電磁鉚接技術(shù)

1、電磁鉚接技術(shù)發(fā)展概況摘要：對(duì)電磁鉚接技術(shù)的研究現(xiàn)狀作概述。介紹了電磁鉚接的基本原理及其特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外電磁鉚接設(shè)備的研究進(jìn)行了分析比較，討論了電磁鉚接工藝研究的意義以及工藝參數(shù)對(duì)電磁鉚接質(zhì)量的影響。隨著航空業(yè)的發(fā)展，電磁鉚接工藝參數(shù)的定量化勢(shì)必成為發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：電磁鉚接；鉚接質(zhì)量；工藝參數(shù)在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為增加飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高疲勞壽命，同時(shí)減輕飛機(jī)重量，大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。第4代戰(zhàn)斗機(jī)上鈦合金材料將占30以上，復(fù)合材料占4060。但由于復(fù)合材料易產(chǎn)生安裝損傷、分層等現(xiàn)象，大大限制了熱鉚方法的采用。同時(shí)，在新型飛機(jī)和大型運(yùn)載火箭中，由于大載荷的要求，越來越多地采用大直徑鉚釘。

2、并且，由于結(jié)構(gòu)開敝性限制，大功率壓鉚機(jī)在許多情況下無法工作，所以只能采用氣鉚。而氣鉚存在鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低下等問題。上述問題是目前普通鉚接方法無法避免的，因此，迫切需要采用新型的鉚接工藝來解決這些問題，電磁鉚接是電磁成形工藝的一個(gè)應(yīng)用，是作為解決上述難題而發(fā)展起來的一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使鉚釘發(fā)生塑性變形的新型鉚接方法。1 電磁鉚接原理電磁鉚接是利用初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間產(chǎn)生的渦流斥力使鉚釘發(fā)生塑性變形的一種新型鉚接工藝。加載速率高、應(yīng)變速率大，材料的變形方式與壓鉚等準(zhǔn)靜態(tài)加載方式不同，鉚釘釘桿變形均勻，可有效防止復(fù)合材料損傷，為鈦合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成

3、形提供了一種先進(jìn)的連接技術(shù)。目前，該技術(shù)已在航天航空工業(yè)制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，波音、空客等飛機(jī)制造中均采用這一技術(shù)1。1.1 電磁鉚接成形原理電磁鉚接的基本原理同電磁成形，只是在次級(jí)線圈和工件之間加了一個(gè)應(yīng)力波放大器，電磁鉚接原理圖如圖1-1。圖1-1 電磁鉚接原理圖如圖所示在開關(guān)閉合的瞬間，電容器組進(jìn)行放電，在初級(jí)線圈中產(chǎn)生脈沖電流，脈沖電流在初級(jí)線圈中激發(fā)出強(qiáng)磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律進(jìn)而在次級(jí)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在次級(jí)線圈中產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用在耦合的線圈之間產(chǎn)生渦流斥力，渦流斥力在應(yīng)力波放大器中經(jīng)過不斷的反射和透射，將放大了的力作用在鉚釘上進(jìn)行鉚接。電磁鉚接初級(jí)線圈和次級(jí)

4、線圈的耦合電路圖如圖1-2所示。初級(jí)電路是電磁成形系統(tǒng)回路，包括儲(chǔ)能電容器，感應(yīng)線圈，R1是系統(tǒng)電阻；次級(jí)電路是感應(yīng)回路（渦流）R2是工件電阻，L2是回路電感；M是互感系數(shù)。C-儲(chǔ)能電容器 R1-初級(jí)電路電阻 L1-系統(tǒng)電感R2-次級(jí)電路電阻 L2-次級(jí)電路電感圖1-2 電磁鉚接雙回路模型 如上圖所示，設(shè)是初級(jí)回路放電電流，是感應(yīng)回路電流。根據(jù)克?；舴蚨?，兩個(gè)回路的微分方程為：（1.1）解得：（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）其中M為互感系數(shù)，1.2 電磁鉚接的基本參數(shù)電磁鉚接的基本原理是通過線圈放電，將電容器中儲(chǔ)存的電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在放大器的輸入端形成歷時(shí)極短、強(qiáng)度高的應(yīng)力脈沖，

