基于電磁發(fā)射技術(shù)的新型電磁鉚接設(shè)備與工藝研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 高明輝 秦玉波 薛 俊

中國科學(xué)院電工研究所 孫鷂鴻

鉚接是飛機(jī)制造中最重要的一種連接方式。電磁鉚接由于其適用范圍、鉚接質(zhì)量和效率上的優(yōu)勢，已成為未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)連接的發(fā)展趨勢。在國外軍民飛機(jī)（如B777、C-17、A340、A380、伊爾-86/96等）的生產(chǎn)上都得到了應(yīng)用。在空客飛機(jī)制造中，電磁鉚接技術(shù)除用于機(jī)翼壁板的自動鉚接外，還用于鐓鉚型環(huán)槽鉚釘環(huán)圈的自動安裝；EI公司通過技術(shù)攻關(guān)還將電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上鉚鐓型鈦環(huán)槽釘?shù)陌惭b，用于在日本生產(chǎn)的B787復(fù)合材料機(jī)身的自動化裝配； 2010年，EI公司研制的用于ARJ21機(jī)翼壁板裝配的E6000自動電磁鉚接裝配系統(tǒng)交付中航工業(yè)西飛使用。

國內(nèi)相關(guān)單位研制了數(shù)臺不同規(guī)格的電磁鉚接設(shè)備，并開始了工程應(yīng)用研究，但目前還未獲得廣泛的工程應(yīng)用。為使電磁鉚接更好地在國內(nèi)飛機(jī)裝配連接中進(jìn)行應(yīng)用，本文就新型電磁鉚接設(shè)備及工藝應(yīng)用做了相關(guān)研究。

1 電磁鉚接與電磁發(fā)射技術(shù)

1.1 電磁鉚接技術(shù)

現(xiàn)有電磁鉚接技術(shù)是20世紀(jì)70年代初開始發(fā)展起來的一種鉚接技術(shù)，它利用電能—磁場能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，應(yīng)用沖擊大電流技術(shù)獲得瞬時(shí)沖擊載荷作用于鉚釘，鉚釘在應(yīng)力波作用下遵照金屬材料的動力學(xué)特性成形。在放電線圈和工件之間有一線圈和應(yīng)力波放大器，在放電開關(guān)閉合的瞬間，充電電容向初級線圈放電，初級線圈中流過快速變化的沖擊電流，產(chǎn)生強(qiáng)流磁場，在次級線圈中產(chǎn)生感生電流，進(jìn)而產(chǎn)生渦流磁場，兩磁場相互作用產(chǎn)生渦流斥力，通過放大器傳送至鉚釘，使鉚釘成形。

現(xiàn)有的設(shè)備充電電容有兩種參數(shù)，一組是耐壓高的脈沖電容，充電電壓≤1200V，電容為15000μF；另一種是耐壓低電解電容，用16～24個3600μF電容，充電電壓≤400V。充電能量W=CU2，兩者的充電能量最大值分別是：10.8 kJ和6.9 kJ。

現(xiàn)有電磁鉚接技術(shù)的電源原理決定了在初級線圈中的電流峰值大，在幾十千安，會使線圈發(fā)熱；次級線圈的渦流會使鉚槍發(fā)熱，電源充電能量比較高，決定了儲能元件及相關(guān)的控制開關(guān)、變壓器等的體積、重量比較大。由于靠磁場排斥力產(chǎn)生動能，能量利用率低，耗散的能量多，連續(xù)工作發(fā)熱嚴(yán)重。

1.2 電磁發(fā)射技術(shù)在電磁鉚接上的應(yīng)用

電磁鉚接的關(guān)鍵部分之一就是動力頭在槍體內(nèi)受到電磁力的作用而運(yùn)動，而能夠在軸向產(chǎn)生電磁力的電磁發(fā)射機(jī)構(gòu)形式主要有軌道式、線圈式和重接式3種電磁發(fā)射工作模式[1]。

