大直徑、大長(zhǎng)徑比鉚釘一次成型電磁鉚接工藝

楊 燁，張登宇，侯東旭，于 亮，仝夢(mèng)佳

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

鉚接是火箭箭體結(jié)構(gòu)大量采用的連接形式之一。一直以來均采用傳統(tǒng)的手工氣動(dòng)錘鉚的工藝方法進(jìn)行鉚接。而火箭底部的主承力結(jié)構(gòu)因需承受整發(fā)火箭的質(zhì)量，大量采用了高強(qiáng)度的6 mm直徑大長(zhǎng)徑比鋁鉚釘。傳統(tǒng)的工藝方法存在成型困難、功率較小、噪聲大、后坐力大、效率低和鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定等不足。

電磁鉚接是20世紀(jì)70年代初，在電磁成型工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型鉚接工藝。它利用電磁脈沖技術(shù)獲得瞬時(shí)沖擊載荷作用于鉚釘成形，國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁鉚接的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)比較理想的干涉配合，對(duì)屈強(qiáng)比高、應(yīng)變速率敏感、強(qiáng)度高及大直徑鉚釘?shù)你T接具有特殊的功能，是解決大長(zhǎng)徑鉚釘難成形的有效途徑。

本文擬結(jié)合HH54電磁鉚接設(shè)備，通過原理分析、工藝試驗(yàn)等研究將電磁鉚接技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)載火箭主承力結(jié)構(gòu)大長(zhǎng)徑鉚釘?shù)你T接。實(shí)現(xiàn)該部位大長(zhǎng)徑鉚釘?shù)驮肼?、高效率、一次鉚接成型。

1 總體思路

本文采用HH54電磁鉚接設(shè)備，展開6 mm直徑大長(zhǎng)徑比鉚釘電磁鉚接工藝試驗(yàn)，從定鉚釘孔間隙、鉚釘外伸量、鉚模幾何構(gòu)形等方面進(jìn)行研究，制定最優(yōu)工藝參數(shù)，通過剪切、拉脫試驗(yàn)、微觀金相分析等驗(yàn)證鉚接強(qiáng)度及質(zhì)量可靠性，并編制工藝流程實(shí)現(xiàn)殼段應(yīng)用。主要技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 電磁鉚接技術(shù)研究方案Fig.1 Research Scheme of Electromagnetic Riveting Technology

2 一次成型電磁鉚接工藝參數(shù)研究

2.1 電磁鉚接專用鉚模設(shè)計(jì)

鉚接模具由釘頭鉚模和釘尾鉚模組成，根據(jù)產(chǎn)品半圓頭和90°沉頭兩種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)電磁鉚接專用的頭模模具。頭模工作面窩頭深淺，將影響到產(chǎn)品夾層材料的外觀和鉚接質(zhì)量，以及鉚接后的力學(xué)性能。

a）半圓頭頭模結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)。

如圖2所示，頭模按釘頭的外形設(shè)計(jì)，非受力部分設(shè)計(jì)模腔錐面，和釘頭形成間隙，防止釘頭壓傷；鉚模前端面和材料表面形成間隙，防止夾層材料損傷。

圖2 半圓頭鉚釘頭模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2 Round Head Rivets Head Mould Design

根據(jù)大長(zhǎng)徑比鉚釘?shù)奶匦?，通過改變頭模的工作面參數(shù)，將6 mm直徑大長(zhǎng)徑比鉚釘頭模技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。

表1 半圓頭鉚釘頭模工作面的形狀和尺寸Tab.1 Shape and Size of Round Head Rivets Head Mould

b）90°沉頭頭模結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)。

沉頭鉚釘頭模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見圖3，90°沉頭頭模工作面設(shè)計(jì)為弧形表面。鉚接時(shí)，為避免釘頭不能有效受力造成的釘頭和夾層材料不貼和，鉚模工作面和鉚釘釘頭平面形成夾角；另外，為防止鉚模壓傷夾層材料，鉚模和夾層材料預(yù)留間隙。

圖3 沉頭鉚釘頭模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.3 Countersunk Head Rivets Head Mould Design

根據(jù)工藝試驗(yàn)及大長(zhǎng)徑比鉚釘?shù)奶匦裕ㄟ^改變尾模的工作面參數(shù)，將尾模技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2。

表2 90°沉頭鉚釘頭模工作面的形狀和尺寸Tab.2 Shape and Size of 90°Countersunk Head Rivets Head Mould

c）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉚接效果。

選用本設(shè)計(jì)的鉚模對(duì)完成半圓頭鉚釘?shù)碾姶陪T接，鉚接后鉚釘成形率高，質(zhì)量特性好，且成形后的連接性能優(yōu)于普通電磁鉚接鉚模鉚接成形后的連接性能。

