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　　為滿足大飛機高可靠性、長壽命的要求 ,復合材料、鈦合金等新材料在飛機結構中所占比例將愈來愈大。傳統(tǒng)鉚接工藝已難以滿足這些新材料的工藝要求。 20世紀 60年代美國波音公司為解決普通鉚接存在的問題 ,由 Schmitt等率先開始研究電磁鉚接技術 ,1968年申請了強沖擊電磁鉚接裝置的專利 [1]。20世紀 70年代格魯門公司為配合 F214的研制而研制了一種新的電磁鉚接裝置 (稱應力波鉚接設備 ),成功地解決了因干涉配合緊固件連接鈦合金結構和厚夾層結構所遇到的困難 ,取得了明顯的技術經濟效益 [2] ,由 Let heris申請了金屬成形方法和設備的專利 [3]。盡管電磁鉚接技術在鉚接難成形材料方面起到積極作用 ,但由于當時采用高電壓 (高達 10 000 V)鉚接 ,材料加載速率過高 ,鉚釘鐓頭容易出現微裂紋 ,并且設備體積龐大 ,加之人們對高電壓的恐懼心理使電磁
收稿日期 :2007208213 ;修訂日期 :2007211207基金項目 :航空科學基金 (02 H53060)通訊作者 :曹增強 E2mail : czq66326 @nwpu. edu. cn
鉚接技術一直未能得到廣泛應用。 1986年 Zieve研制成功低壓電磁鉚接 [4] ,解決了高壓電磁鉚接在鉚接質量及推廣應用方面存在的問題 ,從而使電磁鉚接技術得到較快發(fā)展。電磁鉚接技術已在波音、空客系列飛機制造中得到應用 [5] ,最新研制的 A380飛機也采用了電磁鉚接技術 [6]。電磁鉚接是一種新工藝 ,目前只有美國、俄羅斯和中國能夠制造電磁鉚接設備。本文結合民機制造的需要分析了電磁鉚接技術的特點 ,對其應用進行了研究。
1　干涉配合鉚接
干涉配合能提高結構疲勞壽命 ,已成為結構延壽的主要工藝方法。普通鉚接時釘桿膨脹不均勻 ,特別是對厚夾層結構 (加層厚度大于 4倍緊固件直徑 ),很難保證沿整個釘桿均有干涉 ,因而難以達到最佳疲勞壽命增益。電磁鉚接由于成形時間短 ,釘桿膨脹和鐓頭的成形幾乎同步完成 ,因而在釘桿和釘孔間形成的干涉量比較均勻 ,當釘孔間隙較大或夾層厚度較大時仍能實現干涉配合 , 接頭疲勞壽命長。

李志堯等[7 ]對 4 mm的 TB221鈦合金鉚釘分別采用電磁鉚接和錘鉚進行了鉚接 ,夾層厚度為 51 4 mm。鉚接后干涉量測量結果表明 ,電磁鉚接沿整個釘桿均有比較均勻的干涉量 ,而錘鉚在釘頭端是間隙配合 ,鐓頭端的干涉量已達 5%。對夾層厚度為 22 mm的 L Y12CZ板采用電磁鉚接后的測量結果表明 ,整個釘桿的干涉量為 01 58 %～11 32 %。美國 Elect roimpact公司安排不同的鉚工使用電磁鉚接設備進行實驗。結果表明電磁鉚接的干涉量均勻 ,并且鉚接質量不受操作者的影響 [8]。
圖 1和圖 2分別為 Lockheed公司和 Elec2 troim pact公司所做疲勞實驗結果 [8]。Lockheed公司選擇的最大應力為 76 MPa,應力比為 01 10。圖 1中的實驗 1所用鉚釘為 Lockheed LS15905E6 ,試件材料為 70752T6 ;實驗 2所用鉚釘為 Briles MS 14218E6 ,試件材料為 70752T6。 Electroimpact公司選擇的最大應力為 166 MPa ,應力比為 01 05。所用鉚釘為 Briles MS 14218 E6 ,試件材料為 20242T3。壓鉚采用自動鉆鉚機完成。
　　李志堯等所做疲勞對比實驗結果見表 1[7 ]。實驗最大應力為 98 MPa,應力比為 0110。鉚釘直徑 4 mm,材料為 TB221,采用雙釘單剪接頭。
表 1　李志堯等所做疲勞實驗結果 [7] (單位 :103 ) Table 1　Resultsof fatigue test done byLi Zhiyao[7] (Unit:103)
試件號  疲勞壽命
鉚接方法
1  2  3  4  5  6  7 平均值

