磁阻型電磁鉚接工藝研究

方炳鑫，呂楓，江星瑩，范治松，鄧將華

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

鉚接由于操作簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠，是目前航空航天飛行器制造中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械連接方法之一，常見(jiàn)的鉚接方式有氣鉚和壓鉚[1—4]。對(duì)于高強(qiáng)度和大直徑鉚釘，鉚釘變形所需的鉚接力較大，氣鉚存在鉚接力不足、后坐力大和鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題[5]。大功率壓鉚機(jī)能滿足鉚接力的要求，但對(duì)結(jié)構(gòu)開敞性要求較高，在結(jié)構(gòu)受限區(qū)域常常無(wú)法使用。為了解決難成形材料和大直徑鉚釘?shù)你T接問(wèn)題，研究人員將電磁成形技術(shù)應(yīng)用于鉚接領(lǐng)域，有效克服了上述問(wèn)題，成為異種材料連接的新方式[6—12]。電磁鉚接技術(shù)經(jīng)歷了從高電壓到低電壓的發(fā)展階段，低電壓電磁鉚接能解決應(yīng)變速率敏感材料鐓頭開裂和設(shè)備安全性問(wèn)題，是目前普遍采用的方式，也是其被廣泛應(yīng)用的原因。美國(guó)和中國(guó)基本上采用原理相同的低電壓電磁鉚接技術(shù)，而俄羅斯采用的低壓電磁鉚接技術(shù)原理略有不同[3]。

電磁鉚接基于電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生鉚接驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)片上感應(yīng)電流屬于被動(dòng)控制，很大程度上取決于放電線圈電流的大小。為了實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電流的主動(dòng)控制，提出了一種采用雙線圈的自激勵(lì)式電磁鉚接技術(shù)[13]。自激勵(lì)電磁鉚接與感應(yīng)式電磁鉚接最大的區(qū)別在于對(duì)放電電流的控制，感應(yīng)式僅控制一路電流，而自激勵(lì)式可控制兩路電流，可實(shí)現(xiàn)鉚接力的主動(dòng)控制，提高了鉚接能量利用率，是實(shí)現(xiàn)大直徑鉚釘成形的一種有效方式[14]。不管是感應(yīng)式還是自激勵(lì)式電磁鉚接，均采用平板線圈來(lái)產(chǎn)生電磁驅(qū)動(dòng)力。目前低電壓電磁鉚接工程化應(yīng)用的一個(gè)主要方向就是手持式鉚槍的輕量化[2]。為了實(shí)現(xiàn)鉚槍的輕量化，需采用小直徑平板線圈。鉚接力與線圈匝數(shù)息息相關(guān)，為了保證鉚接力的大小，平板線圈需一定的匝數(shù)。線圈匝數(shù)太少，設(shè)備能量利用率低，鉚接力小，無(wú)法保證鉚釘成形，因此平板線圈匝數(shù)不能太少，這就限定了線圈外徑的大小。電磁鉚接排斥力產(chǎn)生原理制約了電磁鉚槍進(jìn)一步小型化。

電磁力可分為排斥力和吸引力，產(chǎn)生電磁力的方法和形式是多樣的，除平板線圈可產(chǎn)生電磁力外，螺線管線圈亦可產(chǎn)生電磁力。磁阻型電磁發(fā)射中的電磁力就來(lái)源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用。與平板線圈相比，螺線管線圈可沿軸向纏繞，相比于徑向纏繞，其直徑可以做得更小，有利于實(shí)現(xiàn)電磁鉚槍的小型化，因此將磁阻型電磁發(fā)射原理用于鉚釘?shù)某尚蝃15]，為鉚槍的輕型化提供了一種新的思路。磁阻型電磁鉚接采用螺線管線圈與彈丸之間相互作用產(chǎn)生的電磁吸引力使鉚釘成形，與傳統(tǒng)感應(yīng)式采用平板線圈與驅(qū)動(dòng)片之間的電磁排斥力成形有著本質(zhì)的區(qū)別。文中基于螺線管線圈產(chǎn)生的電磁吸引力，采用試驗(yàn)方法，探索相關(guān)參數(shù)對(duì)鉚釘鐓頭變形的影響，有利于加深對(duì)磁阻型電磁鉚接新技術(shù)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步豐富和完善電磁鉚接理論體系。

