自激勵式電磁鉚接鉚釘鐓頭變形試驗研究

（福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350108）

整體化、輕量化、高承載能力是新型航空航天飛行器發(fā)展的重要方向。由于技術(shù)條件限制，新型飛行器還難以實現(xiàn)完全整體化，因而不可避免地采用多種機械連接方法[1—3]，其中，鉚接是目前應(yīng)用最為廣泛的連接方法之一，飛行器中蒙皮與框架的連接幾乎全部采用鉚接方式。

為實現(xiàn)輕量化，高強度鋁合金和鈦合金已成為目前航空航天裝備的首選材料。同時，為實現(xiàn)高承載能力，飛行器鉚接部段連接強度對鉚釘直徑也提出了相應(yīng)要求，目前越來越多地采用高強度大直徑（≥6 mm）鉚釘[4—6]。鉚釘成形質(zhì)量是保證航空航天飛行器長壽命、穩(wěn)健運行的關(guān)鍵，據(jù)統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)破壞的60%～80%發(fā)生在連接處[7]，所以，鉚接成形質(zhì)量的有效控制是鉚接裝配技術(shù)的關(guān)鍵問題，因此，如何實現(xiàn)高強度大直徑鉚釘?shù)母哔|(zhì)量成形與鉚接質(zhì)量的有效控制備受航空航天領(lǐng)域的關(guān)注與重視。

目前，鉚釘成形主要為采用液壓驅(qū)動的壓鉚和高壓氣體驅(qū)動的氣鉚[8]。受結(jié)構(gòu)開敞性的限制，大功率壓鉚機在許多情況下無法工作。對于高強度鉚釘，氣鉚存在鉚接力不足、鉚接后座力大、鉚接噪音大和鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，采用電磁力驅(qū)動的電磁鉚接能有效克服上述問題[9—14]，但傳統(tǒng)電磁鉚接驅(qū)動力的產(chǎn)生本質(zhì)上是基于“感應(yīng)式”原理[9]。通過線圈放電電流與驅(qū)動片感應(yīng)渦流之間的相互作用產(chǎn)生電磁力，推動放大器使鉚釘產(chǎn)生塑性變形，從而實現(xiàn)材料的連接。由于驅(qū)動片渦流源于線圈電流與驅(qū)動片的電磁感應(yīng)，因而線圈放電電流與驅(qū)動片感應(yīng)渦流之間不能實現(xiàn)完全耦合，導(dǎo)致設(shè)備能量利用率低、鉚接驅(qū)動力偏小，難以滿足高強度大直徑鉚釘成形的需求。針對這一問題，筆者對自激勵式電磁鉚接開展了初步研究，驗證了其原理的可行性[15]，但是，自激勵式電磁鉚接與感應(yīng)式電磁鉚接有顯著的不同。相對于感應(yīng)式電磁鉚接，自激勵式電磁鉚接其驅(qū)動力的產(chǎn)生、驅(qū)動力與變形之間的耦合關(guān)系等將要更為復(fù)雜，為掌握自激勵式電磁鉚接驅(qū)動力的作用方式，確定合理的工藝參數(shù)，探究鉚釘變形規(guī)律，文中研究了放電電壓、放電電容及線圈結(jié)構(gòu)對線圈放電電流和鉚釘鐓頭變形的影響，與感應(yīng)式電磁鉚接進(jìn)行對比，為揭示自激勵式電磁鉚接機理奠定基礎(chǔ)。

1 自激勵式電磁鉚接原理

感應(yīng)式電磁鉚接原理示意圖如圖1 所示。感應(yīng)式電磁鉚接在放電過程中通過線圈放電電流與驅(qū)動片感應(yīng)電流之間的相互作用產(chǎn)生鉚接驅(qū)動力。驅(qū)動片的電流通過感應(yīng)產(chǎn)生，其感應(yīng)電流大小取決于放電線圈與驅(qū)動片之間的互感系統(tǒng)，屬于被動控制。自激勵式電磁鉚接原理示意圖如圖2 所示。與感應(yīng)式電磁鉚接不同，自激勵式電磁鉚接采用兩個線圈進(jìn)行同時放電，每一個線圈接入在一個獨立的放電回路中，用線圈來代替感應(yīng)式電磁鉚接中的驅(qū)動片。線圈1 與感應(yīng)式原理的線圈相同，將驅(qū)動片用線圈2 代替，兩個線圈通過自身回路同時放電，通過兩線圈上“自激勵”放電電流的相互作用產(chǎn)生鉚接驅(qū)動力。自激勵式電磁鉚接與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電磁鉚接有顯著區(qū)別，將“感應(yīng)式”變?yōu)椤白约钍健保瑢崿F(xiàn)了鉚接驅(qū)動力的主動控制，提高了控制的靈活性。自激勵式電磁鉚接通過主動控制兩回路激勵電流，可對鉚接驅(qū)動力幅值及其作用時間進(jìn)行獨立控制，拓寬脈沖載荷幅值與作用時間的調(diào)整范圍，可滿足不同材料對鉚接驅(qū)動力和加載速率的要求，相對于感應(yīng)式電磁鉚接具有顯著優(yōu)勢。

