航空学报08大飞机专刊(39)

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　　为满足大飞机高可靠性、长寿命的要求 ,复合材料、钛合金等新材料在飞机结构中所占比例将愈来愈大。传统铆接工艺已难以满足这些新材料的工艺要求。 20世纪 60年代美国波音公司为解决普通铆接存在的问题 ,由 Schmitt等率先开始研究电磁铆接技术 ,1968年申请了强冲击电磁铆接装置的专利 [1]。20世纪 70年代格鲁门公司为配合 F214的研制而研制了一种新的电磁铆接装置 (称应力波铆接设备 ),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 [2] ,由 Let heris申请了金属成形方法和设备的专利 [3]。尽管电磁铆接技术在铆接难成形材料方面起到积极作用 ,但由于当时采用高电压 (高达 10 000 V)铆接 ,材料加载速率过高 ,铆钉镦头容易出现微裂纹 ,并且设备体积庞大 ,加之人们对高电压的恐惧心理使电磁
收稿日期 :2007208213 ;修订日期 :2007211207基金项目 :航空科学基金 (02 H53060)通讯作者 :曹增强 E2mail : czq66326 @nwpu. edu. cn
铆接技术一直未能得到广泛应用。 1986年 Zieve研制成功低压电磁铆接 [4] ,解决了高压电磁铆接在铆接质量及推广应用方面存在的问题 ,从而使电磁铆接技术得到较快发展。电磁铆接技术已在波音、空客系列飞机制造中得到应用 [5] ,最新研制的 A380飞机也采用了电磁铆接技术 [6]。电磁铆接是一种新工艺 ,目前只有美国、俄罗斯和中国能够制造电磁铆接设备。本文结合民机制造的需要分析了电磁铆接技术的特点 ,对其应用进行了研究。
1　干涉配合铆接
干涉配合能提高结构疲劳寿命 ,已成为结构延寿的主要工艺方法。普通铆接时钉杆膨胀不均匀 ,特别是对厚夹层结构 (加层厚度大于 4倍紧固件直径 ),很难保证沿整个钉杆均有干涉 ,因而难以达到最佳疲劳寿命增益。电磁铆接由于成形时间短 ,钉杆膨胀和镦头的成形几乎同步完成 ,因而在钉杆和钉孔间形成的干涉量比较均匀 ,当钉孔间隙较大或夹层厚度较大时仍能实现干涉配合 , 接头疲劳寿命长。

李志尧等[7 ]对 4 mm的 TB221钛合金铆钉分别采用电磁铆接和锤铆进行了铆接 ,夹层厚度为 51 4 mm。铆接后干涉量测量结果表明 ,电磁铆接沿整个钉杆均有比较均匀的干涉量 ,而锤铆在钉头端是间隙配合 ,镦头端的干涉量已达 5%。对夹层厚度为 22 mm的 L Y12CZ板采用电磁铆接后的测量结果表明 ,整个钉杆的干涉量为 01 58 %～11 32 %。美国 Elect roimpact公司安排不同的铆工使用电磁铆接设备进行实验。结果表明电磁铆接的干涉量均匀 ,并且铆接质量不受操作者的影响 [8]。
图 1和图 2分别为 Lockheed公司和 Elec2 troim pact公司所做疲劳实验结果 [8]。Lockheed公司选择的最大应力为 76 MPa,应力比为 01 10。图 1中的实验 1所用铆钉为 Lockheed LS15905E6 ,试件材料为 70752T6 ;实验 2所用铆钉为 Briles MS 14218E6 ,试件材料为 70752T6。 Electroimpact公司选择的最大应力为 166 MPa ,应力比为 01 05。所用铆钉为 Briles MS 14218 E6 ,试件材料为 20242T3。压铆采用自动钻铆机完成。
　　李志尧等所做疲劳对比实验结果见表 1[7 ]。实验最大应力为 98 MPa,应力比为 0110。铆钉直径 4 mm,材料为 TB221,采用双钉单剪接头。
表 1　李志尧等所做疲劳实验结果 [7] (单位 :103 ) Table 1　Resultsof fatigue test done byLi Zhiyao[7] (Unit:103)
试件号  疲劳寿命
铆接方法
1  2  3  4  5  6  7 平均值

