基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法.pdf

航空学报 A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r O n a u t i c aS i n i c a M a r 2 52 0 1 6V 0 1 3 7N o 31 0 4 9 1 0 5 9 I S S N1 0 0 0 - 6 8 9 3C N11 - 1 9 2 9 V h t t p ：H h k x b b u a a e d u c nh k x b b u a a e d u c n 基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法 左杨杰，曹增强* ，杨柳，臧传奇 西北工业大学机电学院，西安 7 1 0 0 7 2 摘要：铆接干涉量均匀度是影响飞行器装配接头疲劳寿命、结构铆接变形的重要因素之一。为了提高铆接干涉量均 匀度，采用基于应力波加载的电磁铆接双面铆接方法，对对称加载的铆接工艺方法进行了研究。利用应力波传播和叠加 原理对对称加载的钉杆应力水平进行理论分析，试验测量了电磁力应力波及其叠加效应。通过工艺试验和微观分析，研 究了对称加载方法对铆接质量的影响。研究结果表明：对称加载方法下，双向应力波同步触发，脉冲宽度相等，钉杆理论 应力水平高于单面加载；在对称应力波作用下，整体钉杆干涉量均匀，并形成有效干涉，钉头与夹层贴合紧密；对称加载 钉孔绝对干涉量更大，平均干涉量大于单面加载1 4 ，干涉量均匀度高出单面加载3 7 5 ，有利于实现连接结构的疲劳 寿命增益；对称加载方法引起的结构件铆接变形量小于单面加载，更容易保证装配件外形准确度。 关键词：对称加载；铆接；干涉配合；干涉量；均匀度；疲劳寿命 中图分类号：V 2 6 1 7 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 6 8 9 3 ( 2 0 1 6 ) 0 3 1 0 4 9 1 1 干涉配合是目前飞机制造中提高接头寿命最 有效的方法之一 1 。2 ，但普通铆接方法中钉杆变形 不均匀，形成的干涉配合难以达到最佳疲劳寿命 增益口 。普通铆接方法钉杆变形不均匀亦是结构 件产生铆接变形的主要原因，影响装配件外形准 确度H 与 。对于复合材料结构，干涉量不均匀直接 造成复合材料分层或挤压破坏，很大程度上限制 了干涉配合铆接技术在复合材料结构中的应 用 。此外由于大承载能力的要求，部分连接结 构不得不使用大直径( 6m m ) 、大长径比铆 钉p 。8 ，普通铆接方法在这种厚夹层架构的钉头附 近产生的干涉量很小甚至没有干涉量，难以实现 连接结构最佳疲劳寿命增益L 3J 。 为了解决干涉量不均匀的问题，人们发明了 无头铆钉，可明显提高钉杆膨胀均匀度1 9 。10 | 。中 国民用飞机A R J 2 l 机翼制造过程中大量使用无 头铆钉，其铆接工作量占铆接工作总量的8 0 以 上口1 I 。但无头铆钉铆接需要自动钻铆设备完成， 成本高昂。目前，铆接依然是飞机制造过程中使 用最广泛的连接方法之一 5 7 | ，包括压铆、气动铆 接和电磁铆接等。压铆一般使用液压机加载，加 载力大，铆钉成形均匀，但设备笨重、成本较高，工 作环境受限n 。气动铆接设备结构简单，操作方 便，是装配车间使用最广泛的铆接方法，但钉杆膨 胀均匀度差，接头疲劳寿命低。 电磁铆接具有干涉量均匀的优点口12 。1 3 。李 志尧等n 43 通过实验证明了电磁铆接T B 2 铆钉、 大长径比铝合金铆钉的均匀度高于气动铆接，连 接件疲劳寿命高于压铆7 2 ，用于纤维增强复合 材料既能形成干涉量又能防止损伤。张岐良 等口明通过数值模拟，证明了电磁铆接T B 2 铆钉 的均匀度高于压铆。