圖1 感應(yīng)式電磁鉚接原理Fig.1 Principle of inductive electromagnetic riveting

圖2 自激勵式電磁鉚接原理Fig.2 Principle of self-excited electromagnetic riveting

2 試驗

以航空航天最常采用的2A10 半圓頭鉚釘為研究對象，其尺寸為Φ6 mm×15 mm。2A10 是Al-Cu-Mg系硬鋁合金，具有較高的剪切強度，在退火、淬火、時效和熱態(tài)下均具有良好的塑性，由于其耐蝕性不強，鉚釘進(jìn)行Ct·0 表面處理防止腐蝕。試驗中主要研究鉚釘鐓頭的變形規(guī)律，所以使用分瓣鉚模代替被連接件，以方便取出鉚釘，試驗工裝如圖3 所示。自激勵式電磁鉚接中平板線圈的具體尺寸如表1 所示。感應(yīng)式電磁鉚接中線圈尺寸與自激勵式相同，驅(qū)動片為紫銅板。試驗設(shè)備采用福州大學(xué)自主研制的單/雙回路低電壓電磁鉚接設(shè)備，內(nèi)徑均為40 cm，導(dǎo)線高度均為10 cm，其他具體參數(shù)如表2。試驗中鉚釘?shù)耐馍炝烤鶠?.2 倍的鉚釘直徑，線圈放電電流可通過羅果夫斯基柔性線圈及示波器構(gòu)成的測試系統(tǒng)測量。

圖3 電磁鉚接工裝三維視圖Fig.3 3D view of electromagnetic riveting tooling

表1 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of coils

表2 電磁鉚接設(shè)備技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of electromagnetic riveting equipment

3 結(jié)果及分析

電磁鉚接放電能量是衡量設(shè)備鉚接能力的最重要參數(shù)，主要由放電電壓和放電電容決定，見式（1）。

式中：E為放電能量；C為放電電容；U為放電電壓。

在鉚釘變形的工藝研究中，最重要的就是放電電壓和放電電容參數(shù)。同時，在電磁鉚接中鉚接驅(qū)動力來源于線圈的放電，所以線圈參數(shù)也是工藝研究的重點。線圈參數(shù)主要包括線圈匝數(shù)、導(dǎo)線寬度及線圈直徑大小等。線圈參數(shù)影響系統(tǒng)的電阻和電感，所以放電電壓、放電電容、系統(tǒng)電阻和電感是電磁鉚接中最重要的幾個工藝參數(shù)，而這幾個參數(shù)之間又相互影響。為了確定合理的工藝參數(shù)，文中研究了各參數(shù)對鉚釘變形的影響。

3.1 放電電壓對鉚釘鐓頭變形的影響

放電電壓是電磁鉚接中最重要的參數(shù)之一，放電電壓影響放電電流，放電電流大小決定了鉚接驅(qū)動力的大小。為了研究放電電壓對鉚釘鐓頭的變形影響，在感應(yīng)式與自激勵式電磁鉚接中需保證相同的放電能量。由于感應(yīng)式電磁鉚接中電容值是自激勵式單回路中電容值的2 倍，在相同放電電壓下，感應(yīng)式電磁鉚接中的放電能量是自激勵式電磁鉚接單回路中的2倍。自激勵式電磁鉚接的總能量是2 個回路能量之和，所以在相同放電電壓下，自激勵式電磁鉚接與感應(yīng)式電磁鉚接放電能量相同。