5、應(yīng)力脈沖以彈性波形式在放大器中傳播并被放大，隨后又被傳播給鉚釘，從而完成鉚釘?shù)乃苄宰冃?。單次放電電容器?chǔ)存的能量W 為：（1.6）式中C 為電容器電容量，U 為鉚接電壓。由式(2.1)可以看出，單次放電電容器儲(chǔ)存的能量與電容器電容量、鉚接電壓成正比。由于現(xiàn)在電磁鉚接設(shè)備大都采用低電壓，為了獲得鉚釘成形所需的能量(對(duì)于常用的鉚釘，鉚接設(shè)備儲(chǔ)存能量一般為幾千焦耳)，在降低鉚接電壓的同時(shí)必然要增加電容器的電容量。如采用脈沖電容器，由于其電容量小，要想獲得比較大的電容量，則勢(shì)必要增加電容器的體積，這顯然不合適。而電解電容器由于其容量高、體積小、成本低，可以滿足低電壓電磁鉚接設(shè)備的要求。電磁鉚接設(shè)備采用

6、低電壓主要是為了降低放電電流頻率，消除由于電壓高引起的高放電頻率，高放電頻率會(huì)導(dǎo)致鉚接后在鉚釘鐓頭處產(chǎn)生微裂紋或剪切破壞的現(xiàn)象。因此，選擇放電電流頻率的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)就是使得鉚接時(shí)鉚釘鐓頭不產(chǎn)生微裂紋或剪切破壞。電磁鉚接放電電流頻率f 為：（1.7）式中，C 為電容器電容量， L 為系統(tǒng)電感。從式(2.2)中可以看出，放電頻率的大小取決于系統(tǒng)電感、電容器電容量，由于系統(tǒng)電感主要由放電線圈的電感量決定，一般不易改變，因此，要想獲得比較小的放電頻率，只有增加電容器的電容量。為了選擇合適的放電頻率，西北工業(yè)大學(xué)曹增強(qiáng)等曾對(duì)成形性較差的TB2-1 鉚釘分別采用電容量為225f、1850f、3500f 的

7、3 種電容器組進(jìn)行鉚接試驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)電感實(shí)測(cè)為50h 時(shí)，放電電流頻率分別為1600HZ、600HZ、400HZ，通過對(duì)鉚釘鐓頭金相組織進(jìn)行觀察，當(dāng)電流頻率為1600HZ 時(shí)，鉚釘鐓頭有明顯的微裂紋；電流頻率為600HZ 時(shí)，鉚釘鐓頭沒有微裂紋，但是有明顯的剪切帶；電流頻率為400HZ 時(shí)，鐓頭沒有微裂紋，剪切帶也不明顯。由此可見，400HZ的電流頻率比較合適，因此，對(duì)于低壓電磁鉚接設(shè)備，所選取的放電電流頻率一般情況下不高于400HZ。在沖擊載荷下，如果材料出現(xiàn)了局部化變形，這種在高應(yīng)變率下的局部化變形可能使該區(qū)域溫度明顯升高，溫度上升到一定數(shù)值時(shí)會(huì)造成材料的軟化，超過了材料由于變形造成的硬化，

8、那么這種局部的變化會(huì)以反饋的方式發(fā)展，這就是剪切帶成形的機(jī)理。電磁鉚接屬于沖擊載荷，在鉚接的過程中加載速率非常高，材料以絕熱剪切的方式產(chǎn)生塑性變形，鉚釘材料的應(yīng)變率很大，一般在幾百微秒到幾毫秒內(nèi)材料就會(huì)產(chǎn)生30%-50%的應(yīng)變，其應(yīng)變率要比普通鉚接高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。大量的研究表明，在高速變形時(shí)，加載速率會(huì)對(duì)鉚釘材料的變形和鉚接質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。鉚釘變形主要在脈沖電流的第一個(gè)半波周期內(nèi)完成，電流周期T 為：（1.8）式中，L 為鉚接設(shè)備的電感值，C 為鉚接設(shè)備的電容量。L 由初級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)和尺寸決定，當(dāng)線圈確定后，整個(gè)系統(tǒng)的電感值也就確定，一般不易調(diào)整。因此要選擇不同的加載速率，只能依靠調(diào)整鉚接