壓鉚 56 40 53 40 77 56 60 47.8電磁鉚接 89 84 71 72 80 112 110 77.3
2　復合材料結構鉚接
復合材料具有許多優(yōu)異性能 ,因而在民機制造中得到廣泛應用。和金屬結構相比 ,連接是復合材料結構的薄弱環(huán)節(jié) ,結構破壞的 60 %～80 %發(fā)生在連接處。為防止沖擊損傷 ,復合材料結構制造中一般限制錘鉚方法。由于普通鉚接的釘桿膨脹不均勻

,為防止擠壓破壞 ,復合材料結構連接限制干涉配合。電磁鉚接是一種沖擊距離為零的
鉚方法。另外 ,電磁鉚接的釘桿膨脹均勻 ,用于復合材料結構鉚接可以防止擠壓破壞。因此 ,電磁鉚接技術可以用于復合材料結構連接。作為一種新的工藝方法 ,由于電磁鉚接的材料動力響應與普通鉚接不同 ,電磁鉚接的工藝參數必須通過工藝實驗研究。
21 1　鐓頭尺寸
復合材料結構鉚接的鐓頭尺寸至今還沒有一個統(tǒng)一的標準 ,使用單位一般都在采用自己企業(yè)的標準。文獻 [9]建議 TA1鉚釘在高強度碳纖維復合材料結構中鉚接時鐓頭直徑為 (11 40 ±01 10) d ( d為鉚釘直徑 ),鐓頭高度為 (01 50～01 65) d ,波音公司在用 BACR15CE鉚釘鉚接玻璃纖維和凱芙拉纖維復合材料結構時鉚釘鐓頭高度為 (01 30～01 40) d ,鐓頭直徑 11 30 d。纖維復合材料的脆性較大 ,更易發(fā)生擠壓破壞 ,因而鐓頭不宜過大。參照金屬結構的鉚接 ,并考慮到復合材料層壓板層間強度低的特點 ,鐓頭尺寸可考慮高度不小于 01 40 d ,直徑 11 30 d左右。強度實驗表明 [10] ,鐓頭直徑為 11 20 d時就可以滿足結構靜強度要求。
21 2　墊圈幾何構形設計
墊圈對保證復合材料結構的鉚接質量有重要作用。墊圈內徑決定墊圈和鉚接件共同吸收鉚釘變形功的能力 ,外徑影響墊圈在鉚釘鐓粗過程中 的抗破壞能力 ,厚度決定墊圈的剛度。金屬結構所用標準墊圈一般外徑較小 ,內徑較大 ,不能滿足復合材料結構鉚接的要求。

 

采用電磁鉚接技術鉚接復合材料結構 ,釘桿膨脹量測量結果表明 ,當墊圈外徑和厚度合適時 ,內徑比鉚釘直徑大 01 1 mm和 01 2 mm的墊圈均有較好的限制作用 ,墊圈內徑可選為 d + (01 1～ 01 2)mm ,在鉚接不銹鋼鉚釘時盡量選下限。建議鉚接時墊圈尺寸按表 2選取。
表 2　墊圈幾何尺寸選擇
Table 2　The dimensions of washer

鉚釘直徑 /mm 31 031 5410鈦合金或鈦合金或
墊圈材料鈦合金
不銹鋼不銹鋼
名義墊圈尺寸 31 131 6411
內徑
/ mm容差 +0102～ +0102～ +01 02～
+0106 +01 10 +01 10
名義墊圈尺寸 7 89
外徑 / mm容差 +015 +110 +11 0
墊圈最小
厚度 /mm 01 811 0

固件的安裝。安裝大干涉量緊固件或厚夾層結構時 ,為防止安裝損傷往往需將緊固件冷凍 ,安裝工藝非常復雜。
采用電磁鉚接設備安裝干涉配合緊固件時 ,由于加載速率極高 ,鉚接力在緊固件中以應力波的形式傳播。應力波是固體介質中能量傳播的一種形式。固體介質受到短歷時、高速率的突加載荷作用時 ,由于慣性 ,外載荷對介質的擾動以波的形式傳播 ,從而在介質中形成應力波。應力波在不同介質的界面上將發(fā)生反射。當一彈性應力波在有限長的金屬桿 (緊固件 )中傳播時 ,按應力波理論可知 :入射彈性波在緊固件的遠端 (自由端 )反射后 ,波的性質改變 ,即壓縮波變?yōu)槔�伸�?,而波形不變 ,根據泊松效應 ,緊固件徑向收縮。應力波在緊固件遠端產生彈性拉伸波不但使緊固件徑向收縮 “變細” ,同時克服緊固件與孔壁的摩擦阻力完成緊固件的安裝。由于緊固件的彈性收縮 ,
　
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