鈦合金鉚釘熱鉚一次合格率提升方法研究

劉 春，藍(lán)玉龍，詹有河，茍德森

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

由于鈦合金材料具有強度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，在新一代飛機結(jié)構(gòu)中獲得廣泛應(yīng)用[1–3]，鈦合金鉚釘鉚接在飛機結(jié)構(gòu)裝配中占比也越來越高；但鈦合金鉚釘強度高、塑性差[4–6]，鐓頭形成困難，采用常規(guī)鉚槍鉚接，隨著錘擊次數(shù)的增加，釘桿冷作硬化，鉚釘鐓頭容易產(chǎn)生裂紋，鉚接質(zhì)量難以保證[7]。因此，行業(yè)內(nèi)主要采用熱鉚方式進(jìn)行鈦合金鉚釘鉚接，通過熱鉚機的兩個輸出電極分別連接在鉚卡和頂鐵上，當(dāng)鉚卡頂鐵與鉚釘接觸時，通過鈦合金鉚釘?shù)乃查g強電流使鉚釘產(chǎn)生電阻熱，使鉚釘達(dá)到塑性變形溫度后再進(jìn)行鉚接成型[8–9]，如圖1所示。

為克服現(xiàn)有鈦合金鉚釘熱鉚中存在的問題，本文提出一種熱鉚系統(tǒng)優(yōu)化方法，并基于此方法完善熱鉚工藝參數(shù)，通過鈦合金鉚釘熱鉚試驗驗證，實現(xiàn)鈦合金鉚釘熱鉚一次合格率大幅提升。

1 鈦合金鉚釘熱鉚問題原因分析

結(jié)合目前熱鉚過程，鈦合金鉚釘熱鉚問題原因分析如下：

（1）鉚釘鐓頭成形不足：實際操作時加熱時間過短，鈦合金鉚釘尚未達(dá)到塑性變形溫度，導(dǎo)致鐓頭成型不足。

（2）鉚釘釘頭出現(xiàn)灰黃色氧化層：通過試驗驗證，鈦合金鉚釘長時間加熱，釘頭會逐漸變成灰黃色，實際操作時，鉚釘加熱時間過長會導(dǎo)致釘頭表面氧化。

（3）鐓頭表面出現(xiàn)灼傷凹坑：鈦合金鉚釘熱鉚時處于通電狀態(tài)，鉚接時在鉚卡離開鉚釘?shù)乃查g會形成電弧，產(chǎn)生電火花，引起鉚釘鐓頭上的灼傷凹坑。

綜上分析，鐓頭成形不足和釘頭現(xiàn)灰黃色氧化層原因是加熱時間無法精確控制，鐓頭表面灼傷原因是鉚接過程鉚釘帶電。

2 熱鉚系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合前述熱鉚問題分析，在現(xiàn)有熱鉚系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計了1套PLC控制系統(tǒng)和上位機操作界面，實現(xiàn)熱鉚過程加熱時間精確自動控制和鉚接自動斷電等功能。

但是，在衡陽市水稻生產(chǎn)發(fā)展過程中依舊存在一些亟待解決的問題，農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施運行效果差、土地流轉(zhuǎn)機制顧慮多以及時限控制較長、農(nóng)業(yè)保險項目發(fā)展滯后等問題嚴(yán)重制約了衡陽市水稻生產(chǎn)工作規(guī)范化和規(guī)?；芾眢w系的發(fā)展進(jìn)程，甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟損失，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)進(jìn)步形成制約，需要引起衡陽市當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)監(jiān)管部門的高度重視和關(guān)注。

2.1 熱鉚PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

熱鉚PLC控制系統(tǒng)梯形圖如圖2所示。其中，X000是熱鉚啟動按鈕，為常開觸控式開關(guān)；M0、M1為輔助繼電器，分別控制加熱線路和壓縮空氣電磁閥的通斷；T0、T1為定時器，k0、k1為定時時間。

熱鉚啟動時，X000常開觸點閉合，M0線圈通電， M0常開觸點閉合，鎖定M0線圈通電，加熱線路接通，鉚釘通電，開始加熱；T0定時器開始計時，經(jīng)k0時間后，T0定時器動作，T0常閉觸點斷開，加熱線路斷開，鉚釘斷電，停止加熱；同時T0常開觸點接通，M1線圈通電，壓縮空氣電磁閥接通，開始通氣，鉚接開始；T1定時器開始計時，經(jīng)k1時間后，T1定時器動作，T1常閉觸點斷開，M1線圈斷電，停止通氣，鉚接結(jié)束。

通過上述PLC系統(tǒng)，可實現(xiàn)加熱時間精確控制，k0即為加熱時間，可通過系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置；同時，加熱結(jié)束后系統(tǒng)自動斷電、自動通氣，確保鉚接過程處于斷電狀態(tài)，且斷電和通氣為同步動作，避免因鉚接作業(yè)滯后、鉚釘快速冷卻導(dǎo)致鉚接成形難的問題。