电磁铆接既可单面加载，亦 收稿E t 期：2 0 1 5 0 1 3 0 ；退修E t 期：2 0 1 5 - 0 2 2 6 ；录用日期：2 0 1 5 0 4 2 7 ；网络出版时间：2 0 1 5 - 0 5 - 2 5 1 0 ：0 1 网络出版地址：W W Wc n k in e t k c m s d e t a i l 1 1 1 9 2 9 V2 0 1 5 0 5 2 51 0 0 1 ，0 0 7h t m l 基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目( 2 0 1 5 K T C Q 0 1 - 8 3 ) ；航空科学基金( 2 0 1 5 Z E 5 3 0 6 5 ) * 通讯作者T e l ：0 2 9 8 8 4 9 4 4 5 4E m a i l ：c z q 6 6 3 2 6 n w p ue d u C n 引用格武；左扬杰，曹增强，杨柳等基f 对称加载的均匀f 涉配合铆接方法J 航空学报2 0 1 6 3 7 ( 3 ) ：1 0 4 9 - 1 0 5 9 Z U OY J ， C A OZQ ，Y A N GL ，e ta 1 I n t e r f e r e n c e f i te v e n n e s sr i v e t i n gm e t h o db a s e do ns y m m e t r i c a lI o a d i n g ( J J A c t aA e r o n a u t i c ae tA s t r o n a u t i c aS i n i c a ，2 01 6 ，3 7 ( 3 ) ：1 0 4 9 1 0 5 9 万方数据 航空学报 M a r 2 52 0 1 6V O I 3 7N o 3 可双面对称加载。双面对称加载时应力波对钉头 和镦头同时实施轴向对称加载，双向应力波在钉 杆内发生正向线性叠加，在叠加应力波的作用下 钉杆镦粗变形。对称加载方法完全不同于目前的 普通铆接，但目前对称加载方法的应力波叠加效 应、铆接质量等尚不完全清楚。为提高铆接干涉 量均匀度，本文利用应力波传播和叠加原理对对 称加载方法的钉杆应力水平进行了分析，试验测 量应力波及其叠加效应。利用对比试验和微观分 析综合研究了对称加载对铆接质量及铆接件变形 的影响。 1 对称加载方法 1 1 对称加载原理 盹) = F s i 1 叫一丽2 L C ( 2 ) 式中：L 为放电回路电感；C 为放电回路电容量。 对称加载方法中，l 号、2 号电磁铆枪串联，放电线 圈流过相同的脉冲电流，1 号、2 号铆枪同步激发 等脉冲宽度铆接力。由于加工误差的存在，1 号、 2 号电磁铆枪性能不完全相同，铆接力峰值存在 差异。则1 号电磁铆枪加载应力波为 0 1 一鬲E ls i n ( 叫) ( 3 ) 2 号电磁铆枪加载应力波为 盯2 一 s i n G o t ) ( 4 ) 式中：F 。为1 号电磁铆枪铆接力峰值；F 。为2 号 电磁铆枪铆接力峰值；A 。为铆钉横截面积。 S t r i g g e rC a p a c i t o r 图1对称加载原理 F i g 1P r i n c i p l eo fs y m m e t r i c a ll o a d i n g 1 2 钉杆应力水平分析 电磁力应力波加载模型如图2 所示，图中：盯。 为应力波透射波；巩为应力波反射波；A 。为铆模 横截面积；L 1 7 为钉杆截面到钉头端面的距离；L ， 为钉杆长度；工、为电磁力应力波传播过 程中第1 4 次反射和透射；纵坐标为时间，横坐 标为钉杆截面到钉头端面的距离z 。首先对单 面应力波加载进行分析：2 号电磁铆枪应力波盯。 由界面2 沿钉杆方向传播到界面1 发生透射和反 射，产生透射波m 和反射波西。c r 2 发生第一次透 射和反射时，透射波钆。和反射波 ，满足I - 1 6 ： r 2 A 】伪C 2 0 t 2 1 一A lp 1 C a q 。- A 2 p 一2C z 口2 A 2 P 2 C 2 一A l p l C l a r z l A l p 1 C 1 q - A 。z p 2 一C z 盯2 式中：P 1 、I D ：分别为铆钉、铆模的密度；C ，、C ：分别 为应力波在铆钉、铆模中的传播速度。