電磁鉚接工藝試驗(yàn)及參數(shù)仿真優(yōu)化

聶 鵬，李 雷，金 源

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110136 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 引言

電磁鉚接是一種新興的鉚接工藝，利用磁能對(duì)鉚釘進(jìn)行鐓粗成形。由于電磁鉚接工藝高能率的特點(diǎn)，對(duì)一些屈強(qiáng)比較高金屬的鉚接效果優(yōu)于傳統(tǒng)鉚接工藝[1]。

電磁鉚接利用初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間產(chǎn)生的渦流斥力使鉚釘發(fā)生塑性變形，加載速率高、應(yīng)變速率大、釘桿變形均勻，可以實(shí)現(xiàn)比較理想的干涉配合。鉚釘均勻鐓粗，能更好的解決鉚接板材時(shí)鉚釘形變不均勻而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，防止板材鉚接裂紋的出現(xiàn)。電磁渦流產(chǎn)生的鉚接力可以根據(jù)鉚釘不同的材料進(jìn)行相關(guān)電壓、電容參數(shù)的調(diào)節(jié)，以匹配相應(yīng)的鉚接力。這種可控性，便于自動(dòng)化鉚接產(chǎn)線(xiàn)的建立。目前，該技術(shù)已在航天航空工業(yè)制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，波音、空客等飛機(jī)制造中均采用這一技術(shù)[2?4]。

由于電磁鉚接能量大，加載速率快的特點(diǎn)，成形往往在幾百微秒內(nèi)完成。高能量的瞬間加載容易使鉚釘由于瞬時(shí)變形劇烈而產(chǎn)生裂紋。

美國(guó)在80年代末開(kāi)始研究低壓電磁鉚接，使用大電容，低放電電壓進(jìn)行電磁鉚接。鉚接所需的能量不變時(shí)，降低鉚接電壓就需要提高放電電容器的容值[5]。但一味的提高電容的容值會(huì)使放電時(shí)間延長(zhǎng)，在短時(shí)間會(huì)形成力在鉚釘上持續(xù)加載的現(xiàn)象。而且大電容的脈沖電容器組體積大，若使用液體電容雖能解決體積大這一問(wèn)題但液體電容不易多次放電，這些因素導(dǎo)致不能一味地提高電容容值來(lái)減小電磁鉚接使鉚釘產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。

采用直徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼鉚釘進(jìn)行電磁鉚接工藝試驗(yàn)。鉚釘如圖1所示，規(guī)格參數(shù)，如表1所示。

表1 國(guó)標(biāo)鉚釘參數(shù)表截取Tab.1 National Standard Rivet Parameter Table Cutting

圖1 國(guó)標(biāo)平頭鉚釘Fig.1 National Standard Flat Head Rivets

結(jié)合maxwell 的仿真功能對(duì)電磁鉚接放電過(guò)程進(jìn)行仿真和數(shù)據(jù)對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備能達(dá)到的電壓范圍內(nèi)分析鉚接質(zhì)量與電壓之間的關(guān)系，以達(dá)到通過(guò)合理控制鉚接電壓控制鉚接干涉量、提高鉚接質(zhì)量。

2 工作原理及模型建立

2.1 工作原理

實(shí)驗(yàn)工裝，如圖2所示。外接電源系統(tǒng)主要由電容組、變壓器以及開(kāi)關(guān)組成。

圖2 電磁鉚接工裝圖Fig.2 Electromagnetic Riveting Tool Drawing

升壓變壓器對(duì)電容器組加壓充電，當(dāng)充電達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)充電電路斷開(kāi)。放電電路接通時(shí)電容器組對(duì)實(shí)驗(yàn)工裝進(jìn)行放電。電流由初級(jí)線(xiàn)圈引線(xiàn)流入初級(jí)線(xiàn)圈（1），磁通量變化使次級(jí)線(xiàn)圈（2）產(chǎn)生感生電流。

根據(jù)楞次定律，產(chǎn)生的感生電流總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化，次級(jí)線(xiàn)圈（2）產(chǎn)生的電磁力方向與初級(jí)線(xiàn)圈（1）相反。電磁鉚接利用初級(jí)線(xiàn)圈（1）與次級(jí)線(xiàn)圈（2）之間產(chǎn)生的斥力進(jìn)行鉚接。次級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生的力通過(guò)應(yīng)力波放大器（3）的集中與放大后作用在被鉚接的鉚釘（4）上，使鉚釘釘干鐓粗。頂桿膨脹，與被鉚接板（5）產(chǎn)生干涉配合，釘桿鐓粗形成鐓頭完成鉚接過(guò)程[6?8]。

