电磁铆接技术

电磁铆接技术发展概况摘要:对电磁铆接技术的研究现状作概述。介绍了电磁铆接的基本原理及其特点，对国内外电磁铆接设备的研究进行了分析比较，讨论了电磁铆接工艺研究的意义以及工艺参数对电磁铆接质量的影响。随着航空业的发展，电磁铆接工艺参数的定量化势必成为发展趋势。关键词：电磁铆接；铆接质量；工艺参数在新型飞机设计中，为增加飞机结构强度，提高疲劳寿命，同时减轻飞机重量，大量采用钛合金结构和复合材料结构。第4代战斗机上钛合金材料将占30%以上，复合材料占40%〜60%。但由于复合材料易产生安装损伤、分层等现象，大大限制了热铆方法的采用。同时，在新型飞机和大型运载火箭中，由于大载荷的要求，越来越多地采用大直径铆钉。并且，由于结构开敝性限制，大功率压铆机在许多情况下无法工作，所以只能采用气铆。而气铆存在铆接质量不稳定、效率低下等问题。上述问题是目前普通铆接方法无法避免的，因此，迫切需要采用新型的铆接工艺来解决这些问题，电磁铆接是电磁成形工艺的一个应用，是作为解决上述难题而发展起来的一种将电磁能转化为机械能，使铆钉发生塑性变形的新型铆接方法。1电磁铆接原理电磁铆接是利用初级线圈和次级线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种新型铆接工艺。加载速率高、应变速率大，材料的变形方式与压铆等准静态加载方式不同，铆钉钉杆变形均匀，可有效防止复合材料损伤，为钛合金和复合材料结构的连接及大直径铆钉和难成形材料铆钉成形提供了一种先进的连接技术。目前，该技术已在航天航空工业制造领域中得到广泛应用，波音、空客等飞机制造中均采用这一技术［1］。1.1电磁铆接成形原理电磁铆接的基本原理同电磁成形，只是在次级线圈和工件之间加了一个应力波放大器，电磁铆接原理图如图1-1。图1-1电磁铆接原理图

如图所示在开关闭合的瞬间，电容器组进行放电，在初级线圈中产生脉冲电流，脉冲电流在初级线圈中激发出强磁场。根据电磁感应定律进而在次级线圈中产生感应电流，感应电流在次级线圈中产生涡流磁场，两磁场相互作用在耦合的线圈之间产生涡流斥力，涡流斥力在应力波放大器中经过不断的反射和透射，将放大了的力作用在铆钉上进行铆接。电磁铆接初级线圈和次级线圈的耦合电路图如图1-2所示。初级电路是电磁成形系统回路，包括储能电容器，感应线圈，R1是系统电阻；次级电路是感应回路（涡流）R2是工件电阻，L2是回路电感；M是互感系数。C-储能电容器R1-初级电路电阻L1-系统电感R2-次级电路电阻L2-次级电路电感

图1-2电磁铆接双回路模型如上图所示，设匕是初级回路放电电流，i2是感应回路电流。根据克希霍夫定律，两个回路的微分方程为：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"'didi 1tl4+M也+Ri+—/idt-U=01dtdt11C1 0 （1.1）] 0didiL2-2+M-1+Ry；=0（1.2（1.2）（1.3）ti(t)=Ie^sinwti(t)=AIsin(wt+9)wMA= (R;wMA= (R;+(wL「2（1.4）(1.5)c，(1.5)9=arctan(―)wL2L~R2L~R其中M为互感系数，I=UwL1.2电磁铆接的基本参数(1.6)电磁铆接的基本原理是通过线圈放电，将电容器中储存的电磁能转化为机械能，在放大器的输入端形成历时极短、强度高的应力脉冲，应力脉冲以弹性波形式在放大器中传播并被放大，随后又被传播给铆钉，从而完成铆钉的塑性变形。单次放电电容器储存的能量(1.6)1八W=—CU22式中C为电容器电容量，U为铆接电压。由式(2.1河以看出，单次放电电容器储存的能量与电容器电容量、铆接电压成正比。