鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究

西北工業(yè)大學(xué) 方 俊 曹增強(qiáng)

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 陳允全 秦龍剛 陳麗麗 徐 菁

相對(duì)于螺接而言，鉚接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、適用范圍廣、費(fèi)用低，是目前最為廣泛的連接方法之一[1]。在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為減輕結(jié)構(gòu)重量而大量采用鈦合金，從而引起大量鈦合金緊固件的采用[2]。干涉配合連接能大幅度提高接頭疲勞壽命，是目前提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命最有效的工藝方法之一[3]，但我國(guó)目前飛機(jī)制造的干涉配合鉚接工藝僅僅應(yīng)用在鋁合金結(jié)構(gòu)。為滿足新機(jī)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)要求，本文開展了鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接工藝研究。

在新機(jī)研制中，為保持電位匹配，防止電位腐蝕，鈦合金結(jié)構(gòu)的鉚接一般選用鈦鉚釘。由于鈦合金鉚釘冷塑性差、應(yīng)變率敏感、屈強(qiáng)比高、成形困難，因此實(shí)際生產(chǎn)采用熱鉚。而熱鉚存在加熱不均、接觸點(diǎn)易燒蝕、操作不方便等缺點(diǎn)，無(wú)法保證飛機(jī)鉚接的效率和鉚接質(zhì)量。電磁鉚接是一種新型鉚接工藝，適合鈦合金等屈強(qiáng)比高、難成形材料鉚釘?shù)你T接[4]。我國(guó)也已研制成功固定式、手持式電磁鉚槍，但仍存在一些問(wèn)題。由于目前的電磁鉚槍體積還比較大，對(duì)不開敞性結(jié)構(gòu)的鉚接有一定局限性。而傳統(tǒng)的氣動(dòng)鉚槍體積較小，使用靈活，操作簡(jiǎn)單，與其相應(yīng)的頂鐵也可以做成各式各樣的形狀來(lái)滿足不開敞性結(jié)構(gòu)的鉚接需要，目前國(guó)內(nèi)各主要飛機(jī)廠廣泛使用。鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接目前在我國(guó)還是一個(gè)空白。

本文采用錘鉚法進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究，通過(guò)試驗(yàn)選擇合適的干涉配合鉚接工藝參數(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

某型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司研制的鈦鈮鉚釘，主要有φ3.5mm和φ4mm兩種。夾層材料為TC4-M鈦合金板。

1.2 試驗(yàn)方法

要實(shí)現(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)的干涉配合鉚接，首先需要確定合適的鉚接工藝參數(shù)。一般鉚接工藝參數(shù)包括釘孔間隙、鉚釘外伸量和干涉量。本文采用普通錘鉚進(jìn)行工藝參數(shù)研究，鉚接方式為正鉚。由于錘鉚利用鉚槍的活塞撞擊鉚釘，在鉚釘?shù)牧硪欢擞身旇F頂住，使釘桿鐓粗，形成鐓頭，故選擇合適功率的鉚槍對(duì)鉚接質(zhì)量有很大影響。目前應(yīng)用最普遍的青島前哨風(fēng)動(dòng)工具廠的不同功率槍式鉚槍參數(shù)見表1，圖1為不同型號(hào)的氣動(dòng)鉚槍。由于鈦合金成形性差，采用鋁鉚釘結(jié)構(gòu)鉚接用功率的鉚槍一般難以順利成形鈦鉚釘。采用不同功率的鉚槍鉚接發(fā)現(xiàn)，型號(hào)為M0601/4X鉚槍提供鉚接力過(guò)小，鉚釘成形困難，且成形鐓頭為喇叭形；型號(hào)為M0901/9X鉚槍則功率較大，鉚接后試件出現(xiàn)變形；而型號(hào)為M0801/7X鉚槍提供鉚接力較合適，鉚接后鐓頭成形及試件表面質(zhì)量均良好。故后續(xù)試驗(yàn)將采用型號(hào)為M0801/7X鉚槍進(jìn)行鉚接。

