電磁鉚接技術在直升機上應用前景研究

郭鴦鴦

摘 要：本文介紹了電磁鉚接成形原理，對電磁鉚接中鉚釘成形過程進行分析。針對直升機領域對電磁鉚接的應用需求，介紹了國外電磁鉚接技術在航空領域的應用情況和國內電磁鉚接技術研究進展。對電磁鉚接技術在直升機領域的應用優(yōu)勢進行了分析，直升機采用電磁鉚接技術能夠顯著提高直升機疲勞壽命。

關鍵詞：電磁鉚接;干涉配合;復合材料;直升機

中圖分類號：V261 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0093-02

0 引言

電磁鉚接是一種新型鉚接工藝，整個鉚接過程僅需幾百微秒到一毫秒時間，鉚釘材料以絕熱剪切方式完成塑形變形，在釘桿與釘孔之間形成均勻的干涉量，通過控制電磁鉚接工藝參數(shù)，能夠得到最佳干涉量，顯著提高結構疲勞壽命。

1 電磁鉚接工藝

1.1 電磁鉚接成形原理

電磁鉚接在幾百微秒到一毫秒的時間內產(chǎn)生極大的沖擊力，鉚釘在短時間內完成塑性變形。材料的變形方式與準靜態(tài)加載條件有明顯的區(qū)別，普通鉚接時鉚釘材料以均勻滑移變形完成塑性變形，電磁鉚接時鉚釘材料以絕熱剪切方式完成塑性變形。電磁鉚接原理圖如圖1所示，在開關閉合的瞬間，初級線圈有沖擊電流通過，初級線圈周圍在快速變化的沖擊電流下產(chǎn)生磁場，進而在次級線圈中產(chǎn)生感應電流，次級線圈在感應電流作用下產(chǎn)生渦流磁場，與初級線圈周圍的磁場相互耦合產(chǎn)生渦流斥力，渦流斥力通過應力波放大器進行放大，作用在鉚釘上，完成鉚接[1]。

1.2 電磁鉚接鉚釘成形過程

以平錐頭鉚釘為例，電磁鉚接鉚接物理模型如圖2所示，沖擊力作用在鉚模上，鉚模向下運動擠壓鉚釘完成鉚接過程。在鉚接初級階段，鉚釘桿尚未接觸被連接件，鉚釘發(fā)生整體自由鐓粗變形，隨著鉚釘變形鉚釘受到被連接件徑向擠壓，鉚釘發(fā)生擠壓鐓粗變形，隨著被連接件的擠壓，鉚釘徑向變形越來越困難，鉚釘變形開始集中在鐓頭部分，鉚釘轉變?yōu)榫植跨叴肿冃蝃2]。

2 電磁鉚接技術國內外應用情況

2.1 國外電磁鉚接技術應用情況

國外對電磁鉚接技術研究較早，在70年代為解決厚蒙皮以及新型材料鉚接困難的問題，在F-14的研制中，將電磁成形技術引入航空制造領域，在該階段電磁鉚接設備需要電壓較高，工人操作時危險系數(shù)較高。隨著行業(yè)的發(fā)展，低電壓鉚接設備應運而生。

Electroimpact公司是專門生產(chǎn)制造低電壓電磁鉚接設備，其制造的設備可以在低電壓下可產(chǎn)生180KN的鉚接力[3]。Electroimpact公司生產(chǎn)制造的低電壓電磁鉚接設備如表1所示[4-6]。波音，空客鉚接裝配中廣泛產(chǎn)用該低電壓電磁鉚接設備。

電磁鉚接技術的另一種應用是自動鉆鉚設備，圖3是波音787機身段鉚接過程中使用的自動化鉆鉚設備。自動化鉆鉚設備可以自動完成鉆孔、锪窩、涂膠、插釘、電磁鉚接等工作，工作效率高，裝配可靠，鉚接質量好[7]。

2.2 國內電磁鉚接技術應用情況

國內電磁鉚接技術起步較晚，目前主要集中在高校以及研究所，其中西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學以及航空制造625所分別研制出電磁鉚接設備，但該電磁鉚接設備均在試驗階段，未投入批量生產(chǎn)。目前，國內飛機制造商主要從國外引進電磁鉚接設備，但由于技術封鎖，電磁鉚接工藝參數(shù)需自行研究。

3 電磁鉚接技術在直升機領域應用前景

直升機結構的破壞形式主要為疲勞破壞，疲勞強度在直升機結構設計中占由及其重要的地位，在鉚釘孔周圍尤其易出現(xiàn)疲勞裂紋。電磁鉚接是一種新型鉚接工藝，鉚釘在幾百微秒時間內完成成形，鉚釘桿和鐓頭幾乎同時完成成形，鉚釘桿變形均勻，在釘桿和釘孔之間形成均勻的干涉量[8]。電磁鉚接通過控制鉚接電壓以及鉚模結構，可以得到最佳干涉量，能顯著提高結構疲勞壽命。

為減輕結構重量，復合材料在直升機中應用比重越來越大。如“虎”直升機復合材料占結構重量的80%以上，NH90的機身全部采用復合材料[9]。目前復合材料鉚接中主要采用拉鉚的方式進行鉚接，鉚釘和釘孔之間為間隙配合，在復合材料連接處易出現(xiàn)疲勞破壞。電磁鉚接是一種沖擊距離為零的新型鉚接工藝，相對于普通鉚接能夠減輕對復合材料結構的損傷[10]。通過控制電磁鉚接參數(shù)，可以實現(xiàn)小而均勻的干涉量，能夠提高復合材料鉚接質量。

4 結語

電磁鉚接在復合材料結構鉚接，大直徑難成形鉚釘鉚接等方面相對于傳統(tǒng)鉚接有顯著優(yōu)勢，通過控制工藝參數(shù)，可以得到最佳干涉量，將電磁鉚接技術應用在直升機裝配制造中，能夠顯著提高直升機疲勞壽命。

參考文獻

[1] 曹增強，劉洪.電磁鉚接技術[J].塑性工程學報，2007（01）：120-123.

[2] 余祥峰.鈦合金鉚釘電磁鉚接破壞行為研究[D].福州大學，2014.

[3] P.B. Zieve， J.Hartmann.High Force Density Eddy Current Driven Actuator[J].IEEE Transactions on Magnetics.1988，24（6）：3144-3146.

[4] J. Hartmann， T. Brown.Integration and Qualification of the HH500 Hand Operated Electromagnetic Riveting System on the 747 Section11[J]. SAE International.1993：01-1760.

[5] P. B. Zieve， S.Tomchick， R. Flynn. Implementation of the HH550 Electromagnetic Riveter and Multi-Axis Manlift for Wing Panel Pickup[J]. SAE International.1996：01-1883.

[6] R.C.Devlieg.Lightweight Handheld EMR with Spring-Damper Handle[J].SAE International.2000：01-3031.

[7] 姜杰鳳.電磁鉚接技術在大飛機鉚接裝配上的應用[J].機械工程與自動化，2011（03）：167-169.

[8] 曹增強.電磁鉚接技術在大飛機制造中的應用初探[J].航空學報，2008（03）：716-720.

[9] 吳希明.直升機技術現(xiàn)狀、趨勢和發(fā)展思路[J].航空科學技術，2012（04）：13-16.

[10] 曹增強.新機研制中的復合材料結構裝配關鍵技術[J].航空制造技術，2009（15）：40-42.