9、設(shè)備的電容值。試驗(yàn)表明，電磁鉚接時(shí)，隨著加載速率的提高，在鉚釘材料中產(chǎn)生的剪切帶逐漸發(fā)展，剪切帶內(nèi)的變形量也逐漸增大，鉚釘鐓頭出現(xiàn)微裂紋。為了提高鉚接質(zhì)量，電磁鉚接時(shí)加載速率不能過高。1.3 電磁鉚接特點(diǎn)相比于普通鉚接，電磁鉚接有以下一些優(yōu)點(diǎn)23 (1)效率高。普通鉚接時(shí)一般都要進(jìn)行多次錘擊，不僅造成材料冷作硬化，而且費(fèi)力費(fèi)時(shí)，鉚接質(zhì)量受操作工人的技術(shù)水平限制。而電磁鉚接中渦流斥力在應(yīng)力波放大器中放大后，一次成形，成形質(zhì)量主要受鉚接工藝的影響。選擇合適的鉚接參數(shù)，可以使鉚接效果達(dá)到預(yù)期的效果4。(2)噪聲小，安全性高。普通鉚接時(shí)噪聲可高達(dá)140dB會(huì)對(duì)工人的聽力系統(tǒng)造成傷害，許多工廠采用輪班制

10、來彌補(bǔ)該方面的不足。而電磁鉚接的峰值噪音一般小于90 dB，并且持續(xù)時(shí)間短，其連續(xù)噪聲等級(jí)遠(yuǎn)小于普通鉚接5。(3)干涉配合鉚接。普通鉚接時(shí)釘桿膨脹不均勻，很難保證釘桿沿整個(gè)長(zhǎng)度有均勻的干涉量，不能提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命，而電磁鉚接成形速度快，釘桿膨脹和鐓頭幾乎同時(shí)形成，在連接件和鉚釘之間形成均勻的干涉量，提高接頭疲勞壽命。(4)復(fù)合材料鉚接?，F(xiàn)在飛機(jī)制造中大量采用復(fù)合材料，復(fù)合材料具有許多優(yōu)異的性能，但普通鉚接時(shí)容易造成擠壓破壞。由于電磁鉚接具有屈強(qiáng)比高避免了普通鉚接時(shí)的問題。(5)應(yīng)用電磁鉚接原理的電磁鉚槍工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)脈沖力，但鉚槍后端有緩沖裝置因此后坐力很小。電磁鉚槍可以手持進(jìn)行鉚接，操作

11、方便靈活，不受空間開敞性的影響。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀格魯門宇航公司是世界上最早研究電磁鉚接技術(shù)的公司，70年代中期格魯門公司為配合F-14的研制而發(fā)明了一種單槍電磁鉚接裝置成功地解決了因干涉配合緊固件連接鈦合金結(jié)構(gòu)和厚夾層結(jié)構(gòu)所遇到的困難，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。隨后幾年，Letheris一直從事電磁鉚接技術(shù)研究，先后申請(qǐng)了應(yīng)力波安裝干涉配合緊固件6、發(fā)生應(yīng)力波的線圈7、應(yīng)力波制孔8等專利，接著又對(duì)電磁鉚接的質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明，電磁鉚接能顯著提高接頭疲勞壽命，在有預(yù)制裂紋的試件孔中，采用這種方法進(jìn)行干涉配合鉚接能延緩疲勞裂紋的增長(zhǎng).但該公司沒有將電磁鉚接設(shè)備

12、進(jìn)一步發(fā)展。波音公司為解決錘鉚中存在的問題，由Huber A Schmitt等人首先開始摸索電磁鉚接技術(shù)。經(jīng)過幾年的努力，研制成功了高電壓手提式鉚接設(shè)備的電磁鉚接裝置。1986年波音公司在波音767的制造中開始采用電磁鉚接設(shè)備完成一些難成形材料鉚釘?shù)你T接。使用雙槍進(jìn)行液密干涉配合鉚接，己納入工藝說明BAC-5047。在80年代，波音公司曾將電磁鉚槍裝到自動(dòng)鉆鉚機(jī)上使用。大約在1994年，波音公司開始在新型737飛機(jī)機(jī)身上使用電磁鉚接技術(shù)。洛克西德公司在80年代初采用了格魯門公司的電磁鉚接設(shè)備鉚接碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，代替價(jià)值昂貴的特種緊固件。該公司采用電磁鉚接技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的干涉配合進(jìn)行了研究。