2.2 有限元模型的建立

仿真模型的建立：為了分析次級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間產(chǎn)生的電磁感應(yīng)[9]，初級(jí)線(xiàn)圈模型，如圖3所示。選用矩形銅質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)，繞成中心孔徑5mm，直徑60mm 的單層平板線(xiàn)圈。20℃時(shí)銅的電阻率為0.0185（μΩ?m），線(xiàn)圈電阻1.665Ω。次級(jí)線(xiàn)圈根據(jù)趨膚厚度，選用1mm的銅板。應(yīng)力波放大器材料為不導(dǎo)磁不銹鋼（表面處理），滿(mǎn)足表面硬度的同時(shí)不與初級(jí)線(xiàn)圈發(fā)生互感，排除應(yīng)力波放大器對(duì)初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈之間的感生磁場(chǎng)的干擾。故模型分析只分析初級(jí)線(xiàn)圈與次級(jí)線(xiàn)圈，三維電磁場(chǎng)模型，如圖4所示。

圖3 初級(jí)線(xiàn)圈模型Fig.3 Primary Coil Model

圖4 三維電磁場(chǎng)模型Fig.4 3D Model of Electromagnetic Field

為了使模擬結(jié)果更貼近真實(shí)情況，激勵(lì)采用Maxwell Circuit來(lái)設(shè)置外加載電路，并將此電路中的線(xiàn)圈直接與三維電磁場(chǎng)模型中的線(xiàn)圈耦合起來(lái)。外加載電路，如圖5所示。

圖5 Maxwell Circuit外加載電路Fig.5 External Loading Circuit of Maxwell Circuit

2.3 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果

根據(jù)放電能量W=0.5CU2可知當(dāng)放電能量一定時(shí)，通過(guò)增加電容的容值可使放電電壓相應(yīng)減小。由于設(shè)備的限制，當(dāng)設(shè)備限定時(shí)容值基本上也為定值，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了電路在不同容值下的放電情況。放電能量一定，模擬電容為164uF，410uF，656uF時(shí)放電回路的電流曲線(xiàn)[10]，如圖6所示。

如圖6所示，根據(jù)曲線(xiàn)放電電流的峰值隨著電容的增大而減小，放電電流在第一個(gè)放電周期的前半周期作用時(shí)間明顯增長(zhǎng)。隨著電容的增加電流上升與下降幅值減小時(shí)間增長(zhǎng)，使鉚接力施力時(shí)間加長(zhǎng)，力的變化相對(duì)平緩。隨著電容的增加導(dǎo)致放電電流震蕩頻率的減小，能夠減少鉚接裂紋的產(chǎn)生。因此，在鉚接力足夠時(shí)，適當(dāng)?shù)倪x用電容容值較大的鉚接設(shè)備，鉚接效果較好，不易產(chǎn)生裂紋。

圖6 電容對(duì)放電電流影響波形圖Fig.6 Effect of Capacitance on Discharge Current

當(dāng)電容增大時(shí)，電流的震蕩頻率減小，會(huì)使趨膚深度增加，根據(jù)公式，當(dāng)趨膚深度δ超過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈銅板厚度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。磁能不能被完全利用，會(huì)影響鉚接效果[11]。故應(yīng)根據(jù)設(shè)備相應(yīng)的調(diào)整次級(jí)線(xiàn)圈的厚度來(lái)保證能量的利用，達(dá)到預(yù)期的鉚接效果。

式中：μ0—真空磁導(dǎo)率；σ—驅(qū)動(dòng)片材料的電導(dǎo)率；ω—脈沖電容頻率；L—放電回路的總電感；C—設(shè)備電容。

在電容為610uF 的放電設(shè)備上對(duì)所建模型的仿真電流數(shù)據(jù)，分別仿真了從（1000~6000）V 放電的情況，次級(jí)線(xiàn)圈受力變化曲線(xiàn)，如圖7 所示。從圖線(xiàn)上可以看出當(dāng)電容一定時(shí)第一個(gè)半波放電周期是相同的，到達(dá)峰值的時(shí)間也是相同的。當(dāng)放電電壓升高時(shí)電流變化速率變快，力的加載速率會(huì)變快。當(dāng)放電電壓過(guò)大時(shí)，電磁力的激增會(huì)造成鉚釘裂紋的產(chǎn)生，影響鉚接質(zhì)量。