简化式( 5 ) 可得 ( 盯。2 I ，仃，2 1 ) 一仃2 ( k 。，k ，) ( 6 ) 式中：k 。为应力波透射系数；k ，为应力波反射系 数。因为A ： A ，l D 。C ： 1 0 。C 。，所以k ，( O ， 1 ) ，即反射波乳。与盯：同号亦为压缩波。反射波 知，在界面1 发生第2 次透射和反射，其中： ( 盯。2 2 ，仃，2 2 ) 一盯2 ( k t k ，k ：)( 7 ) 以此类推，应力波在铆模与铆钉接触面发生第 i 次透射和反射时，透射波眈。和反射波西：。满足： ( 盯，2 。，盯，2 。) 一盯2 ( 是 1 k 。，k ；)( 8 ) 又因为数值上C 1 L ，即0 - x 2 口L 2 ，其 万方数据 左杨杰，等：基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法 飞 季 ， ， 1 萋 ， 1 1 ， 1 r n O 丌- f l l n 2d l e F 。r m l n gd i ex m E | 、 7tmVetl - hi 、 巳一 。 L l ， 图一9电磁力f - t J 波加载模，叫 F i g 2E l e c t r o m a g n e t i cs t r e s sw a v el o a d i n gm o d e l s 中毗为单面加载下距离钉头端面z 处的应力， O L r ，z 为单面加载下钉杆中间位置的应力。在铆接 加载过程中，每一级别反射波均为压缩波，应力波 发生正向线性叠加。结合式( 5 ) ，单面加载下z 处 截面应力可简化为 波对钉头端钉杆进行应力幅值补偿，保证钉头端 钉杆塑性变形所需应力水平，钉杆整体膨胀将更 加均匀。 2 电磁力应力波测量 以z 一象塞( 铀i n ( 叫( 卜掣半) ) ) 2 。测- 方法 式中：一垡三去卫生o ；咒为应力波发生反射的 总次数。 对称加载时，1 号电磁铆枪、2 号电磁铆枪应 力波盯。、盯：和各级反射波均为压缩波，钉杆内应力 波发生正向线性叠加。口，、口。的脉冲宽度、触发时 间相同，传播方向相反，忽略钉头与钉杆的面积变 化，此时z 处截面应力d 。可简化为 以一半塞( 硌i n ( 叫( r 一鼍半) ) ) ( 1 0 ) 由式( 9 ) 和式( 1 0 ) 可知：对称加载方法下，钉杆具 有更高的理论应力水平，钉杆材料更容易达到屈 服极限发生塑性变形。在电磁力应力波上升沿加 载阶段，单面加载钉杆局部应力水平沿镦头端向 钉头端降低，对称加载钉杆局部应力水平由两端 向中间降低。当铆钉镦头端发生塑性变形时，由 于能量损耗，镦头端加载的应力波幅值将沿镦头 端向钉头端进一步减弱，此时钉头端加载的应力 为了进一步了解对称加载方法下应力波加载 过程，对电磁铆枪产生的应力波进行测量，图3 为 测量方法示意图。放电线圈对电磁铆枪放电，电 磁应力波传人细长钢杆中，钢杆发生弹性变形，粘 贴在钢杆中间位置的应变片测量应变，并将应变 信号传人处理系统进行处理。根据胡克定律可得 盯一匪( t ) 式中：盯为电磁力应力波；E 为钢杆的弹性模量； e ( ) 为钢杆测量位置的应变一时间函数。 R S t r i g g e rC a p a c i t o r 图3电磁力应力波测量模型 F i g 3E l e c t r o m a g n e t i cs t r e s sw a v er e c o r d i n gm o d e 万方数据 航 空 学报 使用西北工业大学生产的E M R 一5 5 0 手持式 电磁铆接设备，单枪质量为5k g ，分别对1 号电磁 铆枪、2 号电磁铆枪的电磁力应力波进行测量，对 对称加载方法下叠加应力波进行测量。为了测量 完整的电磁力应力波，放电电容量选择正常铆接 电容量的1 1 2 ，以减小应力波脉冲宽度。E M R 一 5 5 0 手持式电磁铆接设备参数满足：C 一1 6m F 为放电电容量；R 一2 3m f l 为放电回路电阻；U 一 7 5 0V 为放电电压；D 。一7 0m m 为初级