該3種電磁發(fā)射技術(shù)機(jī)理固有的特點(diǎn)是：軌道式的由于運(yùn)動部分上有電流通過，而鉚接時(shí)都是金屬接觸，考慮到安全性不適合選用，另外，由于其加速力小，所以需要的加速距離長，這也是不選用它的一個原因。重接式由于其設(shè)計(jì)為上下兩個驅(qū)動線圈，比較適合加速平板型的發(fā)射物，另外，發(fā)射時(shí)還需要初速度，設(shè)計(jì)起來也比較復(fù)雜，因此不適合選作動力頭的加速方式。

線圈式電磁發(fā)射裝置本質(zhì)上是由普通的直線電機(jī)原理演化出來的。其發(fā)射裝置如圖1所示，左邊為多級線圈發(fā)射裝置，右邊為單級線圈發(fā)射裝置，多級發(fā)射只是把多個單級串聯(lián)起來。這種方式發(fā)射物處于線圈中央，發(fā)射體后端為鐵磁性物質(zhì)或金屬線圈，或同時(shí)具備這兩種情況。當(dāng)脈沖電流通過驅(qū)動線圈后，在驅(qū)動線圈中產(chǎn)生大脈沖電流，同時(shí)在驅(qū)動線圈內(nèi)部形成強(qiáng)磁場，而在線圈中的發(fā)射物則通過磁化或電磁感應(yīng)在金屬線圈上形成電流，使發(fā)射物受到電磁力而被加速。

圖1 線圈式電磁發(fā)射技術(shù)Fig.1 Coil mold electromagnetic launch

根據(jù)前面分析，線圈式發(fā)射技術(shù)比較適合應(yīng)用于電磁鉚接設(shè)備。利用該技術(shù)，利用的是不同的電動力產(chǎn)生機(jī)理，鉚接設(shè)備的金屬沖頭運(yùn)動動力是靠由其在放電線圈形成的磁場中所受的連續(xù)電磁發(fā)射力驅(qū)動；并且這個力作用時(shí)間較長，所以可以使其持續(xù)加速最終獲得最大速度，也即最大動能實(shí)現(xiàn)鉚接；是磁場直接作用的結(jié)果，因此這種而將線圈式發(fā)射技術(shù)用于電磁鉚接可以使能量利用率提高。

2 電磁發(fā)射式電磁鉚接設(shè)備研究

2.1 鉚接設(shè)備結(jié)構(gòu)及功能規(guī)劃

從前面的分析得出選用線圈式電磁發(fā)射技術(shù)作為電磁鉚接設(shè)備鉚槍的電能到鉚接動能的轉(zhuǎn)換方案。電磁鉚接設(shè)備包括電源和鉚槍兩部分，電源又包括充電電源和放電電源兩部分；鉚槍部分將電容放電到線圈中的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動能驅(qū)動動力頭運(yùn)動使鉚釘成形，完成鉚接，鉚槍包括線圈、動力頭和鉚模3部分，如圖2所示為設(shè)備的整體組成框架。

圖2 電磁鉚接設(shè)備的整體組成框架Fig.2 Chief component of the electromagnetic riveter

由于電磁發(fā)射完成后不管炮彈飛到哪里都是不需要回收的，所以不需考慮炮彈頭回程運(yùn)動的問題；而電磁發(fā)射技術(shù)用于電磁鉚接時(shí)是一次動力頭往返運(yùn)動完成一個鉚釘?shù)你T接，為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能，需要在鉚槍上設(shè)計(jì)一組輔助線圈，在每次鉚完一個鉚釘后，使鉚接動力頭回到一個固定的初始位置，保證每次鉚接時(shí)動力頭的運(yùn)動行程一樣，保證鉚接力的一致性。為配合鉚槍主、輔線圈的充放電，鉚接電源設(shè)計(jì)有兩組充、放電控制電路，根據(jù)具體鉚接工藝要求，控制二者的時(shí)序關(guān)系。

2.2 仿真研究

仿真研究的目的是根據(jù)鉚釘在電磁鉚接時(shí)變形所需要的鉚接力為輸入技術(shù)條件，以電磁發(fā)射式鉚接模式的電路和鉚槍結(jié)構(gòu)建立仿真模型，確定在這個模式下達(dá)到鉚接能力需求時(shí)的電路和鉚槍主要元件參數(shù)，為設(shè)備研究確定合適的參數(shù)，減少反復(fù)，縮短研究周期。