1 磁阻型電磁鉚接原理

磁阻型電磁鉚接是將磁阻型電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于鉚釘成形的一種鉚接方式，其原理如圖1 所示。磁阻型電磁鉚接原理與感應(yīng)式電磁鉚接原理最大的區(qū)別在于采取的放電線圈不同，導(dǎo)致了其產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的方式不同。二者可以采用相同的電源系統(tǒng)，僅需更換線圈和相應(yīng)工裝即可實(shí)現(xiàn)不同鉚接方式。

圖1 磁阻型電磁鉚接原理Fig.1 Principle of reluctance electromagnetic riveting

閉合充電開關(guān)4，交流電壓變壓后經(jīng)整流器2 整流，對(duì)電容器5 進(jìn)行充電。充電完畢后閉合開關(guān)6，電容器5 向螺線管線圈8 放電，激發(fā)磁場(chǎng)。在磁阻型電磁鉚接中，鉚接驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于螺線管線圈與彈丸的相互作用。由于彈丸為鐵磁性材料，在驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)的作用下彈丸會(huì)受到磁場(chǎng)力作用而加速發(fā)射。由于鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，相對(duì)空氣而言，鐵磁性材料的磁阻較小，磁通更容易通過(guò)，因此在螺線管線圈建立的磁場(chǎng)中，鐵磁性材料受磁場(chǎng)作用會(huì)朝著能使磁路磁阻達(dá)到最小的位置運(yùn)動(dòng)，從而使磁通能達(dá)到最容易通過(guò)的狀態(tài)。磁場(chǎng)使鐵磁性物質(zhì)磁化，而磁化后的鐵磁性物質(zhì)則會(huì)朝著磁場(chǎng)強(qiáng)度大的方向運(yùn)動(dòng)，如同被磁鐵吸引一般。當(dāng)鐵磁性彈體獲得足夠大的動(dòng)能與鉚模發(fā)生碰撞后，鉚模將力傳遞給鉚釘使鉚釘產(chǎn)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)異種材料的鉚接。

由于磁阻型電磁鉚接采用電磁吸引力成形，與感應(yīng)式電磁鉚接相比，在驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生方式上不同，其能量利用率也有差別。因此，采用螺線管線圈，有望突破現(xiàn)有平板線圈尺寸極限的限制，為鉚槍小型化提供一條新途徑。

2 試驗(yàn)條件與方法

航天航空中最常采用的鉚釘為鋁合金鉚釘，試驗(yàn)采用規(guī)格為Φ8 mm×24 mm 的2A10 半圓頭鉚釘，該材料具有良好的塑性和一定的應(yīng)變速率敏感性；彈丸材料為45#鋼淬火，直徑小于線圈骨架內(nèi)徑，為0.5 mm，且放置于骨架內(nèi)孔，彈丸頭部端面與線圈尾部端面平齊；鉚模材料為奧氏體不銹鋼，不受磁場(chǎng)影響。文中采用工藝模擬試驗(yàn)，通過(guò)比較成形鉚釘鐓頭變形量來(lái)衡量磁阻型電磁鉚接驅(qū)動(dòng)力的大小。試驗(yàn)中用可拆卸的分瓣模具代替被連接板，將不同連接板當(dāng)作同種材料處理。磁阻型電磁鉚接試驗(yàn)工裝如圖2 所示，采用螺線管線圈、螺線管線圈以骨架內(nèi)徑及導(dǎo)線規(guī)格命名。感應(yīng)式電磁鉚接試驗(yàn)工裝如圖3 所示，采用平板線圈。試驗(yàn)中線圈的具體尺寸如表1 所示，纏繞線圈的實(shí)物如圖4 所示。線圈以彈丸直徑尺寸和纏繞所用導(dǎo)線規(guī)格進(jìn)行命名，D P 2 8-3×4 為彈丸直徑為28 mm 且纏繞所用導(dǎo)線規(guī)格為3 mm×4 mm，規(guī)格為3 mm×4 mm 的導(dǎo)線表示其窄邊為3 mm，寬邊為4 mm，將窄邊纏繞于線圈骨架一側(cè)所制的線圈稱為DP28-3×4，而將寬邊纏繞于線圈骨架一側(cè)的線圈稱為DP28-4×3。試驗(yàn)設(shè)備采用福州大學(xué)自主研制的低電壓電磁鉚接設(shè)備，設(shè)備型號(hào)為EMR，最大充電電壓為400 V，最大電容值為96 000 μF，最大放電能量為7.68 kJ。

