基于墩頭輪廓鈦合金鉚接夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

（中北大學(xué)機(jī)電學(xué)院，太原 030051）

隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，我國(guó)迫切需要發(fā)展出新一代軍、民用飛機(jī)。由于新一代飛機(jī)性能的要求極為苛刻，具有更高的氣動(dòng)性和整體性，存在飛機(jī)整體成型制造工藝要求極高、成本較大、成型困難等缺點(diǎn)。就目前來說，結(jié)構(gòu)的連接無法避免，盡管不斷有新型連接工藝出現(xiàn)，但機(jī)械連接仍是飛機(jī)裝配的主要連接方式，其中鉚接連接占飛機(jī)裝配的60%以上，且飛機(jī)事故頻發(fā)的原因之一就是鉚接處材料失效。因此，鉚接質(zhì)量的好壞直接影響著飛機(jī)的性能和壽命。普通鉚接干涉配合由于鉚接后上下夾層板應(yīng)力分布不均勻、鉚釘桿干涉量成梯形分布，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)普通鉚接的不足，進(jìn)行了新的鉚接工藝研究。電磁鉚接等工藝應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了鉚接的裝配效率和質(zhì)量。由于新工藝的研究在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)于多數(shù)型號(hào)機(jī)的應(yīng)用仍然有一定的局限性，開敞性較差，自動(dòng)化水低且對(duì)于鉚釘成形后的干涉量沒有一個(gè)正確的評(píng)估手段。因此，本文在普通鉚接的基礎(chǔ)上，結(jié)合彈塑性理論的基本知識(shí)、數(shù)值模擬、逆向工程，通過控制墩頭的形狀和尺寸來對(duì)鉚接夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善普通鉚接的不足[1-2]。

1 過程分析

1.1 普通鉚接的不足

某型號(hào)機(jī)普通鉚接中存在的缺陷有以下幾點(diǎn)：

（1）鉚接過程中上下板層的應(yīng)力分布不均勻，下夾層板因受到墩頭的影響，應(yīng)力分布均勻度大于上夾層板。

（2）鉚接后由于受到孔壁間隙和夾層板的摩擦作用，鉚釘材料不能完全充盈在孔隙中，多余的材料被阻擋在夾層外，形成大尺寸墩頭。

（3）通過對(duì)普通鉚接后干涉量地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鉚接形成后的干涉量分布極不均勻，呈梯形分布，越靠近墩頭處的干涉量越大。

（4）鉚接過程中，時(shí)間短，材料變形的非線性對(duì)于鉚釘形成后的墩頭形狀尺寸難以控制，標(biāo)準(zhǔn)的墩頭尺寸難以形成。

（5）鉚接后對(duì)于干涉量地檢測(cè)需要對(duì)鉚接件拋切處理，采用橫切法進(jìn)行干涉量檢測(cè)，這種檢測(cè)方法效率低、誤差大，嚴(yán)重制約飛機(jī)裝配的總效率。

1.2 鉚接夾具的優(yōu)化過程

文獻(xiàn)[3-4]結(jié)合彈塑性力學(xué)的基本知識(shí)，證明在墩頭形成后墩頭輪廓為二次曲線，在此基礎(chǔ)上根據(jù)墩頭形成輪廓如圖1所示，可以設(shè)其墩頭曲線為二次函數(shù)（輪廓A、C曲線）：

由于鉚釘在形成中屬于塑形成形，根據(jù)塑形力學(xué)基本知識(shí)和體積不變?cè)恚恒T釘在成形后與鉚釘之前的體積相同，即鉚釘形成后墩頭的體積與孔隙內(nèi)部的體積之和為鉚釘形成前的體積，如式（2）所示，得出鉚釘變形后的直徑d1與體積的關(guān)系，如式（3）所示。

傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)件通常采用絕對(duì)干涉量、相對(duì)干涉量來衡量，即絕對(duì)干涉量為鉚釘變形后的直徑d1與鉚釘初始孔徑D0的差值；相對(duì)干涉量為絕對(duì)干涉量與鉚釘初始孔徑的比值，如式（4）所示，本文中的干涉量如果無特殊說明，均為相對(duì)干涉量。

