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1i是初级回路放电电流，2i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：（1.1）解得：（1.2）（1.3）（1.4）1211110021222100tdidiLMRiidtUdtdtCdidiLMRidtdt1()sintitIewt2()sin()itAIwt2221()wMARwL（1.5）其中M为互感系数，0UIwL，2LR1.2电磁铆接的基本参数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W为：（1.6）式中C为电容器电容量，U为铆接电压。由式(2.1)可以看出，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。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f为：（1.7）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225μf、1850μf、3500μf的3种电容器组进行铆接试验。当系统电感实测为50μh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212WCU12fLC21arctan()RwL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：（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](1)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[4]。(2)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]。(3)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。(4)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。(5)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2TLC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/t效率/个/分后坐力/KgHH3006.6mmAA70507.7--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。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，在充电设备和脉冲图2-1HH503铆枪截面图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