压铆 56 40 53 40 77 56 60 47.8电磁铆接 89 84 71 72 80 112 110 77.3
2　复合材料结构铆接
复合材料具有许多优异性能 ,因而在民机制造中得到广泛应用。和金属结构相比 ,连接是复合材料结构的薄弱环节 ,结构破坏的 60 %～80 %发生在连接处。为防止冲击损伤 ,复合材料结构制造中一般限制锤铆方法。由于普通铆接的钉杆膨胀不均匀

,为防止挤压破坏 ,复合材料结构连接限制干涉配合。电磁铆接是一种冲击距离为零的
铆方法。另外 ,电磁铆接的钉杆膨胀均匀 ,用于复合材料结构铆接可以防止挤压破坏。因此 ,电磁铆接技术可以用于复合材料结构连接。作为一种新的工艺方法 ,由于电磁铆接的材料动力响应与普通铆接不同 ,电磁铆接的工艺参数必须通过工艺实验研究。
21 1　镦头尺寸
复合材料结构铆接的镦头尺寸至今还没有一个统一的标准 ,使用单位一般都在采用自己企业的标准。文献 [9]建议 TA1铆钉在高强度碳纤维复合材料结构中铆接时镦头直径为 (11 40 ±01 10) d ( d为铆钉直径 ),镦头高度为 (01 50～01 65) d ,波音公司在用 BACR15CE铆钉铆接玻璃纤维和凯芙拉纤维复合材料结构时铆钉镦头高度为 (01 30～01 40) d ,镦头直径 11 30 d。纤维复合材料的脆性较大 ,更易发生挤压破坏 ,因而镦头不宜过大。参照金属结构的铆接 ,并考虑到复合材料层压板层间强度低的特点 ,镦头尺寸可考虑高度不小于 01 40 d ,直径 11 30 d左右。强度实验表明 [10] ,镦头直径为 11 20 d时就可以满足结构静强度要求。
21 2　垫圈几何构形设计
垫圈对保证复合材料结构的铆接质量有重要作用。垫圈内径决定垫圈和铆接件共同吸收铆钉变形功的能力 ,外径影响垫圈在铆钉镦粗过程中 的抗破坏能力 ,厚度决定垫圈的刚度。金属结构所用标准垫圈一般外径较小 ,内径较大 ,不能满足复合材料结构铆接的要求。

 

采用电磁铆接技术铆接复合材料结构 ,钉杆膨胀量测量结果表明 ,当垫圈外径和厚度合适时 ,内径比铆钉直径大 01 1 mm和 01 2 mm的垫圈均有较好的限制作用 ,垫圈内径可选为 d + (01 1～ 01 2)mm ,在铆接不锈钢铆钉时尽量选下限。建议铆接时垫圈尺寸按表 2选取。
表 2　垫圈几何尺寸选择
Table 2　The dimensions of washer

铆钉直径 /mm 31 031 5410钛合金或钛合金或
垫圈材料钛合金
不锈钢不锈钢
名义垫圈尺寸 31 131 6411
内径
/ mm容差 +0102～ +0102～ +01 02～
+0106 +01 10 +01 10
名义垫圈尺寸 7 89
外径 / mm容差 +015 +110 +11 0
垫圈最小
厚度 /mm 01 811 0

固件的安装。安装大干涉量紧固件或厚夹层结构时 ,为防止安装损伤往往需将紧固件冷冻 ,安装工艺非常复杂。
采用电磁铆接设备安装干涉配合紧固件时 ,由于加载速率极高 ,铆接力在紧固件中以应力波的形式传播。应力波是固体介质中能量传播的一种形式。固体介质受到短历时、高速率的突加载荷作用时 ,由于惯性 ,外载荷对介质的扰动以波的形式传播 ,从而在介质中形成应力波。应力波在不同介质的界面上将发生反射。当一弹性应力波在有限长的金属杆 (紧固件 )中传播时 ,按应力波理论可知 :入射弹性波在紧固件的远端 (自由端 )反射后 ,波的性质改变 ,即压缩波变为拉伸波 ,而波形不变 ,根据泊松效应 ,紧固件径向收缩。应力波在紧固件远端产生弹性拉伸波不但使紧固件径向收缩 “变细” ,同时克服紧固件与孔壁的摩擦阻力完成紧固件的安装。由于紧固件的弹性收缩 ,
　
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