結(jié)合公式（3）、（4），則求出墩頭的體積，如式（5）所示 :

由墩頭的輪廓結(jié)合公式（1）和數(shù)學(xué)積分公式可得墩頭體積，如式（6）所示：

其中，π為圓周率；h為鉚釘長(zhǎng)度；t為鉚接件夾層厚度；V1為式（5）計(jì)算的墩頭體積；V為式（6）計(jì)算的墩頭體積；d為鉚釘直徑；h0為墩頭高度。

由于在實(shí)際生產(chǎn)中夾具不但能減少飛機(jī)裝配的輔助時(shí)間、提高生產(chǎn)效率，且對(duì)于鉚接的質(zhì)量和飛機(jī)性能的提高有著重要影響。但現(xiàn)存型號(hào)機(jī)的夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，則在此夾具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上針對(duì)普通鉚接的不足，通過控制墩頭輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)來對(duì)夾具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[4-6]鉚釘在成形后，墩頭所形成的尺寸可作為衡量其是否標(biāo)準(zhǔn)的條件之一，鉚釘?shù)亩疹^直徑在（1.5±0.1）d；并且鉚釘?shù)母叨缺仨毚笥赿0.4mm。通過對(duì)鉚釘?shù)腁NSYS數(shù)值模擬，在鉚釘形成后，利用ANSYS LS-Prepost后處理軟件在鉚釘?shù)亩疹^輪廓上撲獲邊界數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行二次擬合，求出輪廓曲線函數(shù)，利用公式（6）求出墩頭體積，調(diào)整墩頭高度直到利用公式（6）計(jì)算的體積V和公式（5）計(jì)算的體積V1相等，再將所有的墩頭數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入CATIA中，利用CATIA的逆向模塊Digitized Shape Editor進(jìn)行點(diǎn)群建模，通過CATIA中模塊的互換將點(diǎn)群映射到面進(jìn)而拉伸成曲面、旋轉(zhuǎn)成墩頭腔體，經(jīng)細(xì)節(jié)修飾后建立優(yōu)化的鉚接夾具模型（圖2和圖3）。傳統(tǒng)鉚接夾具如圖2（a）和圖3（a）所示，取一半為研究對(duì)象，使上下夾層板緊密相合，防止鉚接過程中由于壓鉚力等因素影響而發(fā)生錯(cuò)位移動(dòng)，影響鉚接質(zhì)量；經(jīng)數(shù)值計(jì)算、ANSYS數(shù)值模擬和逆向工程設(shè)計(jì)出的優(yōu)化夾具如圖2（b）和圖3（b）所示。

圖1 墩頭輪廓平面圖Fig.1 Heading outline plan view

2 實(shí)例分析

采用鈦合金沉頭鉚釘結(jié)構(gòu)件來進(jìn)行夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析，由于鈦合金鉚釘冷塑性差、成形困難，屈服比高故鉚接后成形最佳干涉量在0.8%～1.0%[7]。

在本文中為研究方便取鉚接后的干涉量0.9%為實(shí)例中的標(biāo)準(zhǔn)干涉量。具體鉚釘和夾層件的尺寸如圖2所示，結(jié)合公式（5）求出在干涉量為0.9%下的墩頭體積為43.910mm3。

圖2 鉚接件的夾具平面示意圖Fig.2 Schematic plan view of clamp riveting pieces

2.1 ANSYS有限元分析

由于模型是軸對(duì)稱，所以利用CATIA對(duì)零件進(jìn)行1/4建模如圖4所示，具體模型尺寸如表1所示，裝配再導(dǎo)入ANSYS前處理，進(jìn)行模型材料屬性的定義如表2所示，網(wǎng)格的劃分、載荷和邊界條件的施加、沙漏控制和能量控制、K文件的求解等[8-11]。