由于现在电磁铆接设备大都采用低电压，为了获得铆钉成形所需的能量(对于常用的铆钉，铆接设备储存能量一般为几千焦耳)，在降低铆接电压的同时必然要增加电容器的电容量。如采用脉冲电容器，由于其电容量小，要想获得比较大的电容量，则势必要增加电容器的体积，这显然不合适。而电解电容器由于其容量高、体积小、成本低，可以满足低电压电磁铆接设备的要求。(1.7)电磁铆接设备采用低电压主要是为了降低放电电流频率，消除由于电压高引起的高放电频率，高放电频率会导致铆接后在铆钉镦头处产生微裂纹或剪切破坏的现象。因此，选择放电电流频率的一个主要标准就是使得铆接时铆钉镦头不产生微裂纹或剪切破坏。电磁铆接放电电流频率(1.7)f=—1 2兀*LC式中，C为电容器电容量，L为系统电感。从式(2.2)中可以看出，放电频率的大小取决于系统电感、电容器电容量，由于系统电感主要由放电线圈的电感量决定，一般不易改变，因此，要想获得比较小的放电频率，只有增加电容器的电容量。为了选择合适的放电频率，西北工业大学曹增强等曾对成形性较差的TB2-1铆钉分别采用电容量为225四f、1850四f、3500吐的3种电容器组进行铆接试验。当系统电感实测为50四h时，放电电流频率分别为1600HZ、600HZ、400HZ，通过对铆钉镦头金相组织进行观察，当电流频率为1600HZ时，铆钉镦头有明显的微裂纹；电流频率为600HZ时，铆钉镦头没有微裂纹，但是有明显的剪切带；电流频率为400HZ时，镦头没有微裂纹，剪切带也不明显。由此可见，400HZ的电流频率比较合适，因此，对于低压电磁铆接设备，所选取的放电电流频率一般情况下不高于400HZ。在冲击载荷下，如果材料出现了局部化变形，这种在高应变率下的局部化变形可能使该区域温度明显升高，温度上升到一定数值时会造成材料的软化，超过了材料由于变形造成的硬化，那么这种局部的变化会以反馈的方式发展，这就是剪切带成形的机理。电磁铆接属于冲击载荷，在铆接的过程中加载速率非常高，材料以绝热剪切的方式产生塑性变形，铆钉材料的应变率很大，一般在几百微秒到几毫秒内材料就会产生30%-50%的应变，其应变率要比普通铆接高出几个数量级。大量的研究表明，在高速变形时，加载速率会对铆钉材料的变形和铆接质量产生很大的影响。铆钉变形主要在脉冲电流的第一个半波周期内完成，电流周期T为：T=2n-JLC (1.8)式中，L为铆接设备的电感值，C为铆接设备的电容量。L由初级线圈的结构和尺寸决定，当线圈确定后，整个系统的电感值也就确定，一般不易调整。因此要选择不同的加载速率，只能依靠调整铆接设备的电容值。试验表明，电磁铆接时，随着加载速率的提高，在铆钉材料中产生的剪切带逐渐发展，剪切带内的变形量也逐渐增大，铆钉镦头出现微裂纹。为了提高铆接质量，电磁铆接时加载速率不能过高。1.3电磁铆接特点相比于普通铆接，电磁铆接有以下一些优点［2~3］效率高。普通铆接时一般都要进行多次锤击，不仅造成材料冷作硬化，而且费力费时，铆接质量受操作工人的技术水平限制。而电磁铆接中涡流斥力在应力波放大器中放大后，一次成形，成形质量主要受铆接工艺的影响。选择合适的铆接参数，可以使铆接效果达到预期的效果囹。噪声小，安全性高。普通铆接时噪声可高达140dB.会对工人的听力系统造成伤害，许多工厂采用轮班制来弥补该方面的不足。而电磁铆接的峰值噪音一般小于90dB，并且持续时间短，其连续噪声等级远小于普通铆接［5］。干涉配合铆接。普通铆接时钉杆膨胀不均匀，很难保证钉杆沿整个长度有均匀的干涉量，不能提高结构疲劳寿命，而电磁铆接成形速度快，钉杆膨胀和镦头几乎同时形成，在连接件和铆钉之间形成均匀的干涉量，提高接头疲劳寿命。复合材料铆接。现在飞机制造中大量采用复合材料，复合材料具有许多优异的性能，但普通铆接时容易造成挤压破坏。