侧流动 ,如图 5 ( a) 所示 。到了镦粗末期 ,作为极端情况 ,当纵向流动阻力大于横向流动阻力 时 ,我们可以近似的认为铆钉中只有侧向的金属流 动 ,而没有轴向的金属流动 ,即只发生镦粗变形 ,这 个阶段的施铆力应达到最大 。此时铆钉受力情况与中部挤出凸台平面应变镦粗的受力情况类似 ,因此将镦粗末期的铆钉分为 区和 区 ,如图 5 ( b)所示 。h代入得2m Y2 Yye= ( xex ) +-3 h3故所需施铆力为F = s1 y + s2ye式中 : s1 为铆钉杆面积 ; s2 为铆钉镦头的圆环面面积 。4 实例计算取铆钉直径 d = 4 mm ,钉孔直径 d = 411 mm , 采用精装配 , 进 行压 铆 。铆 钉 材料 为 Titan T40 , 材 料性质如图 8所示 ,屈服极限 s 320 M Pa;铆接件 板厚度为 215 mm。图 5 镦粗的金属流动对于 区 , = K = Y , 式 ( 1 )转化为3图 6 T40材料性质2 Kdxd = -( 2 )压铆过程近似看作是锻造过程 ,铆接结束后 ,铆钉半径近似为 3126 mm ,则施铆力为l因为是镦粗变形 ,可以直观的认为| y | | x |按绝对值列出的简化屈服方程为22mF = s1( x - x) +( x - x) + sseye2e3h3h3式中 :s 为屈服极限 , M Pa; h 为铆钉原有长度 , mm。计算可得所需施铆力y- x = 2 K, dy = dx( 3 )将式 ( 2 )和式 ( 3 )联立求解 ,得2 2 K21126 +yeF = 320 2 +y= -x + C3 9h (31262 - 22 ) 20121126 +应用应力边界条件求积分常数 C, 当 1332016 N3 93x = xe ,y= ye故有 5 V. B lancho t 在同样材料和尺寸的压铆试验中得到的需要最大压铆力为 12300 N , 本文的计算结 果略大于试验结论 。= 2 Kx+Ceyeh代入得 2 Ky=( xe -x )+y e( 4 )h(下转第 521页 )22521第 4期高 斌等 :一种滚动轴承故障特征的时频综合分析法3 结论用小波变换对滚动轴承故障信号进行分解 ,由 此可以找到我们感兴趣的共振频带 。但是进一步对 包络信号进行包络谱分析时比较难于发现其故障频率 。如果对包络信号进行 EMD 分解 ,再对得到的前 几个 IM F 分量进行谱分析 , 这时 , 我们可以很明显 的在各包络谱图中看到故障特征频率的谱线 。诊断 效果 得 到 了 显 著 的 提 高 。如 果 直 接 对 信 号 进 行 EMD 分解 ,对各 IM F分量进行谱分析 ,由于 HH T变换的虚假模态及 其 他原 因影 响 , 效果 也 不是 很好 。 根据滚动轴承实验验证 ,本文所提出的结合小波变 换和 H ilbe rt2H uang 变换的综合时频分析法较单一 的方法具有更好的故障特征提取能力 。(上接第 516页 )5 结束语本文将压铆过程划分为 5 个阶段 ,给出压铆过 程的所需压铆力以及铆孔扩张量的计算方法 ,经实 例计算证明结果 接 近试 验结 果 。本 文 只考 虑了 冲 头 、铆钉和铆接件三者的作用 ,未考虑夹具的施加方 式 、夹具施加前后对于铆接件变形的影响 。参考文献 1 M a rk iew icz E, et a l. A na lysis of the rive ting p roce ss fo rm ing m echan ism s J . In terna t iona l Journa l of M a ter ia ls & Prod2uc t Techn o logy, 1998 , 13: 123 145L angrand B. R ive ted Jo in ts Em br ittlem en t, Va l ida t ion of R iv2e t in g Process FE M ode l R . ON ERA 2L ille R epo rt 98 /01 , 1998U rban M R. 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