13、結(jié)果表明，采用電磁鉚接技術(shù)是既能防止安裝損傷又能取得干涉配合效益的有效途徑。麥道公司現(xiàn)在應(yīng)用低電壓的電磁鉚接技術(shù)，工作電壓一般低于500V，生產(chǎn)說明書DPS3.67-27詳細(xì)說明了電磁鉚接的操作規(guī)程。麥道公司將電磁鉚接技術(shù)主要用于鋁合金和鋁鈦合金的冠狀鉚釘、120埋頭鉚釘和平錐頭鉚釘。Gemcor公司是生產(chǎn)自動(dòng)鉆鉚機(jī)的專業(yè)廠家，能生產(chǎn)多種型號(hào)的自動(dòng)鉆鉚機(jī)。作為自動(dòng)鉆鉚機(jī)的配套技術(shù)，他們也在研究電磁鉚接技術(shù)。Electroimpact公司專門從事低壓電磁鉚接設(shè)備的研究開發(fā)和生產(chǎn)。低電壓的采用，降低了設(shè)備的成本，提高了設(shè)備的壽命和安全系數(shù)2，在80年代中期研制成功手提式電磁鉚接設(shè)備，80年代末期研

14、制成功低電壓電磁鉚接設(shè)備。該公司現(xiàn)在已開始了計(jì)算機(jī)控制和低電壓電磁自動(dòng)鉚接機(jī)的工程化研究工作。該機(jī)器是為英國(guó)宇航公司自動(dòng)化生產(chǎn)空中客車系列運(yùn)輸機(jī)翼面而研制的，重為50噸，可鉚接12.5mm的鉚釘，工作電壓一般低于500V 。表2-1給出了Electroimpact公司研制的手提式低電壓電磁鉚接設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)915。表2-1Electroimpact公司手持式低電壓電磁鉚接設(shè)備915型號(hào)鉚接能力鉚槍重量/Kg最大鉚接力/t效率/個(gè)/分后坐力/KgHH3006.6mmAA70507.7-偏大HH4008mmAA211734-HH5009.5mmAA705081.713.510偏大HH5509.5m

15、mAA70501081810-HH5039.5mmAA70502113.310很小HH55311.0mmAA705050-Electroimpact公司最新的手持式低電壓電磁鉚接設(shè)備HH50316,坐力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了彈簧減振機(jī)構(gòu)，不僅將整個(gè)系統(tǒng)重量減輕了將近75%，而且對(duì)后坐力吸收的效果也大大改善，可用于無頭鉚釘、環(huán)槽鉚釘和鎖緊螺栓的安裝。鉚槍截面圖如圖2-1所示。圖2-1 HH503鉚槍截面圖俄羅斯對(duì)電磁鉚接技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，并運(yùn)用在伊爾-86等飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭的裝配生產(chǎn)上，先后開發(fā)和生產(chǎn)了yMK-6AM、YMK-8、yMKKC、MMK-6等型號(hào)的50余臺(tái)低電壓（鉚槍工作電壓不

16、超過380V)電磁鉚接設(shè)備。俄羅斯研制的配備加熱系統(tǒng)和低電壓電磁鉚接動(dòng)力頭的YMKKCH、yMKKCH-3型自動(dòng)鉚接設(shè)備已用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室筒體CrNi鋼鉚釘?shù)淖詣?dòng)熱鉚。20世紀(jì)90年代中后期又研制了一套長(zhǎng)度達(dá)12m的自動(dòng)電磁鉚接裝配系統(tǒng)，用于飛行器圓筒型壁板的自動(dòng)化裝配。日本從80年代以來，在電磁成形方面投入大量的人力和財(cái)力，取得了大量的研究成果。在電磁成形工藝及理論研究方面發(fā)表了許多文章，在充電設(shè)備和脈沖線圈的制造方面也申請(qǐng)了許多專利。但到目前為止，還沒有電磁鉚接方面的報(bào)導(dǎo)。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)從60年代中期開始，對(duì)電磁成形工藝進(jìn)行過初步研究，后來研究工作中斷了。從80年代中期開始，一些