表1 不同功率氣動(dòng)鉚槍參數(shù)

圖1 不同功率氣動(dòng)鉚槍Fig.1 Pneumatic riveting guns with different power

干涉配合鉚接中反映釘桿膨脹情況的是釘桿各個(gè)部位的干涉量，干涉量是衡量鉚釘與夾層材料連接緊密程度的參數(shù)。為了便于比較，常常用干涉量與緊固件安裝孔直徑的比值來(lái)表示，稱為相對(duì)干涉量I′，下文所述干涉量均指相對(duì)干涉量，即

I′= I/D = ((d-D)/D)×100%

式中，I為干涉量，mm；d為緊固件公稱直徑，mm；D為緊固件安裝孔公稱直徑，mm。

鉚接成形后，鉚釘釘桿軸向不同位置的徑向膨脹量是不相同的，為了反映鉚接干涉量的均勻程度需要測(cè)定鉚釘不同部位的干涉量，筆者按照平錐頭鉚釘干涉配合鉚接工藝規(guī)范，采用橫切法測(cè)量圖2所示的1、2、3這3個(gè)部位的干涉量[5]。

圖2 干涉配合鉚接干涉量測(cè)量部位Fig.2 Measuring position of interference-fit riveting

2 結(jié)果與分析

2.1 干涉量的選擇

材料不同，可獲得的干涉量值不同。板硬釘軟，干涉量小；板軟釘硬，干涉量大[6]。由文獻(xiàn)[5]可知目前鋁合金構(gòu)件給定干涉量范圍為0.08%～5%，但在這個(gè)范圍內(nèi)接頭疲勞壽命將會(huì)有較大的變化，結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)最佳疲勞壽命增益。文獻(xiàn)[7]指出鋁合金構(gòu)件干涉量在2%～3%時(shí)疲勞壽命增益最大，而合金鋼構(gòu)件干涉量在1.5%左右時(shí)能獲得最大疲勞壽命。

在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求被鉚接件為TC4-M型號(hào)鈦板，緊固件為鈦鈮鉚釘。而鈦鈮鉚釘屈服強(qiáng)度僅有414MPa，靜拉伸強(qiáng)度為448MPa；夾層材料TC4鈦合金板屈服強(qiáng)度約為900MPa，靜拉伸強(qiáng)度為950MPa。由于鈦鈮合金屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TC4鈦合金屈服強(qiáng)度(約為其50%左右)，鈦鈮鉚釘材料在風(fēng)動(dòng)鉚槍作用下對(duì)夾層材料的擠壓作用有限，導(dǎo)致難于形成較大干涉量。通過(guò)之前外伸量和釘孔間隙等工藝參數(shù)的研究可得，針對(duì)TC4型號(hào)鈦板和鈦鈮鉚釘所得到的有效干涉量基本在0.5%～1.0%范圍內(nèi)，由于被鉚接件和鉚接件強(qiáng)度不匹配，故只能達(dá)到目前干涉量范圍。從實(shí)現(xiàn)最大疲勞壽命增益看，推薦合適的干涉量范圍為0.8%～1.0%。

2.2 釘孔間隙對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

鉚釘變形受孔徑影響較大，釘孔間隙過(guò)大時(shí)，鉚接相當(dāng)于自由鐓粗，無(wú)法形成干涉配合，影響連接件強(qiáng)度和抗疲勞壽命；釘孔間隙過(guò)小，則有可能對(duì)試件造成初始損傷，而且會(huì)使鉚釘安裝困難。筆者參考文獻(xiàn)[5]，對(duì)φ3.5和φ4不同型號(hào)鉚釘選取預(yù)置孔徑，如表2所示。

表2 不同型號(hào)鉚釘參數(shù)及夾層厚度

圖3為φ3.5和φ4鉚釘不同間隙與鉚釘成形關(guān)系示意圖，反映了不同孔徑下鉚釘?shù)恼w成形均勻性情況。由圖3可知，兩種鉚釘?shù)母缮媪慷茧S著釘孔間隙增大呈減小趨勢(shì)，在釘孔間隙為0.05mm和0.08mm時(shí)整體干涉量成形都較均勻；當(dāng)兩種鉚釘在最大釘孔間隙時(shí)鉚釘膨脹量均勻性都較差。