2.2 電磁鉚接工藝參數(shù)研究

設(shè)計(jì)了鉚接模具后，使用電磁鉚接設(shè)備HH54進(jìn)行了同材料及夾層厚度的工藝試片試驗(yàn)，確定大長(zhǎng)徑鉚釘工藝參數(shù)。試驗(yàn)方案如圖4所示。影響鉚接質(zhì)量的工藝參數(shù)有鉚接電壓、鉚釘桿外伸量、鉚模結(jié)構(gòu)以及鉚釘與鉚釘孔的間隙。

圖4 鉚接參數(shù)試驗(yàn)研究技術(shù)方案Fig.4 Technical Scheme for Experimental Study of Riveting Parameters

a）底孔直徑的選擇。

根據(jù)《Q/Y444鉚接通用技術(shù)條件》的規(guī)定，將鉚釘?shù)卓字睆絽?shù)設(shè)定為6.1 mm、6.2 mm、6.3 mm、 6.4 mm，進(jìn)行不同直徑的工藝試片試驗(yàn)，并進(jìn)行干涉量的計(jì)算和分析。結(jié)果如下：

當(dāng)釘孔間隙為0.1 mm時(shí)，6 mm的鋁合金鉚釘干涉量過大出現(xiàn)了釘孔處脹壞的現(xiàn)象，釘孔間隙為 0.4 mm時(shí)，6 mm的鋁合金鉚釘各測(cè)點(diǎn)位置的膨脹情況差異過大，變形不均勻。因此，對(duì)于6 mm直徑鋁合金鉚釘，其最佳制孔參數(shù)為Φ6.2 mm/Φ6.3 mm。

b）釘桿外伸量選擇。

鉚釘長(zhǎng)度計(jì)算公式為（為夾層厚度，為鉚釘直徑）

通過工藝試驗(yàn)得出，電磁鉚接時(shí)，為形成符合鉚接通用技術(shù)條件的鉚成頭外形，釘桿外伸量可參考普通鋁鉚釘鉚接釘長(zhǎng)選擇范圍。為避免成形平墩頭時(shí)，鉚釘過長(zhǎng)導(dǎo)致的打歪打裂現(xiàn)象，釘長(zhǎng)宜取下限。

c）充電電壓選擇。

鉚接磁壓力是電磁鉚接工藝的重要參數(shù)之一，對(duì)鉚接變形具有重要影響，不同直徑、不同長(zhǎng)度的鉚釘，鉚接所需能量不同。隨著鉚釘直徑增大，所需能量越大。現(xiàn)使用電磁鉚接設(shè)備HH54，制孔孔徑為Φ6.3 mm，長(zhǎng)×寬為60 mm×60 mm，厚度為21/25 mm鋁板進(jìn)行鉚接試驗(yàn)，不同鉚接壓力進(jìn)行鉚接，鉚接電壓參數(shù)如表3所示。

表3 典型鉚接電壓參數(shù)Tab.3 Typical Riveting Voltage Parameters

3 電磁鉚接質(zhì)量可靠性分析

根據(jù)前面的工藝參數(shù)研究成果，進(jìn)行鉚接試片試驗(yàn)，對(duì)被鉚接件進(jìn)行宏觀剪切、拉脫試驗(yàn)以及微觀軸向剖切金相分析試驗(yàn)，對(duì)比電磁鉚接與氣鉚的鉚接效果，分析電磁鉚接鉚釘連接強(qiáng)度及質(zhì)量可靠性。

3.1 鉚釘力學(xué)性能影響分析

力學(xué)性能是通過鉚接接頭的剪切和拉脫破壞試驗(yàn)，檢測(cè)鉚接接頭的靜強(qiáng)度，反映鉚接質(zhì)量。在本項(xiàng)目中，將對(duì)比電磁鉚接接頭與氣動(dòng)錘鉚鉚接接頭的靜強(qiáng)度。試驗(yàn)技術(shù)方案如圖5所示，剪切試驗(yàn)及拉脫試驗(yàn)原理如圖6所示，試驗(yàn)鉚釘直徑選取6 mm，材料選取2A10。

圖5 力學(xué)性能對(duì)比分析技術(shù)方案Fig.5 Technical Scheme for Comparative Analysis of Mechanical Properties

圖6 拉脫試驗(yàn)原理Fig.6 Schematic Diagram of Pull Off Test

a）剪切力對(duì)比試驗(yàn)。

剪切強(qiáng)度一般決定于分界面處的釘桿直徑和材料力學(xué)性能。試驗(yàn)采用了與產(chǎn)品同技術(shù)狀態(tài)的5組鉚接試片進(jìn)行鉚接，并運(yùn)用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)電磁鉚和氣動(dòng)錘鉚的試片進(jìn)行了破壞試驗(yàn)。電磁鉚接和氣動(dòng)錘鉚剪切試驗(yàn)得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 鉚接最大剪切力對(duì)比Tab.4 Comparison of Maximum Shear Force of Rivet