由于电磁铆接具有屈强比高避免了普通铆接时的问题。应用电磁铆接原理的电磁铆枪工作时会产生一个强脉冲力，但铆枪后端有缓冲装置因此后坐力很小。电磁铆枪可以手持进行铆接，操作方便灵活，不受空间开敞性的影响。2国内外研究现状2.1国外研究现状格鲁门宇航公司是世界上最早研究电磁铆接技术的公司，70年代中期格鲁门公司为配合F-14的研制而发明了一种单枪电磁铆接装置成功地解决了因干涉配合紧固件连接钛合金结构和厚夹层结构所遇到的困难，取得了明显的技术经济效益。随后几年，Letheris一直从事电磁铆接技术研究，先后申请了应力波安装干涉配合紧固件［6］、发生应力波的线圈［7］、应力波制孔［8］等专利，接着又对电磁铆接的质量进行了系统的研究。研究结果表明，电磁铆接能显著提高接头疲劳寿命，在有预制裂纹的试件孔中，采用这种方法进行干涉配合铆接能延缓疲劳裂纹的增长.但该公司没有将电磁铆接设备进一步发展。波音公司为解决锤铆中存在的问题，由HuberASchmitt等人首先开始摸索电磁铆接技术。经过几年的努力，研制成功了高电压手提式铆接设备的电磁铆接装置。1986年波音公司在波音767的制造中开始采用电磁铆接设备完成一些难成形材料铆钉的铆接。使用双枪进行液密干涉配合铆接，己纳入工艺说明BAC-5047。在80年代，波音公司曾将电磁铆枪装到自动钻铆机上使用。大约在1994年，波音公司开始在新型737飞机机身上使用电磁铆接技术。洛克西德公司在80年代初采用了格鲁门公司的电磁铆接设备铆接碳纤维复合材料结构，代替价值昂贵的特种紧固件。该公司采用电磁铆接技术对复合材料的干涉配合进行了研究。结果表明，采用电磁铆接技术是既能防止安装损伤又能取得干涉配合效益的有效途径。麦道公司现在应用低电压的电磁铆接技术，工作电压一般低于500V，生产说明书DPS3.67-27详细说明了电磁铆接的操作规程。麦道公司将电磁铆接技术主要用于铝合金和铝钛合金的冠状铆钉、120埋头铆钉和平锥头铆钉。Gemcor公司是生产自动钻铆机的专业厂家，能生产多种型号的自动钻铆机。作为自动钻铆机的配套技术，他们也在研究电磁铆接技术。Electroimpact公司专门从事低压电磁铆接设备的研究开发和生产。低电压的采用，降低了设备的成本，提高了设备的寿命和安全系数［2］，在80年代中期研制成功手提式电磁铆接设备，80年代末期研制成功低电压电磁铆接设备。该公司现在已开始了计算机控制和低电压电磁自动铆接机的工程化研究工作。该机器是为英国宇航公司自动化生产空中客车系列运输机翼面而研制的，重为50吨，可铆接12.5mm的铆钉，工作电压一般低于500V。表2-1给出了Electroimpact公司研制的手提式低电压电磁铆接设备的各项参数［9~15］。表2-1Electroimpact公司手持式低电压电磁铆接设备［9~15］型号 铆接能力 铆枪重量/Kg最大铆接力效率/个/分后坐力/Kg/t

HH3006.6mmAA70507.7 - -偏大HH4008mmAA211734---HH5009.5mmAA705081.713.510偏大HH5509.5mmAA70501081810-HH5039.5mmAA70502113.310很小HH55311.0mmAA705050---Electroimpact公司最新的手持式低电压电磁铆接设备HH503[16]坐力系统设计中采用了弹簧减振机构，不仅将整个系统重量减轻了将近75%,而且对后坐力吸收的效果也大大改善，可用于无头铆钉、环槽铆钉和锁紧螺栓的安装。铆枪截面图如图2-1所示。图2-1HH503铆枪截面图俄罗斯对电磁铆接技术也进行了大量的研究，并运用在伊尔-86等飞机、发动机、运载火箭的装配生产上，先后开发和生产了yMK-6AM、YMK-8、yMKKC、MMK-6等型号的50余台低电压（铆枪工作电压不超过380V）电磁铆接设备。