2.2 熱鉚上位機操作界面設(shè)計

因飛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部位鈦合金鉚釘直徑和長度也各不相同，其熱鉚加熱時間也會有較大差異，為此，設(shè)計1套上位機操作界面，主要包括熱鉚參數(shù)賦值界面和熱鉚加工界面，分別如圖3、4所示。其中，熱鉚參數(shù)賦值界面對不同類型鉚釘?shù)募訜釁?shù)進(jìn)行設(shè)置并存入數(shù)據(jù)庫；熱鉚加工界面是熱鉚前對鈦合金鉚釘長度和直徑進(jìn)行選型，將數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的加熱時間導(dǎo)入PLC系統(tǒng)寄存器中，即為前述T0定時器的k0，從而實現(xiàn)熱鉚加熱時間精確控制。

圖1 熱鉚原理圖Fig.1 Principle of hot riveting

圖2 PLC控制系統(tǒng)梯形圖Fig.2 Diagram of PLC control system

圖3 上位機熱鉚參數(shù)賦值界面Fig.3 Hot riveting parameter setting interface

圖4 上位機熱鉚加工界面Fig.4 Hot riveting processing interface

熱鉚系統(tǒng)優(yōu)化后外部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 熱鉚工藝參數(shù)試驗與計算方法

3.1 鉚釘加熱模型

鉚釘加熱模型可用如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表述：

其中，W為功；U為電壓；I為電流；T為加熱時間。

其中，Q為熱量；C為比熱容；m為質(zhì)量；Δt為鉚釘溫度差。

其中，Q為熱量；W為功；η為轉(zhuǎn)化率。

由式（1）（2）（3）可得：

其中，建立了熱鉚過程中加熱時間T與鈦合金鉚釘溫度變化Δt的函數(shù)關(guān)系。

3.2 鉚釘加熱試驗

為獲得鈦合金鉚釘?shù)募訜釙r間與鉚釘溫度的對應(yīng)關(guān)系，對鉚釘進(jìn)行了加熱試驗，采用接觸式溫度傳感器對鉚釘溫度進(jìn)行實時檢測，如圖6所示，加熱過程中記錄加熱時間T和鉚釘溫度t對應(yīng)參數(shù)點10組，(t1，T1)，(t2，T2)，…，(t10，T10)，存入上位機熱鉚參數(shù)賦值界面。

3.3 熱鉚加熱時間計算方法

依據(jù)加熱試驗數(shù)據(jù)，上位機采用牛頓插值法得到加熱時間與鉚釘溫度函數(shù)關(guān)系，如式（5）、（6）所示。

圖5 新型熱鉚系統(tǒng)圖Fig.5 New hot riveting system

根據(jù)工藝規(guī)范已知鈦合金目標(biāo)加熱溫度t0，上位機可以計算得到所需加熱時間T0。

4 熱鉚試驗驗證

為了對熱鉚工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，基于優(yōu)化后的新型熱鉚系統(tǒng)開展熱鉚試驗。

鉚釘牌號：結(jié)合生產(chǎn)實際，選用5種常用鈦合金 鉚 釘，GJB120.3–4×10，4×12，4×14（盆 頭 鉚 釘），GJB120.1–4×12，4×14（沉頭鉚釘）。

試板材料：鋁合金7075；厚度5mm兩塊，每塊制φ4.1通孔100個； 厚度7mm兩塊，每塊制φ4.1通孔100個，其中一塊另制φ4.1孔并锪窩20個；厚度9mm各兩塊，每塊制φ4.1通孔100個，其中一塊另制φ4.1孔并锪窩20個；鉚接總數(shù)640顆。

具體鉚接效果如圖7所示，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖8所示。試驗結(jié)論為：

圖6 鉚釘加熱試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of rivet heating test

圖7 改進(jìn)前后熱鉚效果對比圖Fig.7 Comparison of hot riveting effect before and after improvement

圖8 鉚接試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.8 Statistics of riveting test datas

（1）完成鈦合金鉚釘鉚接共計640顆，鉚接合格鉚釘達(dá)到628顆，熱鉚一次合格率達(dá)到98.1%，相較于改進(jìn)前不足40%（根據(jù)生產(chǎn)實際統(tǒng)計）,熱鉚一次合格率得到大幅提升。

（2）12顆不合格鉚釘中未出現(xiàn)鐓頭灼傷，熱鉚系統(tǒng)鉚接自動斷電控制方法可有效避免鐓頭灼傷。

（3）12顆不合格鉚釘中未出現(xiàn)鐓頭過燒現(xiàn)象，鐓頭成型不足比例大幅下降，熱鉚系統(tǒng)加熱時間精確控制方法可有效減少鐓頭過燒或成形不足現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）在熱鉚系統(tǒng)中，基于PLC控制可實現(xiàn)加熱結(jié)束自動斷電、自動通氣鉚接功能，確保鉚接過程不帶電，避免鈦合金鉚釘熱鉚鐓頭灼傷。

（2）通過上位機界面設(shè)置不同長度、直徑鈦合金鉚釘熱鉚參數(shù)，可實現(xiàn)不同類型鉚釘熱鉚加熱時間精確控制，可大幅減少鐓頭過燒或成形不足現(xiàn)象。

（3）通過鉚釘加熱試驗，記錄不同時間對應(yīng)鉚釘釘頭溫度，基于牛頓插值法計算得到目標(biāo)加熱溫度所對應(yīng)的加熱時間，可為熱鉚加熱時間精確控制提供數(shù)據(jù)支撐。