17、高校和研究所陸續(xù)開始了這方面的研究，雖然在電磁成形理論方面的研究起步較晚，但在應(yīng)用方面已研究出了一些試驗(yàn)性的電磁鉚接設(shè)備，如機(jī)械工業(yè)部五十九所的MF-16K 電磁成形機(jī)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的電磁成形機(jī)、西北工業(yè)大學(xué)的電磁鉚接設(shè)備等，并已成形出一些合格的產(chǎn)品零件。佘公藩1981年開始進(jìn)行電磁鉚接技術(shù)的研究，并研制了電磁鉚接設(shè)備。進(jìn)入九五后，曹增強(qiáng)等人對(duì)電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，并對(duì)低電壓電磁鉚接技術(shù)也進(jìn)行了初步的研究。高彬采用有限元方法對(duì)應(yīng)力波安裝干涉配合緊固件的過程進(jìn)行了模擬，對(duì)應(yīng)力波安裝過程獲得一定新的認(rèn)識(shí)。為跟蹤國(guó)外先進(jìn)水平，解決高壓電磁鉚接質(zhì)量、設(shè)備的安全可靠性等方面存在的問題，西

18、工大對(duì)低壓電磁鉚接技術(shù)進(jìn)行了初步研究，已研制成功低壓電磁鉚接設(shè)備。該設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為便攜式結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)20kg左右的手提箱組成，可在車間方便移動(dòng)，工作電壓在450V以下。設(shè)備最大存儲(chǔ)能量為22kJ，根據(jù)鉚釘?shù)牟煌?，可選用不同規(guī)格的鉚槍。2006年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開始進(jìn)行電磁鉚接設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及工藝研究。于2008年研制成功了380V低電壓電磁鉚接設(shè)備可實(shí)現(xiàn)6mm高強(qiáng)度鋁合金鉚釘和直徑35mrn鈦合金鉚釘?shù)你T接。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，所研制的設(shè)備安全可靠，操作簡(jiǎn)潔方便。各種保護(hù)措施完備，具體參數(shù)如下：(1)額定儲(chǔ)能6.4/9.6 kJ；(2)額定電壓380V：(3)電源電壓380V：(4)能實(shí)現(xiàn)6

19、/8mm高強(qiáng)度鋁合金鉚釘及相應(yīng)鈦合金鉚釘?shù)你T接：(5)對(duì)于6mm鋁合金鉚釘，加工速率8-10次/分鐘。3 電磁鉚接工藝研究意義及方法3.1 電磁鉚接工藝研究意義目前，航天航空飛行器朝著輕量化、大型化和整體化的方向發(fā)展。由于技術(shù)條件限制，新型結(jié)構(gòu)還難以實(shí)現(xiàn)完全整體化，因而不可避免地采用多種連接方法，如焊接、螺接和鉚接等。其中鉚接方法使飛行器外表面相對(duì)光滑，易于消除應(yīng)力集中，有利于減小高速飛行時(shí)的空氣阻力；同時(shí)鉚接結(jié)構(gòu)適用范圍廣，因此是目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械連接方法之一。隨著航空業(yè)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)可靠性、壽命以及安全性的要求越來越高，特別是在民機(jī)方面有更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故

20、起因于結(jié)構(gòu)連接部位，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處，而這很大程度上是由于裝配過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力引起的，可見連接質(zhì)量極大的影響著飛機(jī)的使用壽命1718。干涉配合有利于提高結(jié)構(gòu)的可靠性以及疲勞壽命，而普通鉚接工藝無法形成均勻的干涉量限制了這一技術(shù)的使用。電磁鉚接作為一種新型的鉚接工藝，鉚接時(shí)間短，鉚釘桿膨脹和鐓頭成形幾乎同時(shí)完成，因此可形成均勻的干涉量，提高飛機(jī)的壽命及可靠性。就整個(gè)飛機(jī)制造過程和工藝工作內(nèi)容而言，鉚接裝配占有十分重要的地位。據(jù)一般估計(jì)，在現(xiàn)階段飛機(jī)裝配勞動(dòng)量約占整個(gè)飛機(jī)制造勞動(dòng)量的50%左右，其中鉚接裝配勞動(dòng)量不低于30%。普通鉚接時(shí)需要多次敲擊，效率低并且噪聲大對(duì)工人的健

