双金属铆钉特点及安装工艺技术.pdf

ADVANCED ASSEMBLY PROCESS
先进装配工艺
双金属铆钉特点及安装工艺技术
Features and Installation Technology of the Bimetal Rivets
中航工业北京航空制造工程研究所孙小雯刘风雷刘健光王立东
[摘要]双金属铆钉是一种铆接过程中钉杆不变
形的新型钟钉,适用于复合村料等结构的连接。钟钉既1双金属钟钉的发展与应用
具有较高的抗剪性能,又具有良好的铆接性能,还具有
在国外,双金属铆钉最早是美国原 Cherry公司于
重量轻、成本低、装配简单等特点,已经在航空航天等部上世纪八十年代开发的产品,可替代双件套的抗剪型钛
门获得了应用。结合国内外双金属铆钉的发展状况,简合金高锁螺栓和抗剪型钛环槽铆钉。1974年美国对双
单阐述其性能与结构特点,并简要介绍其安装工艺技金属铆钉申请了专利,Cap、 Roland Howard、 Alazraki
术
Marcos Daniel等人描述了双金属铆钉铆接前后的结构
关键词:双金属铆钉钛合金钛铌合金惯性摩形状,对双金属铆钉不同焊缝位置形状进行了总结,列
擦焊接复合材料结构
举了球形焊缝、弯曲焊缝、环形焊鏠三种不同焊缝位置
LABSTRACT] Bimetal rivets are new fasteners形状,并认为球形焊缝最经济实惠且易于加工成型,环
designed for composites stuctures or others which the形焊缝形状最难成型?。199年,美国航天工业协会
shank has no deformation. The rivets combine a high shear制定了 AIA/NAS NASM83459双金属铆钉产品标准与技
strength shank with a ductile tai. They have the character-术规范,规定了双金属铆钉尺寸标准与质量标准。2006
istics of light weight、 low coast and simple in assembly,年,美国 cherry公可专门制定了不同型号的双金属铆钉
which had been used in the department of aerospace.Com-尺寸标准和技术规范,为双金属铆钉的研制提供了重要
bining with the development of bimetal rivets in foreign参考与理论依据。目前,双金属铆钉在美国被应用于
and domestic, simply described their performance、 struc-F-15、F-14、B-2、F-22以及直升机、发动机的钛合金、
tural features and installation technology.
复合材料结构上,例如:F-14战斗机机翼前缘使用了
Keywords: Bimetal rivets Titanium alloys Tita-4000只该双金属铆钉,减轻了飞机结构重量,降低了成
nium- niobium alloys Inertia friction welding Com-本。双金属铆钉不仅在军用飞机上取得了应用,并且
posites stuctures
波音公司在民用飞机中也选用了该双金属铆钉连接复
合材料结构。近年来我国也相继研制开发了该型双金
随着航空科技不断发展,宇航飞行器越来越多地使属铆钉,已经在新一代飞机的复合材料蒙皮铆接中获得
用复合材料来提高宇航飞行器的先进程度,因此复合了工程应用。2008年中国航空工业标准件制造有限责
材料结构的连接技术对飞机结构的安全和效率至关重任公司与中国航空综合技术研究所通过摩擦焊的方法
要。由于复合材料在连接、装配、使用中易产生一系列
问题,如复合材料有层间剪切强度低、抗冲击能力差、抗
拉脱强度低、塑性低等弱点,从电位和比强度炳个方面
进行考虑,复合材料的结构连接最好选用具有密度低、
比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁等优良性能的钛合金紧
固件。双金属铆钉是连接复合材料等结构的一种
新型钛合金紧固件,铆接时钉杆不变形,不易引起复合
材料层压板孔内壁及表皮的损伤,并且剪切强度高,可
替代抗剪型钛高锁螺栓,具有众多优良的性能。本文
旨在对双金属铆钉的应用、特点、安装工艺等作简要阐
图1试制样品
述。
Fig 1 Trial sample
2014年第21期?航空制造技术125
万方数据
先进装配工艺
ADVANCED ASSEMBLY PROCESS
共同研制出一种双金属铆钉并申请专利技术,其轴向抗或锤铆的方式进行铆接,适用于飞机某些安装空间小的
拉强度最低可以达到550MPa,剪切强度达到650MPa?。部位的连接。
2010年,贵州航天精工制造有限公司也研制出一种双
在双金属铆钉的制造方面,要求既要保证钉杆和钉
金属铆钉,其中,钉杆选用抗拉强度大于110MPa的高尾的焊接质量和强度要求,又不能使金属大量外溢进而
强度金属材料,钉尾选用抗拉强度小于550MPa的低强影响了整体长度。此外,由于紧固件直径较小,还需要
度金属材料。近年,北京航空制造工程研究所也开始保证界面金属的可控性。其中,惯性摩擦焊接头具有质
了双金属铆钉标准件的研制工作,试制的产品如图1所量好且稳定、生产效率高、不需添加金属、环保无污染等
特点叫,是国外普遍采用的焊接双金属铆钉的方法。目
前世界上紧固件生产公司普遍采购MTI公司生产的小
2双金属铆钉特点
型惯性摩擦焊机进行双金属铆钉钉杆和钉尾的焊接,工
目前 Cherry公司已经研制了多种型号的双金属鉚艺已经成熟。
钉,有普通型的,也有大干涉型的,头型有沉头和平头
的,产品形状如图2所示。
3双金属钉安装工艺
双金属铆钉和普通实心铆钉对于复合材料机械连
接的工艺有显著不同。在复合材料上安装普通铆钉时,
为防止产生产品分层的缺陷,孔的加工要求高,普通铆
钉的钉杆膨胀不均匀,复材板易受损,接头疲劳寿命短。
图23种型号双金属铆钉
对比双金属铆钉在铆接时钉杆不向外膨胀,即不对孔壁
Fig2 Three kinds of bimetal rivets
产生挤压,复材只受到垂直于板材表面方向上的挤压
双金属铆钉的主要特点是适用于复合材料结构的力,避免了复材板受撞击和孔壁因钉杆的胀粗而受损的
铆接,原因一是在铆接过程中,钉杆不变形,不会引起层情况,因此复材的铆接应优先选择双金属铆钉。双金
压板的开裂,避免了复材板受撞击和孔壁因钉杆的胀粗属铆钉的制孔要求可以借鉴美国 Cherry:公司应用的标
而受损的情况;二是双金属铆钉钛合金材料的正电位性准,沉头窝深度B与直径C、制孔直径D、沉头孔圆角R、
与碳纤维复合材料相匹配,可以有效地防止紧固件的电平头孔圆角P等尺寸公差需要按标准制定,以保证铆钉
偶腐蚀,保证了接头质量,提高了连接件的使用寿命四。安装质量,制孔尺寸位置如图4所示。
在选材方面,双金属铆钉的特点是钉杆材料为TC4合
普通铝合金等材料的铆钉的标准镦头尺寸,HB/Z
金,钉尾材料为Ti-45Nb合金。钉杆TC4经固溶和时效
100°土1
处理后抗剪强度高,可达655MPa以上,抗拉强度可达
1100MPa以上;钉尾钛铌合金塑性高,冷加工性能优异