圖3 不同釘孔間隙下鉚接后相對(duì)干涉量Fig.3 Relative interference under different hole clearance after riveting

φ3.5鉚釘不同間隙下干涉量具體分布如下：間隙0.05mm時(shí)干涉量最大且主要集中在0.95%～1%；間隙0.08mm時(shí)干涉量略有下降但差別較小，干涉量主要集中在0.87%～0.95%；當(dāng)間隙為0.13mm時(shí)干涉量下降較大且不穩(wěn)定，基本在0.6%～0.8%內(nèi)分布。φ4鉚釘不同間隙下干涉量具體分布如下：間隙0.05mm時(shí)干涉量最大且主要集中在0.92%～1%；同樣間隙0.08mm時(shí)干涉量略有下降但差別較小，干涉量分布穩(wěn)定主要集中在0.9%～0.95%；間隙0.15mm時(shí)干涉量顯著下降且均勻性較差，干涉量在0.45%～0.65%內(nèi)波動(dòng)。兩種鉚釘在間隙0.05mm和0.08mm時(shí)，干涉量大小分布都相差不大，但在實(shí)際操作過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)在間隙0.05mm時(shí)，由于間隙過(guò)小鉚釘膨脹后對(duì)釘孔擠壓變形過(guò)大，造成相鄰孔徑夾層間出現(xiàn)錯(cuò)位，使安放鉚釘困難。

圖4為鉚釘鉚接后不同位置釘桿直徑與釘孔間隙關(guān)系圖(橫坐標(biāo)的1、2、3分別代表鐓頭附近、釘桿中間位置和釘頭附近的測(cè)量點(diǎn))，用來(lái)反映單個(gè)鉚釘成形情況?？芍獌煞N鉚釘釘桿的直徑都隨著釘孔間隙的增大而增加，但從單個(gè)鉚釘成形均勻性看，在不同間隙下均勻性都較差，呈錐形即靠近釘頭膨脹最小而鐓頭處膨脹最大，這與錘鉚時(shí)釘桿成形規(guī)律一致。從圖4也可看出兩種鉚釘在間隙0.05mm和0.08mm時(shí)釘桿膨脹均勻性差別不大但均好于最大間隙時(shí)。通過(guò)圖3和圖4分析可得，φ3.5和φ4鉚釘最佳釘孔間隙都為0.08mm，從加工工藝可行性及制孔精度考慮，建議實(shí)際釘孔尺寸以(0.08±0.02)mm為宜。

圖4 鉚接后不同位置測(cè)量的釘桿直徑Fig.4 Measuring rivet shank diameters of different positions after riveting

2.3 外伸量對(duì)鉚接質(zhì)量的影響

釘桿外伸部分的材料是用來(lái)填充釘孔及形成鐓頭的，外伸量過(guò)小，材料不夠，不能形成完整的鐓頭，從而影響構(gòu)件強(qiáng)度；外伸量過(guò)大，鐓頭尺寸過(guò)大，增加結(jié)構(gòu)重量，且在鉚接過(guò)程中成形后的鐓頭容易打偏。不同型號(hào)鉚釘對(duì)應(yīng)外伸量及夾層厚度參數(shù)見表3。依據(jù)文獻(xiàn)[8]，將鐓頭尺寸和形狀作為外伸量選取評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，鉚接后鐓頭尺寸標(biāo)準(zhǔn)為鐓頭直徑在(1.5±0.1)d，且鐓頭高度不小于0.4d。由釘孔間隙參數(shù)選擇得到最佳釘孔間隙為0.08mm，以下外伸量研究均在該間隙下進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