圖4 不同電壓下成形鉚釘Fig.4 Forming rivets at different voltages

圖5 不同電壓下鉚釘鐓頭的尺寸變化Fig.5 Variation of rivet head dimension at different voltages

在相同放電能量下，不同放電電壓成形鉚釘鐓頭如圖4 所示。鉚釘鐓頭的尺寸用鐓頭直徑和鐓頭高度來衡量。通過測量變形后鉚釘鐓頭尺寸，可獲得鐓頭尺寸隨放電電壓的變化，其結(jié)果如圖5 所示。隨著放電電壓的升高，鉚釘鐓頭高度減小，鐓頭直徑增加。隨著放電電壓升高，電磁鉚接放電能量增加，鉚接變形力增加，鉚釘變形量增大。改變放電電壓是改變鉚接驅(qū)動力的有效方式。在相同放電能量下，自激勵式電磁鉚接鉚釘鐓頭變形量要大于感應(yīng)式，且隨著放電電壓的升高，兩者之間的差別越大。有上述分析可知，在相同放電能量下，自激勵式電磁鉚接驅(qū)動力大于感應(yīng)式，自激勵式電磁鉚接的能量利用率大于感應(yīng)式，且隨著能量的增加，兩者之間的差別越大。

不同放電電壓下，感應(yīng)式電磁鉚接線圈放電電流和自激勵式電磁鉚接中線圈1 放電電流如圖6 所示。對于同一種鉚接形式，隨著放電電壓的升高，放電電流幅值增加，周期略有增加。在相同放電電壓下，相對于感應(yīng)式電磁鉚接，自激勵式電磁鉚接放電電流幅值要小，但大于感應(yīng)式放電電流幅值的一半，周期大約為感應(yīng)式周期的一半。這是由于自激勵式電磁鉚接單個回路的放電電容僅為感應(yīng)式的一半所致，其能量也是感應(yīng)式的一半。

圖6 不同電壓下放電電流的變化Fig.6 Variation of discharge current at different voltages

電磁鉚接驅(qū)動力來源于兩電流的相互作用。感應(yīng)式電磁鉚接驅(qū)動力取決于線圈放電電流和驅(qū)動片感應(yīng)電流乘積的大小。由于驅(qū)動片為一塊銅板，其感應(yīng)電流的大小難以測量。自激勵式電磁鉚接驅(qū)動力取決于兩線圈放電電流乘積的大小，兩線圈的電流均可通過測量獲得。在兩線圈一致時，線圈中的放電電流將一致，所以自激勵式鉚接驅(qū)動力與某一線圈中放電電流的平方成正比。由于自激勵式電磁鉚接是兩路放電回路同時放電，保證了兩放電線圈電流的一致性，克服了感應(yīng)式電磁鉚接中線圈與驅(qū)動片的耦合問題，使鉚接驅(qū)動力增大，進(jìn)而鉚釘變形量增加，提高了放電能量利用率。同時由于兩線圈的放電電流處于各自的放電回路中，為鉚接驅(qū)動力的產(chǎn)生引入新方式，實現(xiàn)了鉚接驅(qū)動力的主動控制，提高了控制的靈活性，所以自激勵式電磁鉚接是一種動力源可控的連接方法。

3.2 放電電容對鉚釘鐓頭變形的影響

放電電容也是電磁鉚接中最重要的參數(shù)之一，放電電容除了決定放電能量大小外，放電電容還是影響放電電流的重要參數(shù)，對其幅值和周期都有影響。試驗中，為了保證放電能量一致，在改變放電電容時，其放電電壓也將隨之改變。不同放電電容鉚釘鐓頭變形如圖7 所示（其中的放電電容為兩放電回路之和，自激勵式單路放電電容為1/2）。在相同放電電容下，隨著放電電壓的升高，鉚釘變形量增大。在放電電容為192 000 μF 時，150 V 即能實現(xiàn)直徑6 mm 鉚釘?shù)某尚?。隨著放電電容減小，成形鉚釘?shù)姆烹婋妷涸黾印．?dāng)放電電容為48 000 μF 時，300 V 也能實現(xiàn)鉚釘?shù)某尚?。對于該設(shè)備，其鉚接能力的極限遠(yuǎn)未達(dá)到，在400 V 內(nèi)，可以實現(xiàn)直徑大于6 mm 的高強度鉚釘?shù)某尚?，所以，采用自激勵式電磁鉚接是實現(xiàn)高強度大直徑鉚釘成形的有效方式。