21、康造成危害。采用電磁鉚接，鉚接一次成形，顯著提高了生產(chǎn)效率，鉚接質(zhì)量不再受工人操作水平的限制，提高了鉚接質(zhì)量。在現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電磁鉚接技術(shù)發(fā)展落后，主要是在高校進(jìn)行電磁鉚接設(shè)備的研制，國(guó)產(chǎn)電磁鉚接設(shè)備還未投入使用。對(duì)電磁鉚接技術(shù)的研究主要集中于理論分析，只是定性的分析不同參數(shù)例如電容、電感、以及鉚模鉚釘參數(shù)等對(duì)電磁鉚接的影響，對(duì)這些參數(shù)還未進(jìn)行定量研究，沒有精確值。并且不同的鉚接設(shè)備鉚接時(shí)的工藝參數(shù)不盡相同。針對(duì)飛機(jī)制造的需要，大型飛機(jī)制造公司不得不從國(guó)外購買電磁鉚接設(shè)備，但由于技術(shù)保密，對(duì)鉚接工藝需要進(jìn)行自行研究。3.2 電磁鉚接工藝研究的主要方法3.2.1解析計(jì)算法在鉚釘成形過程中，位于鉚接件

22、孔中釘桿部分是封閉的鐓粗方式，并同鉚接件一起變形，而鐓頭處釘桿部分屬于敞開的鐓粗方式。因此，鉚釘變形的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)復(fù)雜，鉚釘?shù)捏w積變形分布也很不均勻。在塑性變形過程中，不但鉚釘材料的組織和物理力學(xué)性能發(fā)生較大變化，而且鉚釘各個(gè)部分的強(qiáng)化程度也不同，因而使分析工作變得更復(fù)雜。盡管根據(jù)一個(gè)物體的變形方式可建立足夠數(shù)量的方程式，并且在給定的邊界條件下它們的應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)解原則上都可得到，但是在數(shù)學(xué)上困難非常大，一般不能得出有實(shí)用價(jià)值的解?，F(xiàn)有方法(塑性平衡近似方法、材料阻力法、特征方法和變分法)中最可接受的實(shí)用計(jì)算方法是變分法。這種方法是尋求某一個(gè)積分式有極值的函數(shù)。求極值的積分式可用變形能(功)或

23、用和它成比例的值來表達(dá)。依照連續(xù)介質(zhì)(固體)力學(xué)的能量原理可得到相應(yīng)的變分式。也就是說，能量原理允許用變分計(jì)算方法直接求解，以代替用平衡微分方程求積分的方法19。3.2.2 試驗(yàn)分析法這種方法是通過對(duì)特定材料條件和尺寸條件的鉚釘進(jìn)行鉚接試驗(yàn)條件，例如改變充電電壓，改變鉚接速度，采用不同角度的鉚模等，對(duì)鉚釘進(jìn)行金相分析，從而研究鉚釘在不同鉚接工藝條件下的微觀形變，改變工藝對(duì)成形后的區(qū)域晶粒的影響，從而獲得鉚釘在不同鉚接工藝條件下的成形規(guī)律以提高鉚接質(zhì)量2021。3.2.3 數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法的思路是借助一些有限元分析軟件建立電磁鉚接過程的數(shù)值模型。通過單軸拉伸、雙向拉伸或動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)得到