圖3 鉚接件夾具三維示意Fig.3 Rivet clamp 3-D representation

表1 模型具體尺寸

表2 材料的性能參數(shù)

2.2 墩頭曲線獲取

利用ANSYS LS-Prepost后處理軟件在形成的墩頭邊界獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖5所示，將此數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)MATLAB中進(jìn)行二次函數(shù)擬合求出墩頭曲線函數(shù)，利用公式（6）求出墩頭體積V，調(diào)整墩頭參數(shù)直到求出的墩頭曲線函數(shù)求出的體積與公式（5）求出的體積V1相等。因此，在此實(shí)例中墩頭的曲線函數(shù)為y=-0.011x2+0.0931x+2.4855；墩頭高度為2.12mm，墩頭直徑為5.8mm。

圖4 鉚接件和鉚釘平面示意圖Fig.4 Rivets and rivet schematic plan view

圖5 邊界數(shù)據(jù)點(diǎn)Fig.5 Boundary data points

圖6 夾具模型Fig.6 Clamp model

2.3 墩頭輪廓型腔模型建模

墩頭形成為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為研究方便取模型的1/4，將獲得標(biāo)準(zhǔn)的墩頭數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入CATIA逆向模塊Digitized Shape Editor得出墩頭點(diǎn)云如圖6（a）所示，通過CATIA模塊切換將點(diǎn)云拉伸成曲線如圖6（b）所示，形成墩頭型腔模型如圖6（c）所示，經(jīng)細(xì)節(jié)修飾后夾具的模型如圖6（d）所示。

圖7 鉚接后釘桿充盈狀態(tài)Fig.7 Filling state of shank after riveting

圖8 鉚接后應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud after riveting

圖9 干涉量數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)位置Fig.9 Measurement point position of interferometric data

圖10 不同鉚接夾具的干涉量Fig.10 Interference amount of different riveting fixtures

2.4 結(jié)果對(duì)比分析

本文將通過普通鉚接的不足來對(duì)比分析普通鉚接夾具和優(yōu)化夾具，進(jìn)而來驗(yàn)證優(yōu)化后的夾具可以大大提高鉚接的裝配質(zhì)量（圖7和圖8）。在應(yīng)用普通夾具的鉚接中，由于下夾層板的阻擋和釘空間隙的摩擦作用造成釘桿的材料不能完全充盈，如圖7（a）所示，在釘孔中由此造成上下夾層板的應(yīng)力不能均勻分布在干涉區(qū)域中，如圖8（a）所示；而優(yōu)化后的鉚接夾具由于其限制了鉚釘墩頭的膨脹范圍，使墩頭在特定的尺寸和形狀中成形，釘桿材料則均勻地流向釘孔中，使釘孔中的鉚釘材料完全充盈，如圖7（b）所示，在其中并且上下夾層板的應(yīng)力均勻分布在干涉區(qū)域如圖8（b）所示。利用后處理軟件分別測(cè)出鉚釘測(cè)量點(diǎn)的徑向位移并利用式（4）計(jì)算出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的干涉量，具體的干涉量數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)如圖9所示。所測(cè)干涉量值如圖10所示，普通鉚接夾具的干涉量沿著墩頭軸向呈梯形分布，墩頭處的干涉量達(dá)到最大4%，由此沿鉚釘頭逐漸遞減，分布極為不均勻，墩頭處的干涉量與鉚釘頭處的干涉量相差較大，嚴(yán)重影響鉚接的裝配質(zhì)量；但優(yōu)化后的鉚接夾具所測(cè)的干涉量則均勻分布在0.9%這條直線上下，墩頭處的干涉量與鉚釘頭處的干涉量幾乎無差距，基本符合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)干涉量（除個(gè)別點(diǎn)外），可能是由于鉚釘成形屬于材料的大變形，網(wǎng)格容易發(fā)生畸變，但這種誤差不影響結(jié)果分析。由于鉚接夾具是基于墩頭體積的逆向設(shè)計(jì)，因此從圖10中可以看出，優(yōu)化后的鉚接夾具可以作為鉚接特定干涉量評(píng)估手段且該方案正確。

