基于DEFORM-3D的自封鉚接工藝研究

梁 瑩, 閆 強(qiáng), 劉 鋼

（1.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；3.上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201111）

機(jī)械自封鉚接是干涉配合鉚接的一種，主要用于氣密、液密和疲勞性能要求較高的鋁合金構(gòu)件的連接。它是一種連接強(qiáng)化技術(shù)，能顯著提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命并獲得良好的密封性能[1-2]。

影響自封鉚接干涉量的因素大致可以分為兩種[3]：一種是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如鉚釘及被連接件材料、疊層厚度、锪窩尺寸等，對(duì)于這類參數(shù)，一旦結(jié)構(gòu)確定，其他參數(shù)便不能變動(dòng)；另一種是工藝類參數(shù)，如釘孔直徑[4]、頂鐵的形狀[5]、鐓頭高度與直徑、壓鉚力大小及鉚接方式等。對(duì)于第2類參數(shù)，在制造過(guò)程中可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整來(lái)滿足干涉量的要求。由于鐓頭高度和直徑參數(shù)與壓鉚力的大小緊密相關(guān)[6]，為此對(duì)于伺服靜壓鉚接，可以認(rèn)為影響鉚接干涉量的主要因素為釘孔直徑、頂鐵形狀以及壓鉚力。

傳統(tǒng)的半圓頭自封鉚接工藝過(guò)程[1]如圖1所示?？梢钥闯?，機(jī)械自封鉚接對(duì)孔質(zhì)量有著較高的要求，尤其是孔徑大小。整個(gè)鉆孔過(guò)程分為3個(gè)工步方可保證釘孔直徑滿足干涉鉚接要求。同時(shí)，頂鐵形狀對(duì)鉚接干涉量有重要影響。傳統(tǒng)的手工氣動(dòng)鉚接均采用反鉚法，即鉚槍頂住鉚釘頭，用頂鐵頂住釘桿一端而形成鐓頭，頂鐵工作面有66°凹槽，如圖2所示。QJ1548-88標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉚接時(shí)可先用凹槽頂鐵頂2～3下，再用平頂鐵最后形成鐓頭，缺乏嚴(yán)格技術(shù)要求，鉚接質(zhì)量的好壞完全取決于工人技術(shù)水平[1]。研究表明，鉚接過(guò)程中壓鉚力對(duì)疲勞裂紋生長(zhǎng)的影響更大，可知壓鉚力對(duì)機(jī)械自封鉚接的質(zhì)量也有一定程度的影響[7]。

圖1 自封鉚接工藝過(guò)程Fig.1 Process of self-sealing riveting

圖2 凹槽頂鐵Fig.2 Groove iron

圖 3 自封鉚接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of self-sealing riveting

伺服靜壓鉚接方式不同其他鉚接方式，因此針對(duì)傳統(tǒng)手工氣動(dòng)錘鉚方式定制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是否適用有待探究。由于影響干涉量的因素有多種，需要進(jìn)行大量鉚接工藝試驗(yàn)了解各種因素對(duì)干涉量的影響，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本較高。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在鉚接工藝試驗(yàn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[8]。因此，本文通過(guò)有限元仿真軟件DEFORM-3D，針對(duì)半圓頭自封鉚接工藝參數(shù)中的制孔、鉚模形狀及壓鉚力對(duì)機(jī)械自封鉚接質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，為形成自動(dòng)鉆鉚下機(jī)械自封鉚接工藝規(guī)范做好理論準(zhǔn)備。

1 有限元建模

鉚接過(guò)程的有限元仿真步驟包括建立三維模型、定義材料類型、劃分網(wǎng)格、建立接觸關(guān)系及設(shè)置邊界條件、施加載荷、計(jì)算求解及后處理等[9]。針對(duì)如圖3（a）所示的單個(gè)半圓頭鉚釘機(jī)械自封鉚接結(jié)構(gòu)，構(gòu)建有限元模型，結(jié)構(gòu)由兩塊厚度為4mm的2024鋁合金板組成，并采用直徑為4mm的半圓頭自封鉚釘進(jìn)行鉚接。為計(jì)算簡(jiǎn)單，采用三維1/4模型[10]來(lái)進(jìn)行有限元仿真，如圖3（b）所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 釘孔直徑