24、材料的性能參數(shù)，輸入到有限元模型中，通過數(shù)值模擬分析影響鉚釘成形過程的各種因素22。4 電磁鉚接工藝參數(shù)對(duì)鉚接質(zhì)量的影響4.1 放電電壓和電容對(duì)連接的影響放電電壓是決定電磁鉚接放電能量最重要的參數(shù)。通過對(duì)放電電壓的調(diào)節(jié)研究鉚釘?shù)淖冃危谴_定成形電壓最直接的方式，也是電磁鉚接工藝最易調(diào)節(jié)的參數(shù)之一。隨著放電電壓升高，鉚釘變形量增大。釘頭高度減小，釘頭直徑增加。電容值是決定放電能量的另一重要參數(shù)，同時(shí)放電頻率的大小取決于放電電容值大小。通過改變放電電容值，亦可研究放電電流頻率對(duì)鉚釘變形的影響，從而確定最佳的放電頻率，優(yōu)化成形參數(shù)。隨著電容值增加，鉚釘變形量增大。隨著放電電容值增加，放電電流周期變長(zhǎng)

25、，鉚模與鉚釘端面接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，即增加了應(yīng)力波在鉚釘內(nèi)的傳播時(shí)間，在相同能量下提高了能量利用率，使鉚釘變形程度增加。同時(shí)，電容的并聯(lián)使系統(tǒng)電阻降低，有利于增加鉚接力，使其能量利用率提高。在電容值可達(dá)到較大值的條件下，采用較小的放電電壓來完成鉚釘成形，可以有效地保護(hù)放電線圈，避免被擊穿，有利于延長(zhǎng)放電線圈的使用壽命。4.2 釘桿長(zhǎng)度對(duì)鉚接質(zhì)量的影響鄧將華等對(duì)沉頭120°鉚釘做實(shí)驗(yàn)研究了釘桿長(zhǎng)度對(duì)鋁合金與復(fù)合材料鉚接試樣的鉚釘成形釘頭處、鉚釘釘桿與鋁合金板連接處和鉚釘釘桿與復(fù)合材料連接處三處的影響，為了敘述方便，上述三個(gè)位置分別用圖3-1位置1、2、3 代替。圖4-1 鋁合金-復(fù)合材料鉚

26、接試樣不同位置觀察示意圖不同釘桿長(zhǎng)度下，在位置1 處均出現(xiàn)明顯的剪切帶，剪切帶是一個(gè)變形高度集中的區(qū)域，這是由于變形過程中材料流動(dòng)的不均勻性造成的。在鉚釘變形過程中，存在軸向流動(dòng)和徑向流動(dòng)，劇烈的材料流動(dòng)將產(chǎn)生大量的熱量。由于電磁鉚接過程很快，在幾百微秒內(nèi)完成鉚釘?shù)某尚巍Ｔ谌绱硕痰臅r(shí)間內(nèi)，由于大變形產(chǎn)生的大量熱量來不及散出，將引起材料局部溫升，這一溫升又反過來加劇了該區(qū)域材料的塑性流動(dòng)。當(dāng)局部熱軟化效應(yīng)超過應(yīng)變硬化效應(yīng)時(shí)，金屬變形出現(xiàn)失穩(wěn)，大部分塑性變形都集中在狹窄的區(qū)域內(nèi)。變形中塑性功轉(zhuǎn)變成的熱量大部分滯留在這一區(qū)域，該塑性流動(dòng)局域化區(qū)域即為絕熱剪切帶。在剪切帶內(nèi)部晶粒被劇烈拉長(zhǎng)，而在剪切帶

27、兩側(cè)晶粒變化不明顯。在位置2 處，鉚釘釘桿變形均勻，鉚釘與鋁合金板緊密連接，形成良好的干涉配合連接。在位置3 處，鉚釘與復(fù)合材料形成良好連接，對(duì)復(fù)合材料的擠壓程度小，不易損傷復(fù)合材料，未出現(xiàn)復(fù)合材料分層和開裂，能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的無損傷鉚接。不同釘桿長(zhǎng)度下，鉚釘釘桿均勻性均較好，隨著鉚釘釘桿長(zhǎng)度增加，釘桿均勻性略有下降，但差別很小。在成形鉚釘釘頭處出現(xiàn)明顯的剪切帶; 在鉚釘釘桿與鋁合金板連接處，鉚釘與鋁合金板緊密連接;在鉚釘釘桿與復(fù)合材料連接處，鉚釘與復(fù)合材料形成良好連接，對(duì)復(fù)合材料的擠壓程度小。4.3 鉚模傾角對(duì)鉚接質(zhì)量的影響鉚模角度對(duì)鉚釘鐓頭的主應(yīng)力和主應(yīng)變有明顯影響。隨著鉚模角度減小和鉚模深