3 結(jié)論

通過對(duì)某型號(hào)機(jī)鉚接夾具的簡(jiǎn)單優(yōu)化設(shè)計(jì)得出：

（1） 鉚釘成形中，鉚釘桿完全充盈在釘孔中，克服了在鉚接過程中因種種因素而造成的鉚釘釘桿偏移、墩頭形狀和尺寸不合格。

（2） 鉚接后，鉚釘干涉量的均勻度顯著提高，上下夾層板的殘余應(yīng)力分布均勻合理，大大提高了鉚接的裝配質(zhì)量，有利于提高結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命。

（3） 得出了衡量鉚接干涉量的重要評(píng)估手段，有效提高了鉚接的裝配效率，省去了較為繁瑣的數(shù)據(jù)測(cè)量工作量、時(shí)間和成本，對(duì)于飛機(jī)的批量化生產(chǎn)有重要意義。

[1]鄧將華,李春峰.電磁鉚接技術(shù)研究概況及發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓技術(shù), 2006, 31(5):10-14.

DENG Jianghua, LI Chunfeng.Current status and trends in researches on electromagnetic riveting[J].Forging & Stamping Technology, 2006,31(5):10-14.

[2]曹增強(qiáng).鉚接技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[J].航空工程與維修, 2000(6):41-42.

CAO Zengqiang.The development of riveting technology[J].Aviation Engineering & Maintenance, 2000(6):41-42.

[3]梁康.飛機(jī)壁板鉚接結(jié)構(gòu)干涉量計(jì)算及工藝驗(yàn)證[D].南京:南京航空航天大學(xué), 2013.

LIANG Kang.Interference calculation and process validation of aircraft panel riveted structure[D].Nanjing: Nanijng University of Aeronautics and Astronatics, 2013.

[4]吳森.干涉配合緊固件孔的彈塑性工程分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 1990,22(4):17-24.

WU Sen.Elastic plastic engineering analysis of interference fit fastener holes[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, 1990,22(4):17-24.

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

Aeronautical Manufacturing Engineering Handbook Editorial Board.Aeronautical manufacturing engineering handbook[M].Beijing: Aviation Industry Press, 1993.

[6]FUNG C P, SMART J.Riveted single lap joints, Part-1: a numerical parametric study[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G: Journal of Aerospace Engineering, 1997, 211(1):13-27.

[7]方俊,曹增強(qiáng),陳允全,等.鈦合金結(jié)構(gòu)干涉配合鉚接工藝研究[J].航空制造技術(shù), 2015(10):66-69.

FANG Jun, CAO Zengqiang, CHEN Yunquan, et al.Titanium alloy structure interference fit riveting process[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(10):66-69.

[8]蘇世偉,曹增強(qiáng),張喆,等.鈦合金結(jié)構(gòu)電磁鉚接工藝的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程, 2012, 35(3):27-30.

SU Shiwei, CAO Zengqiang, ZHANG Zhe, et al.Electromagnetic riveting process of titanium alloy structure[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2012, 35(3):27-30.

[9]張利軍,王幸運(yùn),郭啟義,等.鈦合金材料在我國(guó)航空緊固件中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù), 2013(16):129-133.

ZHANG Lijun, WANG Xiangyun, GUO Qiyi, et al.Application of titanium alloy materials in China’s aviation fasteners[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(16):129-133.

[10]張岐良,曹增強(qiáng),秦龍剛,等.鈦合金電磁鉚接數(shù)值模擬[J].稀有金屬材料與工程, 2013, 42(9):1832-1837.

ZHANG Qiliang, CAO Zengqiang, QIN Longgang, et al.Numerical simulation of electromagnetic riveting for titanium alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42(9):1832-1837.

[11]馮曉旻.電磁鉚接過程的有限元分析[D].南京:南京航空航天大學(xué), 2009.

FENG Xiaomin.Finite element analysis of electromagnetic riveting process[D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics Astronautics, 2009.