俄罗斯研制的配备加热系统和低电压电磁铆接动力头的YMKKCH、yMKKCH-3型自动铆接设备已用于发动机燃烧室筒体Cr-Ni钢铆钉的自动热铆。20世纪90年代中后期又研制了一套长度达12m的自动电磁铆接装配系统，用于飞行器圆筒型壁板的自动化装配。日本从80年代以来，在电磁成形方面投入大量的人力和财力，取得了大量的研究成果。在电磁成形工艺及理论研究方面发表了许多文章，在充电设备和脉冲线圈的制造方面也申请了许多专利。但到目前为止，还没有电磁铆接方面的报导。2.2国内研究现状国内从60年代中期开始，对电磁成形工艺进行过初步研究，后来研究工作中断了。从80年代中期开始，一些高校和研究所陆续开始了这方面的研究，虽然在电磁成形理论方面的研究起步较晚，但在应用方面已研究出了一些试验性的电磁铆接设备，如机械工业部五十九所的MF-16K电磁成形机、哈尔滨工业大学研制的电磁成形机、西北工业大学的电磁铆接设备等，并已成形出一些合格的产品零件。余公藩1981年开始进行电磁铆接技术的研究，并研制了电磁铆接设备。进入九五后，曹增强等人对电磁铆接技术进行较为系统的研究，并对低电压电磁铆接技术也进行了初步的研究。高彬采用有限元方法对应力波安装干涉配合紧固件的过程进行了模拟，对应力波安装过程获得一定新的认识。为跟踪国外先进水平，解决高压电磁铆接质量、设备的安全可靠性等方面存在的问题，西工大对低压电磁铆接技术进行了初步研究，已研制成功低压电磁铆接设备。该设备的电源系统设计为便携式结构，由两个20kg左右的手提箱组成，可在车间方便移动，工作电压在450V以下。设备最大存储能量为22kJ，根据铆钉的不同，可选用不同规格的铆枪。2006年，哈尔滨工业大学开始进行电磁铆接设备关键技术及工艺研究。于2008年研制成功了380V低电压电磁铆接设备.可实现©6mm高强度铝合金铆钉和直径3.5mrn钛合金铆钉的铆接。根据总体设计方案，所研制的设备安全可靠，操作简洁方便。各种保护措施完备，具体参数如下：(1)额定储能6.4/9.6kJ；(2)额定电压380V：(3)电源电压380V：(4)能实现©6/8mm高强度铝合金铆钉及相应钛合金铆钉的铆接：(5)对于©6mm铝合金铆钉，加工速率8-10次/分钟。3电磁铆接工艺研究意义及方法3.1电磁铆接工艺研究意义目前，航天航空飞行器朝着轻量化、大型化和整体化的方向发展。由于技术条件限制，新型结构还难以实现完全整体化，因而不可避免地采用多种连接方法，如焊接、螺接和铆接等。其中铆接方法使飞行器外表面相对光滑，易于消除应力集中，有利于减小高速飞行时的空气阻力；同时铆接结构适用范围广，因此是目前应用最为广泛的机械连接方法之一。随着航空业的发展，对飞机可靠性、寿命以及安全性的要求越来越高，特别是在民机方面有更高的要求。据统计，70%的飞机机体疲劳失效事故起因于结构连接部位，其中80%的疲劳裂纹发生于连接孔处，而这很大程度上是由于装配过程中产生的残余应力引起的，可见连接质量极大的影响着飞机的使用寿命［17~18］。干涉配合有利于提高结构的可靠性以及疲劳寿命，而普通铆接工艺无法形成均匀的干涉量限制了这一技术的使用。电磁铆接作为一种新型的铆接工艺，铆接时间短，铆钉杆膨胀和镦头成形几乎同时完成，因此可形成均匀的干涉量，提高飞机的寿命及可靠性。就整个飞机制造过程和工艺工作内容而言，铆接装配占有十分重要的地位。据一般估计，在现阶段飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的50%左右，其中铆接装配劳动量不低于30%。普通铆接时需要多次敲击，效率低并且噪声大对工人的健康造成危害。