在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真時(shí)，可以把模型分成兩部分，即電路模型和幾何模型。仿真主要是針對動子在線圈中的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，因此，電路模型中的電感參數(shù)會隨著動子在線圈中的位置不同而不同，呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系；幾何模型中表現(xiàn)為動子在線圈中的位置隨時(shí)間不斷變化。仿真時(shí)用ANSOFT軟件把這兩部分模型聯(lián)合起來，以相同的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

電路模型主要是放電電路部分，通過對放電電路的分析，放電電路模型可以簡化為一個電容器對一個線圈進(jìn)行放電，再進(jìn)一步簡化可以為理想的電容器對一個理想的線圈和電阻進(jìn)行放電，建立的主電路模型如圖3所示。

圖3 主電路模型Fig.3 Module of main circuit

鉚槍的幾何模型主要是把線圈、骨架、動子和外殼進(jìn)行建模，其幾何結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，線圈產(chǎn)生的磁場也為軸對稱的形式，因此，為了節(jié)省計(jì)算資源，選其對稱軸的軸向截面的二分之一構(gòu)建二維仿真模型，簡化后的模型如圖4所示。

圖4 鉚槍二維建模圖Fig.4 2D module of rivet gun

仿真時(shí)，先設(shè)定電容的初始容量，設(shè)成10kuF；電阻設(shè)成500mΩ；電感的初始值設(shè)成1.6mH。仿真時(shí)，參數(shù)會隨著仿真的要求不斷變化。經(jīng)過多個參數(shù)組合的仿真研究，得出了可以鉚接直徑5mm鋁鉚釘?shù)某醪絽?shù)，并按照這個參數(shù)進(jìn)行鉚接電源和鉚槍的設(shè)計(jì)及制造。

2.3 設(shè)備研究

（1）鉚接電源。

鉚接電源的設(shè)計(jì)主要可以分成兩部分，一部分是充電電源；另一部分是放電電源。充電電源設(shè)計(jì)主要包括充電功率的選定和充電電壓精度如何保證。功率的計(jì)算主要考慮到鉚槍的工作頻率，每分鐘完成10次鉚接。雖然鉚接是一個瞬時(shí)過程，但操作時(shí)還是需要輔助時(shí)間的，因此充電時(shí)間應(yīng)不大于3s。充電電壓的精度的好壞，將直接決定設(shè)備的穩(wěn)定性。因此，充電電壓精度要滿足一定要求，保證每次鉚接時(shí)的初始能量都相同。

功率計(jì)算

按照充電電容量最多4個4700μF，充電電壓最高450V 時(shí)設(shè)計(jì)，電容器總的儲存能量為：

由于充電時(shí)間應(yīng)不大于3s，因此，充電電源的總功率不小于：

則整個系統(tǒng)主放電電容的儲能為1.9kJ。

根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果，充電電源的平均充電電流按3A設(shè)計(jì)。選擇串聯(lián)諧振開關(guān)電源控制充電過程，類似恒流充電，電路的抗短路能力很強(qiáng)，非常適合電容器脈沖充放電應(yīng)用。

放電電源的設(shè)計(jì)計(jì)算，放電電源控制電容器向線圈放電，電流上升速度快，選用半導(dǎo)體開關(guān)器件，開關(guān)的主要參數(shù)按前面的仿真結(jié)果確定，原理圖如圖5所示。

圖5 主放電控制原理Fig.5 Principle drawing of discharge control

采用仿真和計(jì)算得出的參數(shù)研制的鉚接電源實(shí)物圖如圖6所示，包括的主要按鈕為：電源開關(guān)、面板/槍選擇開關(guān)、回位按鈕、充電按鈕、放電按鈕、泄放按鈕、復(fù)位按鈕、安全接地按鈕和急停按鈕；參數(shù)設(shè)置有主線圈、副線圈充電電壓設(shè)置；參數(shù)顯示有主線圈、副線圈充電電壓顯示和放電峰值電流顯示；狀態(tài)指示包括電源正常指示燈、主電容器電壓零位、正在充電、主線圈電容器充滿和副線圈電容器充滿指示燈。