通過對(duì)比分析可知，對(duì)于直徑6 mm的鉚釘，電磁鉚可承受的最大剪切力較氣動(dòng)錘鉚可承受的最大剪切力相當(dāng)。兩種鉚接方式接頭可承受的最大剪切力均大于鉚釘最小剪切力7.63 kN（Φ6 mm）。

b）拉脫力對(duì)比試驗(yàn)。

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)電磁鉚接和氣動(dòng)錘鉚的試片進(jìn)行了破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表6所示。

拉脫破壞試驗(yàn)后，兩種鉚接方式的鉚釘均呈現(xiàn) 3種破壞方式：釘桿拉斷、墩頭破碎、釘頭脫落。通過對(duì)比分析對(duì)于直徑6 mm的鉚釘，電磁鉚接與氣動(dòng)錘鉚的拉脫性能接近且電磁鉚接試片拉脫性能略具優(yōu)勢(shì)。

表5 拉脫試驗(yàn)力學(xué)性能數(shù)據(jù)Tab.5 Mechanical Property Data of Pull Off Test

3.2 鉚接干涉填充質(zhì)量對(duì)比分析

微觀金相分析試驗(yàn)則是從微觀狀態(tài)來分析兩種鉚接方式對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)的鉚接情況?，F(xiàn)針對(duì)6 mm直徑的半圓頭鉚釘和90°沉頭鉚釘進(jìn)行金相試驗(yàn)。將被鉚接件沿釘桿中心線進(jìn)行銑平、鑲嵌，以進(jìn)行后續(xù)金相觀察，試驗(yàn)后結(jié)果如圖7所示。

圖7 試片不同位置金相照片F(xiàn)ig.7 Metallographic Photos of Different Positions of Test Piece

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鉚釘直徑為6 mm氣動(dòng)鉚接試片釘桿與鋁合金板存在細(xì)微間隙，電磁鉚接試片釘桿與鋁合金板緊密連接，幾乎不存在間隙，形成良好的干涉配合連接，且鉚釘釘桿變形均勻。

4 產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)踐及質(zhì)量檢驗(yàn)

在完成Φ6 mm大長(zhǎng)徑比鉚釘一次成型鉚接模具設(shè)計(jì)、電磁脈沖鉚接設(shè)備及工藝參數(shù)、鉚接性能分析等研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)典型夾層結(jié)構(gòu)鉚接的工藝流程，對(duì)大長(zhǎng)徑比鉚釘開展電磁鉚接應(yīng)用實(shí)踐。

4.1 工藝流程設(shè)計(jì)

大長(zhǎng)徑比鉚釘產(chǎn)品電磁鉚接工藝流程如圖8所示。

圖8 電磁鉚接工程化應(yīng)用Fig.8 Engineering Application of Electromagnetic Riveting

4.2 產(chǎn)品質(zhì)量分析

a）表面質(zhì)量。

對(duì)照鉚接通用技術(shù)條件QJ782A-2005《鉚接通用技術(shù)要求》進(jìn)行檢查，鉚釘半圓頭及其周圍蒙皮無(wú)壓痕，蒙皮無(wú)明顯鼓包及凹陷，殼體表面質(zhì)量良好。

b）鉚釘成型質(zhì)量。

對(duì)照鉚接通用技術(shù)條件QJ782A進(jìn)行檢驗(yàn)，尺寸要求為：直徑為（8.7±0.6） mm，高度為（2.9±0.5） mm。開展電磁鉚接與氣動(dòng)鉚接兩種方式的對(duì)比。隨機(jī)抽取殼體上電磁鉚接和手工鉚接的100個(gè)6 mm直徑的鉚釘，測(cè)量鐓頭直徑、高度尺寸，鉚接鐓頭散點(diǎn)分布趨勢(shì)如圖9 所示。由散點(diǎn)圖可以看出，電磁鉚接鐓頭尺寸較集中，一致性較好，比氣動(dòng)鉚接更有優(yōu)勢(shì)。

圖9 鐓頭直徑和高度分布Fig.9 Upsetting Head Diameter and Height Distribution

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于手工氣動(dòng)錘擊鉚接，電磁鉚接技術(shù)更為穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品的力學(xué)性能將會(huì)有一定程度的提高，能夠達(dá)到更高的產(chǎn)品外觀需求，鉚接一致性好，同時(shí)降低鉚接噪聲54 dB，提高效率66%，大幅度改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作環(huán)境。解決了大直徑、大長(zhǎng)徑比鉚釘成型困難的問題,為運(yùn)載火箭成功飛行提供技術(shù)保障。