28、度加大，鐓頭成形過程中的平均應(yīng)變減小。在成形后期當(dāng)鐓頭材料溢出鉚模時(shí)，就會(huì)形成卷邊，鐓頭材料的溢出是由于不斷增加的主應(yīng)變導(dǎo)致了卷邊，而主應(yīng)變的增加是由于附近剪切區(qū)中的剪應(yīng)力的水平不斷增加而形成的。模角度越小鉚釘釘桿材料就越容易被擠入釘孔從而在鉚釘和孔壁之間形成更大的干涉提高接頭疲勞壽命。但在實(shí)際鉚接工程中當(dāng)鉚模的角度小于15o時(shí) 鉚釘鐓頭不容易出模，因此鉚模的最小角度為15o。4.4 最佳干涉量的要求干涉量的大小，對(duì)于疲勞壽命有很大影響，干涉量過大或過小都不利。最佳的干涉量應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)。a使應(yīng)力的變化幅度減小到最小，同時(shí)減小平均應(yīng)力；b干涉量產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形；c預(yù)應(yīng)力小于產(chǎn)生應(yīng)

29、力腐蝕的臨界值；d干涉量大于孔切削刀痕的深度。4 結(jié)論在國(guó)外該技術(shù)已應(yīng)用于多種軍、民用飛行器的裝配生產(chǎn)，如空客A380、波音787 等23，國(guó)外有關(guān)工藝參數(shù)研究的報(bào)道很少。而國(guó)內(nèi)研究起步較晚，要使該技術(shù)真正應(yīng)用于生產(chǎn)，首先應(yīng)開展鉚接工藝參數(shù)的探索。國(guó)內(nèi)在電磁鉚接方面主要集中于設(shè)備及原理的研究，對(duì)電磁鉚接工藝參數(shù)只是定性的進(jìn)行研究，沒有針對(duì)生產(chǎn)問題給出定量的參數(shù)。隨著國(guó)內(nèi)航空業(yè)的發(fā)展，建立電磁鉚接工藝參數(shù)庫具有重要的意義。1 J.H. Deng, H.P. Yu, C.F. Li. Numerical and experimental investigation of electromagnet

30、ic riveting. Materials Science and Engineering A.2 P.B. Zieve. Low voltage electromagnetic riveter. Ph. D. Dissertation of University of Washington. 1986.3 J. Hartmann. Development of the handheld low voltage electromagnetic riveter. SAE Technical Paper Series 902048.4 J.Hartmann, P.B. Zieve. Rivet

31、Quality in Robotic Installation. FASTEC89, Arlington, October, 1989.5 DeVlieg, R. Lightweight Handheld EMR with Spring-Damper Handle J. SAE Aerofast Conference，2000.6 Basil P. Letheris. Method and Apparatus for Driving Interference-fit FastenersP. US Patent，No.39451097 Basil P. Letheris. Stres Wave

32、Generating CoilP. US Patent，No.40912608 Basil P. Letheris. Method and Apparatus for Working a HoleP.US Patent，No .41202989 P.B. Zieve, J.Hartmann. High Force Density Eddy Current Driven Actuator.IEEE Transactions on Magnetics. 1988.10 J.Hartmann, P.B. Zieve. Rivet Quality in Robotic Installation. SM

33、E Technical Paper Series AD89-64011 J.Hartmann, M.Assadi, S.Tomchick. Low Voltage Electromagnetic Lockbolt Installation. SAE Technical Paper Series 92240612 P.B.Zieve, L.Durack, B. Huffer. Advanced EMR Technology. SAE Technical Paper Series92240813 J.Hartmann, T.Brown. Integration and Qualification

34、of the HH500 Hand Operated Electromagnetic Riveting System on the 747 Section 11. SAE Technical Paper Series 93176014 P.B.Zieve, S.Tomchick, R. Flynn. Implementation of the HH550 Electromagnetic Riveter and Multi-Axis Manlift for Wing Panel Pickup. SAE Technical Paper Series 961883.15 R.C.Devlieg. Lightweight Handheld EMR with Spring-Damper Handle. SAE Technical Paper Series 2000-01-3013.