圖2 磁阻型電磁鉚接裝置三維示意Fig.2 3D view of reluctance electromagnetic riveting tooling

圖3 感應(yīng)式電磁鉚接裝置三維示意Fig.3 3D view of inductive electromagnetic riveting tooling

表1 驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of the coils

圖4 螺線管線圈實(shí)物Fig.4 Picture of solenoid coils

3 結(jié)果與分析

由磁阻型電磁鉚接原理可知，其電磁吸引力來(lái)源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用，彈丸上受到的電磁力是線圈與彈丸在放電過(guò)程中相互作用的結(jié)果，電磁力受眾多參數(shù)的影響。顯然，線圈與彈丸是磁阻型電磁鉚接中最關(guān)鍵的兩個(gè)元件，線圈和彈丸的相關(guān)參數(shù)及線圈與彈丸的相互關(guān)系會(huì)影響電磁力的大小。螺線管線圈由導(dǎo)線纏繞在線圈骨架上制成，纏繞線圈導(dǎo)線的截面尺寸、纏繞方式、纏繞層數(shù)和線圈內(nèi)外徑、長(zhǎng)度等均對(duì)電磁吸引力的大小有重要影響。文中在彈丸和線圈長(zhǎng)度相同（均為90 mm）、線圈纏繞層數(shù)為4 的條件下，探討導(dǎo)線截面尺寸和纏繞方式等參數(shù)對(duì)鉚釘變形的影響，為工藝參數(shù)的確定奠定基礎(chǔ)。

3.1 導(dǎo)線截面尺寸對(duì)鉚釘變形的影響

試驗(yàn)采用的線圈為DP28-2×3 和DP28-3×4，成形后2A10 鉚釘變形如圖5 所示。隨著放電電壓升高，鉚釘變形量增加，200 V 即可使直徑8 mm 的鉚釘產(chǎn)生塑性變形，顯然DP28-3×4 線圈所成形的鉚釘變形量要大于DP28-2×3 線圈，說(shuō)明在相同放電能量下，DP28-3×4 線圈產(chǎn)生的電磁力較大，其能量利用率較高。不同截面尺寸的線圈，其纏繞層數(shù)和線圈長(zhǎng)度雖然一致，但匝數(shù)是不同的，顯然線圈DP28-2×3 的匝數(shù)要大于線圈DP28-3×4。線圈匝數(shù)是影響彈丸受到電磁吸引力的重要因素，但并不意味著匝數(shù)越多，鉚釘變形量越大。

圖5 不同規(guī)格導(dǎo)線線圈的成形鉚釘Fig.5 Forming rivets with different specifications wire coils

3.2 彈丸直徑對(duì)鉚釘變形的影響

試驗(yàn)采用的線圈為 DP28-4×3 和 DP33-4×3，DP33-4×3 線圈成形的鉚釘如圖8 所示，隨著放電電壓的升高，鉚釘變形量增加。與圖6 相比可知，在相同放電電壓下，彈丸直徑為33 mm 的鉚釘變形量要大于彈丸直徑為28 mm 鉚釘?shù)淖冃瘟?。彈丸直徑不同，其質(zhì)量不同，最終導(dǎo)致彈丸的動(dòng)能亦不同，在彈丸與鉚模碰撞的過(guò)程中，其能量的轉(zhuǎn)化率不同，所以彈丸直徑對(duì)能量利用率有顯著影響。