圖5為φ3.5和φ4鉚釘不同外伸量與釘桿整體膨脹關(guān)系圖，可見外伸量的大小對(duì)鉚釘干涉量影響較大。外伸量分別為 0.97d、1.1d、1.2d、1.3d 時(shí)的φ3.5 鉚釘和外伸量分別為0.95d、1.04d、1.2d、1.32d時(shí)的φ4鉚釘?shù)恼w膨脹都較均勻，而當(dāng)兩種鉚釘在最大外伸量時(shí)鉚釘膨脹均勻性都顯著下降；在干涉量成形較均勻的外伸量中，兩種鉚釘干涉量都隨著外伸量增大呈增大趨勢(shì)。

表 3 不同型號(hào)鉚釘對(duì)應(yīng)外伸量及夾層厚度

圖5 不同外伸量下鉚接后的相對(duì)干涉量Fig.5 Relative interference under different overhanging after riveting

φ3.5鉚釘具體干涉量分布如下：外伸量0.97d時(shí)干涉量最小，基本分布在0.2%～0.3%內(nèi)；外伸量1.1d時(shí)干涉量明顯增大，基本分布在0.7%～0.8%；外伸量1.2d和1.3d時(shí)干涉量分布基本相同，主要集中在0.9%～1%。φ4鉚釘具體干涉量分布如下：外伸量0.95d時(shí)干涉量最小，集中分布在0.1%～0.2%內(nèi)；外伸量1.04d時(shí)干涉量增大，基本在0.5%～0.6%分布；外伸量1.2d和1.3d時(shí)干涉量分布基本相同，主要集中在0.9%～1%。兩種鉚釘在最大外伸量時(shí)形成干涉量都不穩(wěn)定，其中φ3.5鉚釘干涉量基本在0.5%～0.8%內(nèi)分布，φ4鉚釘干涉量基本在0.5%～0.85%內(nèi)變動(dòng)。

圖6為鐓頭高度與外伸量關(guān)系圖，其中不同外伸量下鐓頭直徑都分布在1.4～1.6d內(nèi)，圖中虛線為鐓頭成形所需最小高度。由圖6可知，φ3.5鉚釘和φ4鉚釘鐓頭高度都隨著外伸量增大而增大，兩種鉚釘在最大外伸量時(shí)鐓頭高度變化較大，其余外伸量下鐓頭高度都較穩(wěn)定。在最大外伸量下觀察鐓頭外觀，發(fā)現(xiàn)大部分鐓頭打偏，而其余外伸量下鐓頭外觀成形較好，此外兩種鉚釘在最小外伸量下鐓頭高度均未達(dá)標(biāo)。由圖5、圖6分析可得兩種鉚釘合適外伸量均為(1.2～1.3)d。

圖6 不同外伸量下鉚釘鐓頭成形Fig.6 Rivet head forming with different overhanging

3 結(jié)論

(1)由于鈦合金鉚釘冷塑性差、應(yīng)變率敏感、屈強(qiáng)比高、成形困難，故選取不同功率氣動(dòng)鉚槍對(duì)鉚接質(zhì)量影響很大，筆者從鉚接成形質(zhì)量、工作強(qiáng)度及鉚接效率等方面綜合考慮，建議選用M0801/7X槍式風(fēng)動(dòng)鉚槍實(shí)現(xiàn)φ3.5和φ4鈦鈮鉚釘與鈦合金板的鉚接。

(2)通過(guò)研究鉚釘工藝參數(shù)對(duì)干涉量影響可知，在釘孔間隙取(0.08±0.02) mm時(shí)外伸量在(1.2～1.3) d內(nèi)，鉚釘φ3.5和φ4的鉚接質(zhì)量良好，鉚接后成形干涉量都達(dá)到最大0.8%～1.0%且鉚釘整體釘桿膨脹較均勻，形成的鐓頭尺寸和外觀均符合鉚接要求規(guī)范。

[1] 王云渤，張關(guān)康.飛機(jī)裝配工藝學(xué).北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，1990．

[2] 楊海濤,全書海. 飛機(jī)電磁熱鉚接電控系統(tǒng)研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

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[8] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè).北京：航空工業(yè)出版社，1993.