不同放電電容鉚釘鐓頭尺寸如圖8 所示。自激勵式電磁鉚接在放電能量相同時，當(dāng)放電電容為96 000 μF 時，鉚釘?shù)淖冃瘟孔畲?。?dāng)放電電容為192 000 μF 和48 000 μF 時，鉚釘?shù)淖冃瘟烤∮诖酥?。放電電容增加，設(shè)備的放電能量增加，但其能量利用率并未隨之增加，說明鉚接設(shè)備存在最佳的能量利用率。由放電電壓對鉚釘變形影響可知，提高放電電壓是提高鉚接力最有效的措施，且放電電壓越高，鉚接力變化越大。當(dāng)放電電容為48 000 μF 時，其放電電壓為300 V，明顯高于其他組放電電容下的放電電壓，但其鉚釘變形量并不是最大，所以對于自激勵式電磁鉚接而言，在放電電容為96 000 μF 時，鉚釘變形量最大，設(shè)備能量利用率最高，為較為理想的工藝參數(shù)。感應(yīng)式電磁鉚接在放電能量相同時，鉚釘鐓頭變形量隨著放電電容的增加而降低，能量利用率隨著設(shè)備放電電容的增加而降低。放電電容為48 000 μF時，鉚釘鐓頭變形量最大，能量利用率最高。這與自激勵式電磁鉚接的變化規(guī)律是不同的。

圖7 不同電容下成形的鉚釘Fig.7 Forming rivets at different capacitances

圖8 不同電容下鉚釘鐓頭尺寸變化Fig.8 Variation of rivet head dimension at different capacitances

相同放電能量下，不同放電電容時線圈放電電流如圖8 所示。隨著放電電容增加，兩種鉚接形式的放電電流幅值均減小，周期均增大，到達(dá)電流峰值所需時間均增加。鉚釘變形是鉚接驅(qū)動力幅值在一定時間下的作用效果。對于自激勵式電磁鉚接，放電電容增加，兩線圈電流乘積值減小，鉚接驅(qū)動力幅值減小，放電電流周期增加，鉚接驅(qū)動力作用時間增加，兩者在某一電容值下?lián)碛凶顑?yōu)的匹配關(guān)系，此時鉚釘變形量最大，能量利用率最高；對于感應(yīng)式電磁鉚接，放電電容減小使鉚接驅(qū)動力幅值增加的影響大于鉚接驅(qū)動力作用時間減小的影響，表現(xiàn)為在相同放電能量下鉚釘鐓頭變形量隨著放電電容的減小而增大。所以，對于某一種材料而言，為了獲得鉚釘最大的變形程度，需要綜合考慮放電電流的幅值和周期。對于感應(yīng)式電磁鉚接，放電電容和放電線圈確定以后，放電電流的周期基本確定，其幅值可通過改變放電電壓進(jìn)行調(diào)整，但周期基本無法調(diào)整。對于自激勵式電磁鉚接，放電電容確定以后，可以對兩個放電線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩個放電線圈的匝數(shù)可以一致也可以不同，其周期的調(diào)節(jié)范圍要比感應(yīng)式大得多，也更為靈活，可以滿足不同材料對于加載速率的要求，提高了加載速率調(diào)節(jié)的柔性。

圖9 放電能量為2160 J 時不同電容下放電電流的變化Fig.9 Variation of discharge current at different capacitances when the discharge energy is 2160 J

3.3 放電線圈參數(shù)對鉚釘鐓頭變形的影響

3.3.1 線圈匝數(shù)

匝數(shù)是放電線圈最重要的參數(shù)，也是線圈設(shè)計的指標(biāo)之一。在導(dǎo)線截面尺寸相同時，匝數(shù)不同，線圈的外徑不同。不同匝數(shù)下鉚釘鐓頭試樣及尺寸如圖11 和12 所示。自激勵式18 匝和32 匝線圈鉚釘試樣變形量差別不大，感應(yīng)式32 匝線圈鉚釘鐓頭變形量大于18 匝線圈。對于感應(yīng)式而言，線圈匝數(shù)增加，鉚釘鐓頭變形量增加，能量利用率增加。在150 V 時，感應(yīng)式電磁鉚接32 匝線圈鉚釘鐓頭變形量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自激勵式電磁鉚接18 匝線圈鉚釘鐓頭的變形量，進(jìn)一步說明自激勵式電磁鉚接能量利用率高于傳統(tǒng)感應(yīng)式電磁鉚接的能量利用率。

圖10 不同線圈匝數(shù)下成形的鉚釘Fig.10 Forming rivets at different turns

圖11 不同線圈匝數(shù)下鉚釘鐓頭尺寸的變化Fig.11 Variation of rivet head dimension at different turns