圖6 DP28-4×3 成形鉚釘Fig.6 Forming rivets with DP28-4×3 coil

圖7 不同線圈成形鉚釘鐓頭高度Fig.7 Rivet head height with different coils

圖8 DP33-4×3 成形鉚釘Fig.8 Forming rivets with DP33-4×3 coil

3.3 電磁力產(chǎn)生方式對(duì)鉚釘變形的影響

試驗(yàn)中采取2 種方式產(chǎn)生電磁力，一種為傳統(tǒng)感應(yīng)式電磁鉚接，利用平板線圈與驅(qū)動(dòng)片之間產(chǎn)生的電磁排斥力驅(qū)動(dòng)鉚模作用于鉚釘，使鉚釘產(chǎn)生塑性變形；另一種為磁阻型電磁鉚接，利用螺線管線圈與彈丸之間產(chǎn)生的電磁吸引力驅(qū)動(dòng)彈丸作用于鉚釘，使鉚釘產(chǎn)生塑性變形。2 種電磁力的產(chǎn)生利用了相同電源，保證放電能量相同。感應(yīng)式電磁鉚接成形鉚釘如圖9所示。在300 V 時(shí)，鉚釘?shù)淖冃瘟颗c磁阻型220 V 時(shí)相當(dāng)，說(shuō)明磁阻型電磁鉚接所需的放電電壓更低，在相同放電能量下鉚接力更大，其能量利用率更高。在該試驗(yàn)中，磁阻型電磁鉚接螺線管線圈外徑為70 mm，內(nèi)徑為38 mm，而感應(yīng)式電磁鉚接平板線圈外徑為120 mm，內(nèi)徑為40 mm。二者線圈內(nèi)徑大致相同，而平板線圈外徑遠(yuǎn)大于螺線管線圈，但鉚接力卻更小，所以，磁阻型電磁鉚接能量利用率較高，可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度大直徑鉚釘?shù)某尚?，為電磁鉚槍的小型化提供了一種新的方式。

圖9 感應(yīng)式電磁鉚接平板線圈成形鉚釘Fig.9 Forming rivets with flat coil in inductive electromagnetic riveting

4 結(jié)論

1）磁阻型電磁鉚接驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于螺線管線圈與彈丸之間的相互作用，為電磁吸引力，與傳統(tǒng)感應(yīng)式電磁鉚接中來(lái)源于平板線圈與驅(qū)動(dòng)片相互作用產(chǎn)生的電磁排斥力有本質(zhì)差別，為鉚接驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生引入新方式，采用電磁吸引力亦可實(shí)現(xiàn)鉚釘成形。

2）磁阻型電磁鉚接可實(shí)現(xiàn)直徑為8 mm 高強(qiáng)度大直徑鉚釘?shù)某尚?，相同放電能量下，外徑?0 mm螺線管線圈鉚釘?shù)淖冃瘟看笥谕鈴綖?20 mm 平板線圈鉚釘?shù)淖冃瘟?，與感應(yīng)式電磁鉚接相比，磁阻型電磁鉚接能量利用率高，其線圈外徑更小，為電磁鉚槍的小型化提供一種新方式。

3）磁阻型電磁鉚接中彈丸受到的電磁吸引力是線圈與彈丸在放電過(guò)程中相互作用的結(jié)果，線圈和彈丸的相關(guān)參數(shù)是影響電磁吸引力的重要參數(shù)。導(dǎo)線截面尺寸為 2 mm×3 mm 的線圈鉚釘變形量小于 3 mm×4 mm 的線圈，彈丸直徑33 mm 鉚釘變形量要大于彈丸直徑28 mm 鉚釘?shù)淖冃瘟俊?/p>