采用电磁铆接，铆接一次成形，显著提高了生产效率，铆接质量不再受工人操作水平的限制，提高了铆接质量。在现阶段国内电磁铆接技术发展落后，主要是在高校进行电磁铆接设备的研制，国产电磁铆接设备还未投入使用。对电磁铆接技术的研究主要集中于理论分析，只是定性的分析不同参数例如电容、电感、以及铆模铆钉参数等对电磁铆接的影响，对这些参数还未进行定量研究，没有精确值。并且不同的铆接设备铆接时的工艺参数不尽相同。针对飞机制造的需要，大型飞机制造公司不得不从国外购买电磁铆接设备，但由于技术保密，对铆接工艺需要进行自行研究。3.2电磁铆接工艺研究的主要方法3.2.1解析计算法在铆钉成形过程中，位于铆接件孔中钉杆部分是封闭的镦粗方式，并同铆接件一起变形，而镦头处钉杆部分属于敞开的镦粗方式。因此，铆钉变形的应力和应变状态复杂，铆钉的体积变形分布也很不均匀。在塑性变形过程中，不但铆钉材料的组织和物理力学性能发生较大变化，而且铆钉各个部分的强化程度也不同，因而使分析工作变得更复杂。尽管根据一个物体的变形方式可建立足够数量的方程式，并且在给定的边界条件下它们的应力应变函数解原则上都可得到，但是在数学上困难非常大，一般不能得出有实用价值的解。现有方法（塑性平衡近似方法、材料阻力法、特征方法和变分法）中最可接受的实用计算方法是变分法。这种方法是寻求某一个积分式有极值的函数。求极值的积分式可用变形能（功）或用和它成比例的值来表达。依照连续介质（固体）力学的能量原理可得到相应的变分式。也就是说，能量原理允许用变分计算方法直接求解，以代替用平衡微分方程求积分的方法［19］。3.2.2试验分析法这种方法是通过对特定材料条件和尺寸条件的铆钉进行铆接试验条件，例如改变充电电压，改变铆接速度，采用不同角度的铆模等，对铆钉进行金相分析，从而研究铆钉在不同铆接工艺条件下的微观形变，改变工艺对成形后的区域晶粒的影响，从而获得铆钉在不同铆接工艺条件下的成形规律以提高铆接质量［20~21］。3.2.3数值模拟法数值模拟法的思路是借助一些有限元分析软件建立电磁铆接过程的数值模型。通过单轴拉伸、双向拉伸或动态应力-应变试验得到材料的性能参数，输入到有限元模型中，通过数值模拟分析影响铆钉成形过程的各种因素［22。4电磁铆接工艺参数对铆接质量的影响4.1放电电压和电容对连接的影响放电电压是决定电磁铆接放电能量最重要的参数。通过对放电电压的调节研究铆钉的变形，是确定成形电压最直接的方式，也是电磁铆接工艺最易调节的参数之一。随着放电电压升高，铆钉变形量增大。钉头高度减小，钉头直径增加。电容值是决定放电能量的另一重要参数，同时放电频率的大小取决于放电电容值大小。通过改变放电电容值，亦可研究放电电流频率对铆钉变形的影响，从而确定最佳的放电频率，优化成形参数。随着电容值增加，铆钉变形量增大。随着放电电容值增加，放电电流周期变长，铆模与铆钉端面接触的时间越长，即增加了应力波在铆钉内的传播时间，在相同能量下提高了能量利用率，使铆钉变形程度增加。同时，电容的并联使系统电阻降低，有利于增加铆接力，使其能量利用率提高。在电容值可达到较大值的条件下，采用较小的放电电压来完成铆钉成形，可以有效地保护放电线圈，避免被击穿，有利于延长放电线圈的使用寿命。4.2钉杆长度对铆接质量的影响邓将华等对沉头120°铆钉做实验研究了钉杆长度对铝合金与复合材料铆接试样的铆钉成形钉头处、铆钉钉杆与铝合金板连接处和铆钉钉杆与复合材料连接处三处的影响，为了叙述方便，上述三个位置分别用图3-1位置1、2、3代替。抑钉沼含金复合材料图4-1铝合金-复合材料铆接试样不同位置观察示意图不同钉杆长度下，在位置1处均出现明显的剪切带，剪切带是一个变形高度集中的区域，这是由于变形过程中材料流动的不均匀性造成的。在铆钉变形过程中，存在轴向流动和径向流动，剧烈的材料流动将产生大量的热量。