圖12 不同線圈匝數(shù)下放電電流的變化Fig.12 Variation of discharge current at different turns

電壓150 V 時，不同匝數(shù)線圈放電電流如圖12所示。隨著線圈匝數(shù)增加，放電電流幅值降低，周期增大。線圈電感與線圈匝數(shù)平方成正比，而整個電磁鉚接系統(tǒng)電感則主要來自于線圈電感，線圈匝數(shù)決定了系統(tǒng)的電感。線圈匝數(shù)增加，系統(tǒng)電感增加，阻礙回路中放電電流的變化，所以放電電流幅值降低，周期增大。鉚釘變形是沖頭對鉚釘做功的結(jié)果，既取決于鉚接力的大小又取決于鉚接力持續(xù)時間。雖然電感增加使回路中放電電流幅值降低，但其周期增加，使得整體上呈現(xiàn)有利于鉚釘變形的趨勢。同時線圈匝數(shù)增加，線圈電阻增加，也會影響線圈放電電流的幅值和周期，使得電路中的能量損耗變大，將影響能量的分配，改變能量的利用率。對于自激勵式電磁鉚接，線圈匝數(shù)增加，電感增加使能量利用率增加，但電阻增大使能量利用率下降，二者的改變量接近，最終導(dǎo)致不同線圈鉚釘鐓頭變形量相似，能量利用率并未明顯增加；對比感應(yīng)式電磁鉚接，線圈匝數(shù)增加，電感的影響要強于電阻的影響，鉚釘鐓頭變形量增大，能量利用率增加。

3.3.2 線圈導(dǎo)線寬度

線圈的結(jié)構(gòu)一旦確定，導(dǎo)線的纏繞面積就保持不變，導(dǎo)線寬度決定了線圈的匝數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)電感及電阻。改變線圈2 的線寬，導(dǎo)線寬度越寬，繞制線圈的匝數(shù)越少。不同導(dǎo)線寬度下鉚釘鐓頭試樣及尺寸如圖13 和14 所示。導(dǎo)線越寬，鉚釘鐓頭變形量越小。導(dǎo)線寬度越小，其匝數(shù)越大，線圈電感也越大，有利于鉚釘?shù)淖冃?。?dǎo)線截面積減小，導(dǎo)線長度增加，會使線圈電阻增加，導(dǎo)致線路上的能量損耗增加。對于現(xiàn)有線圈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線寬度減小使電感增加的影響大于電阻增大的影響，導(dǎo)線寬度較小時鉚釘鐓頭變形量較大。不同導(dǎo)線寬度下放電電流如圖15 所示。導(dǎo)線寬度越寬，放電電流幅值越大，周期越短。從鉚釘鐓頭的變形量看，并非放電電流幅值越高，周期越短的鉚釘鐓頭變形量最大。要提高鉚接的能量利用率，考慮放電電流的幅值與作用時間的綜合效果。

圖13 不同導(dǎo)線寬度下成形的鉚釘Fig.13 Forming rivets at different wire widths

圖14 不同導(dǎo)線寬度下鉚釘鐓頭尺寸的變化Fig.14 Variation of rivet head dimension at different wire widths

4 結(jié)論

1）自激勵式電磁鉚接驅(qū)動力源于兩放電線圈電流的相互作用，是一種動力源可控的連接方法，為鉚接驅(qū)動力的產(chǎn)生引入新方式，實現(xiàn)了鉚接驅(qū)動力的主動控制，提高了控制的靈活性，可以滿足不同材料對加載速率的要求，提高了加載速率調(diào)節(jié)的柔性。

圖15 不同導(dǎo)線寬度下放電電流的變化Fig.15 Variation of discharge current at different wire widths

2）自激勵式電磁鉚接是兩路放電回路同時放電，保證了兩放電線圈電流的一致性，克服了感應(yīng)式電磁鉚接中線圈與驅(qū)動片的耦合問題，其能量利用率較感應(yīng)式高，鉚接驅(qū)動力大，為高強度大直徑鉚釘?shù)某尚翁峁┮环N有效的方式。

3）鉚釘變形是鉚接驅(qū)動力幅值在一定時間下的作用效果，電壓、電容、電感和電阻是影響鉚接驅(qū)動力和放電電流幅值和周期的重要因素。確定合理的工藝參數(shù)，提高鉚接能量利用率，要綜合考慮放電電流幅值與作用時間的關(guān)系。