圖7 次級(jí)線(xiàn)圈受力變化曲線(xiàn)圖Fig.7 The Curve of Driving Force with Time

通過(guò)Ansoft Maxwell對(duì)所建模型進(jìn)行有限元分析，在電容恒定時(shí)對(duì)模型分別加載不同的放電電壓。次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)部能量如圖8所示。內(nèi)部能量均勻，在線(xiàn)圈引線(xiàn)處略微有應(yīng)力集中，在纏繞線(xiàn)圈時(shí)引線(xiàn)處應(yīng)加強(qiáng)絕緣防護(hù)，防止由于應(yīng)力集中引起的線(xiàn)圈絕緣損壞。

圖8 次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)部能量圖Fig.8 Internal Energy Diagram of Secondary Coil

根據(jù)仿真體積力的計(jì)算，在放電電壓為6000V 時(shí)，304不銹鋼的鉚接力較為適中。放電電壓為6000V時(shí)次級(jí)線(xiàn)圈峰值體積力，如圖9所示。

圖9 次級(jí)線(xiàn)圈電磁體積力Fig.9 Secondary Coil Electromagnetic Volume Force

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用220V交流電源為電容量610uF的電容充電。電磁成形機(jī)電壓范圍（0~10）kV，最大放電能量20KJ。實(shí)驗(yàn)用鉚釘為304不銹鋼，直徑5mm，釘桿長(zhǎng)度為10mm。鉚接使用線(xiàn)圈，如圖10所示，線(xiàn)圈直徑60mm，使用絕緣石棉固定包裹，在引線(xiàn)處用絕緣膠帶加固。

圖10 初級(jí)線(xiàn)圈Fig.10 Primary Coil

實(shí)驗(yàn)工裝，如圖11所示。線(xiàn)圈用螺栓組壓緊，當(dāng)放電電壓提高到6000v 以上時(shí)，需使用線(xiàn)圈限位框?qū)€(xiàn)圈側(cè)面進(jìn)行限位固定。防止初級(jí)線(xiàn)圈自身線(xiàn)匝之間的斥力引起的線(xiàn)圈破壞。

圖11 實(shí)驗(yàn)工裝Fig.11 Experimental Tooling

實(shí)驗(yàn)電壓由（4000~7000）V，增幅梯度為500V，進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)鉚接電壓為5500V時(shí)，如圖12所示。形成質(zhì)量較好的釘頭，干涉量平均為1.5%。圖中最右側(cè)試片釘頭表面損傷為鉚接頭偏斜所致。

圖12 5500V電磁鉚接試片F(xiàn)ig.12 5500V Electromagnetic Riveting Test Piece

當(dāng)電壓增加到6500V以上時(shí)，如圖13所示。由于鉚接力過(guò)大造成釘頭損壞。

圖13 6500V電磁鉚接試片F(xiàn)ig.13 6500V Electromagnetic Riveting Test Piece

鉚接電對(duì)相對(duì)干涉量的影響，如圖14所示。當(dāng)電壓逐漸增加時(shí)，相對(duì)干涉量逐漸增大，增加速率逐漸減小。

圖14 鉚接電壓與相對(duì)干涉量Fig.14 Riveting Voltage and Relative Interference

4 結(jié)論

（1）電磁鉚接能夠使304不銹鋼鉚釘產(chǎn)生較好的干涉配合，鉚釘充盈釘孔。鉚接電壓為5500V時(shí)，相對(duì)干涉量1.4%~1.5%，能形成較好的釘頭，釘頭表面質(zhì)量好。實(shí)驗(yàn)使用的電容為610uF的電源設(shè)備可以完成304不銹鋼鉚釘?shù)你T接工作，鉚接無(wú)宏觀裂紋產(chǎn)生。

（2）放電量一定時(shí)，選擇合適的放電電容可以減少鉚接裂紋的產(chǎn)生。鉚接電壓增大時(shí)干涉量增幅不明顯，墩頭尺寸明顯增大，墩頭質(zhì)量差。

（3）通過(guò)鉚接模型的建立可以有效地分析，并調(diào)整電容的容值可以獲得更好干涉配合和墩頭尺寸，提高鉚接質(zhì)量。