由于电磁铆接过程很快，在几百微秒内完成铆钉的成形。在如此短的时间内，由于大变形产生的大量热量来不及散出，将引起材料局部温升，这一温升又反过来加剧了该区域材料的塑性流动。当局部热软化效应超过应变硬化效应时，金属变形出现失稳，大部分塑性变形都集中在狭窄的区域内。变形中塑性功转变成的热量大部分滞留在这一区域，该塑性流动局域化区域即为绝热剪切带。在剪切带内部晶粒被剧烈拉长，而在剪切带两侧晶粒变化不明显。在位置2处，铆钉钉杆变形均匀，铆钉与铝合金板紧密连接，形成良好的干涉配合连接。在位置3处，铆钉与复合材料形成良好连接，对复合材料的挤压程度小，不易损伤复合材料，未出现复合材料分层和开裂，能实现复合材料的无损伤铆接。不同钉杆长度下，铆钉钉杆均匀性均较好，随着铆钉钉杆长度增加，钉杆均匀性略有下降，但差别很小。在成形铆钉钉头处出现明显的剪切带；在铆钉钉杆与铝合金板连接处，铆钉与铝合金板紧密连接;在铆钉钉杆与复合材料连接处，铆钉与复合材料形成良好连接，对复合材料的挤压程度小。4.3铆模倾角对铆接质量的影响铆模角度对铆钉镦头的主应力和主应变有明显影响。随着铆模角度减小和铆模深度加大，镦头成形过程中的平均应变减小。在成形后期当镦头材料溢出铆模时，就会形成卷边，镦头材料的溢出是由于不断增加的主应变导致了卷边，而主应变的增加是由于附近剪切区中的剪应力的水平不断增加而形成的。模角度越小铆钉钉杆材料就越容易被挤入钉孔从而在铆钉和孔壁之间形成更大的干涉提高接头疲劳寿命。但在实际铆接工程中当铆模的角度小于15。时铆钉镦头不容易出模，因此铆模的最小角度为15。。4.4最佳干涉量的要求干涉量的大小，对于疲劳寿命有很大影响，干涉量过大或过小都不利。最佳的干涉量应达到以下几点。使应力的变化幅度减小到最小，同时减小平均应力；干涉量产生的预应力，不会引起结构变形；预应力小于产生应力腐蚀的临界值；干涉量大于孔切削刀痕的深度。4结论在国外该技术已应用于多种军、民用飞行器的装配生产，如空客A380、波音787等［23］，国外有关工艺参数研究的报道很少。而国内研究起步较晚，要使该技术真正应用于生产，首先应开展铆接工艺参数的探索。国内在电磁铆接方面主要集中于设备及原理的研究，对电磁铆接工艺参数只是定性的进行研究，没有针对生产问题给出定量的参数。随着国内航空业的发展，建立电磁铆接工艺参数库具有重要的意义。J.H.Deng,H.P.Yu,C.F.Li.Numericalandexperimentalinvestigationofelectromagneticriveting.MaterialsScienceandEngineeringA.P.B.Zieve.Lowvoltageelectromagneticriveter.Ph.D.DissertationofUniversityofWashington.1986.J.Hartmann.Developmentofthehandheldlowvoltageelectromagneticriveter.SAETechnicalPaperSeries902048.J.Hartmann,P.B.Zieve.RivetQualityinRoboticInstallation.FASTEC’89,Arlington,October,1989.DeVlieg,R.LightweightHandheldEMRwithSpring-DamperHandle[J].SAEAerofastConference,2000.BasilP.Letheris.MethodandApparatusforDrivingInterfer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