孔徑大小對(duì)干涉量有直接影響，孔徑越大則獲得的鉚接干涉量越小，越無(wú)法滿足干涉配合鉚接密封性的要求，同時(shí)也無(wú)法獲得良好的鉚接質(zhì)量；孔徑較小，雖可以獲得較大的干涉量，但較大的干涉量會(huì)引起釘孔的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，降低鉚接構(gòu)件的使用壽命。在QJ1548-88標(biāo)準(zhǔn)[1]中，對(duì)于直徑為4mm的半圓頭自封鉚釘，其孔徑范圍為4～4.048mm，為了獲得最佳干涉量，需控制孔徑公差的大小。由于鉸孔的孔徑公差可控制在0.01mm內(nèi)，因此構(gòu)建孔徑分別為4.01mm、4.02mm、4.03mm和4.04mm的有限元模型，分析孔徑大小對(duì)鉚接質(zhì)量的影響。為方便研究，鉚接時(shí)使用平頂鐵。沿Z向在釘孔上取3個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。

繪制不同孔徑下的相對(duì)干涉量曲線圖，如圖5所示，靠近鐓頭處的P1點(diǎn)相對(duì)干涉量出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在孔徑為4.01mm時(shí)最大，在孔徑為4.02mm時(shí)相對(duì)干涉量最小；靠近鉚接板結(jié)合面處的P2點(diǎn)和P3點(diǎn)干涉量先增加后減小，在孔徑為4.02mm時(shí)相對(duì)干涉量最大，在孔徑為4.04mm時(shí)，P3點(diǎn)相對(duì)干涉量小于0.8%，低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對(duì)干涉量范圍0.8%～5%。

綜上，孔徑過(guò)小，阻礙釘桿處金屬向孔內(nèi)流動(dòng)，較多的金屬形成了鐓頭，導(dǎo)致P1點(diǎn)處干涉量較大，P2點(diǎn)和P3點(diǎn)相對(duì)干涉量較小，干涉量分布不均勻；孔徑太大，相對(duì)干涉量均較小。因此，直徑為4mm的半圓頭自封鉚釘鉚的鉚接孔精度推薦范圍為4.01～4.02mm，此時(shí)3個(gè)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)干涉量分布較均勻且滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 頂鐵形狀

機(jī)械自封鉚接中，常見(jiàn)頂鐵有兩種：一種是平頂鐵；一種是凹槽頂鐵，如圖6所示。頂鐵形狀對(duì)鉚接質(zhì)量的影響表現(xiàn)在可以改變鉚接過(guò)程中金屬的軸向流動(dòng)、徑向流動(dòng)，從而影響干涉量的大小及均勻性。

在DEFORM-3D中建立兩種頂鐵的有限元分析模型，并設(shè)置其他鉚接參數(shù)均相同，沿Z向在釘孔上取圖4所示的 3個(gè)不同的點(diǎn)P1、P2、P3，并利用 DEFORM-3D點(diǎn)追蹤功能，輸出兩種頂鐵下3個(gè)點(diǎn)隨壓鉚時(shí)間的徑向位移，如圖7所示。

圖4 干涉量檢測(cè)位置Fig.4 Position of interference testing

圖5 孔徑大小對(duì)相對(duì)干涉量的影響Fig.5 Influence of riveting diameter on relative interference

圖6 平頂鐵及凹槽頂鐵Fig.6 Flat iron and groove iron

根據(jù)QJ1548-88標(biāo)準(zhǔn)[1]的干涉量計(jì)算方法，分別求出3個(gè)點(diǎn)的相對(duì)干涉量，具體數(shù)值如表1所示。

由圖7可知，在壓鉚時(shí)間為0～1.028s的范圍內(nèi)，P1點(diǎn)在平頂鐵壓鉚時(shí)徑向位移變化較快，而凹槽頂鐵壓鉚時(shí)徑向位移變化緩慢，這是由于凹槽頂鐵限制了金屬的徑向流動(dòng)，迫使更多的金屬流向孔內(nèi)。由表1可知，凹槽頂鐵壓鉚時(shí)的干涉量均值遠(yuǎn)大于平頂鐵壓鉚時(shí)的干涉量，并且對(duì)于一般不易獲得干涉量的P3處，也獲得了較大的干涉量。