圖6 鉚接電源實(shí)物Fig.6 Picture of power control cabinet

（2）鉚槍研究。

電磁鉚槍單元包括線圈、骨架、鉚模和外殼4部分。線圈按仿真得出的參數(shù)繞制在骨架上。骨架主要采用非金屬材料做成，并在骨架的中間進(jìn)行了開槽，在骨架的后端進(jìn)行了開孔，以方便走線。外殼主要采用鋼，初步把外殼設(shè)計(jì)成了3部分，前段主要用來連接鉚模和外殼中段，中段采用圓筒狀的結(jié)構(gòu)連接前、后，后段在尾部加開了走線的孔，各段之間采用螺紋連接。在骨架上繞制好線圈后，安裝到鉚槍中，鉚槍的主要尺寸由前面的仿真初步確定，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。圖7為用安裝好的鉚槍進(jìn)行試件鉚接。

圖7 鉚槍及鉚接試驗(yàn)件Fig.7 Rivet gun and test specimen

3 電磁發(fā)射式電磁鉚接工藝研究

3.1 鉚接工藝。

用研制的鉚接電源和鉚槍分別進(jìn)行了鋁合金結(jié)構(gòu)鉚接鋁鉚釘?shù)墓に囋囼?yàn)，鉚接試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,所用電容器容量18800μF。

表1 電磁發(fā)射式鉚接設(shè)備工藝試驗(yàn)結(jié)果

從表1結(jié)果可以看出，鉚接φ5mm的鋁鉚釘，新型鉚接設(shè)備所需要的電容充電儲能為：

W=(0.0188*380*380)/2=1357J。

這個鉚接工藝試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型鉚接設(shè)備可以用較小的儲能滿足鉚接工藝需求，能量利用率高。

3.2 干涉螺栓安裝工藝。

根據(jù)工藝需求，鉚接時(shí)釘桿伸出工件的高度約為鉚釘直徑的1.2倍，以φ5mm鉚釘為例，釘桿應(yīng)為6mm，成形后墩頭頭高度≥2mm,鉚釘變形時(shí)鉚模的行程≤4mm。螺栓安裝時(shí)需要鉚模的運(yùn)動行程是安裝時(shí)的夾層厚度，安裝φ8mm常用螺栓的夾層厚度一般在10mm以上，比鉚釘變形的行程大。圖8為螺栓安裝的試驗(yàn)件，夾層厚度12mm的試件安裝φ8mm螺栓所用充電電壓為320V；充電能量為962J。由此看出新型的發(fā)射式鉚接設(shè)備進(jìn)行螺栓安裝時(shí)可以用較小的儲能滿足螺栓安裝工藝要求。

圖8 螺栓安裝試驗(yàn)件Fig.8 Test specimen of installed bolt

4 結(jié)論

本文將電磁發(fā)射的機(jī)理引入電磁鉚接領(lǐng)域，通過兩組線圈的分時(shí)放電，鉚接線圈使金屬沖頭獲得加速后推動鉚模撞擊鉚釘實(shí)現(xiàn)鉚接，回位線圈在鉚接完成后使金屬沖頭返回初始位置，實(shí)現(xiàn)了鉚接動力頭往復(fù)運(yùn)動的功能。通過該功能在電磁鉚接設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)，研制了新型電磁鉚接設(shè)備，進(jìn)行了鉚接工藝試驗(yàn)。采用該技術(shù)，鉚接同樣規(guī)格的鉚釘和安裝螺栓需要的電容儲能大幅度減少，因此放電時(shí)通過線圈的電流也大幅減小，可以大幅提高能量利用率，體積小、重量輕、發(fā)熱小、易于操作、更安全，便于實(shí)現(xiàn)自動化鉚接。

[1] 賀翔,曹群生. 電磁發(fā)射技術(shù)研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù). 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2011(2):130-135.