平頂鐵壓鉚時(shí)，P1、P2、P33點(diǎn)的徑向位移在壓鉚時(shí)間為1.32s時(shí)斜率突然增大，說(shuō)明此時(shí)金屬已經(jīng)充滿了孔的雙錐窩，隨著頂鐵繼續(xù)壓鉚，更多的金屬流入孔內(nèi)，使P1、P2、P33點(diǎn)的徑向位移驟增，直至鉚接結(jié)束。凹槽頂鐵壓鉚時(shí)，由于金屬的徑向流動(dòng)受到限制，剛開(kāi)始的一段時(shí)間金屬以軸向流動(dòng)為主，使較多的金屬流入孔雙錐窩內(nèi)，在時(shí)間為1.2s時(shí)孔雙錐窩便已經(jīng)充滿，隨著頂鐵繼續(xù)壓鉚，金屬一部分繼續(xù)向孔內(nèi)流動(dòng)，一部分則形成鐓頭；在時(shí)間約為1.5s時(shí)，金屬充滿凹槽頂鐵，頂鐵繼續(xù)壓鉚，P1、P2、P33點(diǎn)的徑向位移又一次出現(xiàn)驟增，直至鉚接結(jié)束。

表1 各點(diǎn)相對(duì)干涉量 %

圖7 不同形式頂鐵下測(cè)量點(diǎn)徑向位移Fig.7 Radial displacement of testing point with different irons

綜上所述，凹模頂鐵可以有效地限制金屬的徑向流動(dòng)，從而使更多的金屬發(fā)生軸向流動(dòng)充滿鉚接孔，致使P3處也能獲得較大干涉量，但局部會(huì)出現(xiàn)干涉量過(guò)大的現(xiàn)象，干涉量不均勻；平頂鐵無(wú)法限制金屬的徑向流動(dòng)，更多的金屬形成了鐓頭，致使P3的干涉量過(guò)小，鉚接的密封性難以保證。因此，建議在進(jìn)行自動(dòng)化自封鉚接時(shí)，凹槽頂鐵代替平頂鐵。

2.3 壓鉚力

目前先進(jìn)的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備具備兩種鉚接模式，一種是位移控制模式，即鉚接時(shí)頂鐵運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的位移后便退回，完成鉚接；另一種是力控制模式，即鉚接設(shè)備監(jiān)控到鉚接已經(jīng)達(dá)到所設(shè)定的壓鉚力后頂鐵便退回，完成鉚接。對(duì)于大型的曲面薄壁零件，鉚接時(shí)自身變形比較大，位移控制模式已不能較好地滿足使用要求，力控制模式能夠彌補(bǔ)鉚接工件自身變形的缺點(diǎn)，已成為自動(dòng)鉆鉚設(shè)備中的主要鉚接模式。因此壓鉚力便是控制鉚接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)，壓鉚力的大小直接影響鉚接質(zhì)量。

本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同壓鉚力下有限元仿真模型，比較在16.6kN、17.6kN、18.6kN、19.6kN和20.6kN 5種不同壓鉚力下的鉚接構(gòu)件的連接質(zhì)量，分別繪制其不同壓鉚力下鐓頭高度、鐓頭直徑以及相對(duì)干涉量的曲線，如圖8～9所示，可得出以下結(jié)論：

（1）鐓頭高度與壓鉚力成反比，在壓鉚力為19.6kN和20.6kN時(shí)，鐓頭高度均在1.4mm以下，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1.6～1.8mm。

（2）總體上鐓頭直徑與壓鉚力成正比關(guān)系，隨著壓鉚力增大到一定數(shù)值后，鐓頭直徑變化越來(lái)越小。

（3）在壓鉚力小于17.6kN時(shí)，隨著壓鉚力的增加，釘桿慢慢鐓粗，金屬填滿釘孔之間的間隙后，釘桿與孔之間開(kāi)始出現(xiàn)干涉，并且相對(duì)干涉量隨著壓鉚力的增大而增加。

（4）當(dāng)壓鉚力為17.6～18.6kN時(shí)，相對(duì)干涉量基本保存不變，這是由于前一個(gè)階段金屬已經(jīng)充滿釘孔之間的間隙，并有了一定的干涉量，繼續(xù)鐓粗變得困難；而形成鐓頭處的金屬由于沒(méi)有孔壁的限制，相對(duì)孔內(nèi)的金屬來(lái)說(shuō)更容易鐓粗。因此在這個(gè)階段鉚釘金屬首先將雙錐窩充滿，并形成一定的鐓頭。

（5）在壓鉚力大于19.6 kN后，此時(shí)雙錐窩已經(jīng)充滿了金屬，隨著壓鉚力繼續(xù)增加，越來(lái)越多的金屬流向孔內(nèi)，使相對(duì)干涉量繼續(xù)增大。

圖8 不同壓鉚力下鐓頭高度與直徑Fig.8 Heading height and diameter of different forces

圖9 不同壓鉚力下各點(diǎn)干涉量Fig.9 Interference of different forces

3 結(jié)論

本文基于塑性加工仿真軟件DEFORM-3D，以2117-T4材料直徑4mm的自封鉚釘及2024-T3材料的鋁板為研究對(duì)象，仿真分析了自封鉚接工藝參數(shù)對(duì)干涉量的影響。

（1）釘孔直徑的大小對(duì)鉚接干涉量有直接影響，較小的釘孔直徑易造成干涉量分布不均，較大的釘孔直徑干涉量較小。對(duì)于4mm的自封鉚釘，其仿真結(jié)果表明釘孔直徑在4.01～4.02mm范圍內(nèi)干涉量最佳。

（2）對(duì)比了平頂鐵與凹槽頂鐵對(duì)鉚接干涉量的影響，得出凹槽頂鐵能有效限制釘桿處金屬材料的徑向流動(dòng)，從而促使更多的金屬流動(dòng)到孔內(nèi)，增加鉚接干涉量。

（3）干涉量隨著壓鉚力的增大而增大。對(duì)于4mm鉚釘，壓鉚力為17.6～18.6kN時(shí)，可獲得最佳干涉量，同時(shí)鐓頭高度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；過(guò)大的壓鉚力會(huì)造成釘孔的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂并且引起被連接件的變形。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)航空工業(yè)部. QJ1548-88半圓頭自封鉚釘鉚接技術(shù)條件[S]. 1988.Ministry of Aviation Industry of the People Republic of China.QJ1548-88 Riveting technical specificationgs of round head self-sealing rivets[S]. 1988.

[2]楊亞文, 李永策. 干涉鉚接及其新的成形方法[J]. 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 1999(4)： 19-22.YANG Yawen, LI Yongce. Intervening concerted riveting and a new riveting method[J]. Journal of Shenyang Aerospace University, 1999(4)： 19-22.

[3]CHEN N J, THONNERIEUX M, DUCLOUX R, et al. Parametric study of riveted joints[J]. International Journal of Material Forming, 2014,7(1)：65-79.

[4]LIPSKI A，LIS Z. Improving fatigue life of riveted joints by rivet hole sizing[J]. Key Engineering Materials, 2014, 598：141-146.

[5]李奕寰, 曹增強(qiáng), 張岐良,等. 鉚模傾角對(duì)鉚接質(zhì)量的影響研究 [J]. 航空學(xué)報(bào) , 2013, 34(2)： 426-433.LI Yihuan, CAO Zengqiang, ZHANG Qiliang, et al. Effect study on riveting quality with different angles of riveting die[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(2)： 426-433.

[6]RIJCK J J M D. Stress analysis of fatigue cracks in mechanically fastened joints： an analytical and experimental investigation[M]. Delft： Delft University of Press, 2005.

[7]SCHIJVE J. Multi-size damage fatigue of riveted lap joints：international workshop on structural integrity of aging airplanes, atlanta, 31 March-2 April 1992[J]. Aerospace Engineering, 1992,7： 210-223.

[8]殷俊清, 王仲奇, 康永剛, 等. 仿真技術(shù)在飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2009(23/24)： 84-87.

YIN Junqing, WANG Zhongqi, KANG Yonggang, et al. Application of simulation technology in aircraft automatic drilling and riveting[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(23/24)： 84-87.

[9]張莉, 李升軍. DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.ZHANG Li, LI Shengjun. Application of DEFORM in metal plastic forming[M]. Beijing： Mechanical Industry Press, 2009.

[10]劉平. 鉚接變形及其有限元分析[D]. 西安： 西北工業(yè)大學(xué),2007.LIU Ping. Riveting deformation and FE simulation[D]. Xi’an： Xi’an Northwestern Polytechnical University, 2007.