鈦合金抽芯鉚釘鉚接過程分析及規(guī)律探索

王瑞強(qiáng)，石智輝，李 迪，孫清超

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.東方藍(lán)天鈦金科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

1 引言

在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于一些需要單面連接并且裝配質(zhì)量要求高的場(chǎng)合，鈦合金抽芯鉚釘因連接可靠、操作方便、鼓包面積大、鉚接斷口平整等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。然而在我國實(shí)際研制使用當(dāng)中，鈦合金抽芯鉚釘作為多組件類鉚釘，其各組件之間強(qiáng)度匹配關(guān)系尚不明晰，致使鉚接成功率低，嚴(yán)重影響裝配質(zhì)量［1］。因此，弄清鈦合金抽芯鉚釘鉚接過程中各組件強(qiáng)度匹配關(guān)系，對(duì)提高鉚接成功率具有重要的指導(dǎo)意義。

對(duì)于鉚釘鉚接過程的研究，相關(guān)科研人員開展研究?jī)?nèi)容集中在單個(gè)組件變形過程分析［2-5］，重點(diǎn)放在鉚接工藝分析上［6-7］，但對(duì)多個(gè)鉚釘組件間的相互作用分析卻很少涉及。文獻(xiàn)［8］通過有限元分析得到了可以預(yù)測(cè)氣動(dòng)錘鉚的整個(gè)變形過程和釘桿桿部干涉量分布的仿真模型；文獻(xiàn)［9］建立了考慮壓鉚過程應(yīng)變率的仿真模型，提高了仿真精度；文獻(xiàn)［10］借助deform軟件建立了平點(diǎn)自沖鉚接的仿真過程，得到了鉚接變形的影響因素。

為此，針對(duì)鈦合金抽芯鉚釘存在的各組件強(qiáng)度匹配關(guān)系不明晰的問題，在實(shí)際鈦合金抽芯鉚釘結(jié)構(gòu)尺寸和材料標(biāo)定的基礎(chǔ)上，借助deform軟件分析鉚接過程中的各組件強(qiáng)度關(guān)系，得到鉚接過程仿真模型。在得到的鈦合金抽芯鉚釘仿真模型的基礎(chǔ)上，變化鉚釘各組件間強(qiáng)度和強(qiáng)度分布范圍，分析對(duì)其鉚接過程的影響，并以此為提高鉚接成功率提供指導(dǎo)。

2 鈦合金抽芯鉚釘尺寸建模

2.1 鈦合金抽芯鉚釘結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)定

鈦合金抽芯鉚釘實(shí)際國外樣品，如圖1所示。

圖1 鈦合金抽芯鉚釘實(shí)際樣品圖Fig.1 Actual Sample of Titanium Alloy Blind Rivet

圖1 由四部分零件裝配而成，分別是釘桿、釘套、鎖環(huán)以及驅(qū)動(dòng)環(huán)。

為了實(shí)現(xiàn)鈦合金抽芯鉚釘?shù)某叽缃Y(jié)構(gòu)精確建模，并對(duì)關(guān)鍵尺寸（驅(qū)動(dòng)環(huán)剪斷位置、釘桿斷頸槽位置等）以及形狀（釘桿斷頸槽形狀）進(jìn)行精確識(shí)別，采用投影儀對(duì)釘桿、釘套、鎖環(huán)以及驅(qū)動(dòng)環(huán)的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸利用線切割將零件剖開，做樣后在投影儀及顯微鏡下測(cè)量。同時(shí)為了保證測(cè)量準(zhǔn)確合理，避免人工操作誤差和單個(gè)零件公差因素影響，對(duì)每處尺寸進(jìn)行（3～5）組測(cè)量，并排除異常尺寸，取平均值作為每處結(jié)構(gòu)尺寸，并將每次測(cè)量的尺寸上下限值作為結(jié)構(gòu)尺寸的公差參考。

2.2 鈦合金抽芯鉚釘三維建模及網(wǎng)格劃分

對(duì)測(cè)量得到的結(jié)構(gòu)尺寸，借助三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 三維實(shí)體建模示意圖Fig.2 Schematic Diagram of 3D Solid Modeling

對(duì)于鈦合金抽芯鉚釘而言，其模型相對(duì)較為復(fù)雜，需要在保證計(jì)算精度的同時(shí)還要兼顧計(jì)算效率?？紤]到鉚接過程中釘套會(huì)鼓包膨脹以及驅(qū)動(dòng)環(huán)和釘桿會(huì)發(fā)生斷裂等，所以在deform中需要對(duì)這些關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，其余部分網(wǎng)格可以適當(dāng)稀疏。在以上網(wǎng)格劃分思路下，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 鈦合金抽芯鉚釘網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Mesh Generation Results of Titanium Alloy Blind Rivet

3 鈦合金抽芯鉚釘仿真分析

3.1 鈦合金抽芯鉚釘實(shí)際鉚接過程

鈦合金抽芯鉚釘鉚接過程可以分為四個(gè)過程，如圖4所示。

圖4 實(shí)際鉚接過程Fig.4 Actual Riveting Process

過程1：鉚槍鎖住釘桿并沿軸向拉伸，鉚釘被卡緊，釘套受到擠壓后開始在中間強(qiáng)度較弱區(qū)域產(chǎn)生鼓包。

過程2：釘套鼓包成型階段完成時(shí)，驅(qū)動(dòng)環(huán)被剪斷。

過程3：剪斷后的驅(qū)動(dòng)環(huán)繼續(xù)沿軸向移動(dòng)，推動(dòng)者鎖環(huán)嵌入鎖環(huán)槽。

過程4：鎖環(huán)嵌入完成后，釘桿也達(dá)到抗拉強(qiáng)度，在斷頸槽位置發(fā)生斷裂。

3.2 鈦合金抽芯鉚釘各部分材料設(shè)置

在仿真過程中，將釘桿和釘套設(shè)置為不同的鈦合金材料，鎖環(huán)采用高溫合金，驅(qū)動(dòng)環(huán)選擇彈簧鋼材料。

將在實(shí)際鉚接過程中，釘桿會(huì)在強(qiáng)度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最低處，即斷頸槽位置斷裂，根據(jù)Cockrof-Latham準(zhǔn)則［11］，進(jìn)行釘桿斷裂極限設(shè)置，其公式如下：

式中：ci—材料的破壞臨界值；f—材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)變；—等效應(yīng)力；σ?—最大應(yīng)力；—等效應(yīng)變。

在實(shí)際鉚接過程中，釘套受擠壓會(huì)在中間區(qū)域產(chǎn)生鼓包從而夾緊被連接件。

為了探究釘套上各位置硬度匹配關(guān)系，從而更合理地設(shè)置材料邊界條件。因此這里在模擬過程中，利用公司的硬度測(cè)量?jī)x對(duì)釘套沿軸向上的維氏硬度進(jìn)行了測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果，如圖5所示。

圖5 釘套硬度分布Fig.5 Hardness Distribution of Sleeve

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的釘套不同位置硬度分布，在模擬過程中將釘套劃分為四個(gè)強(qiáng)度區(qū)域，其強(qiáng)度從兩側(cè)向內(nèi)依次降低，其具體分布位置，如圖6所示。

圖6 釘套不同區(qū)域強(qiáng)度分布Fig.6 Strength Distribution of Different Regions of Nail Sleeve

3.3 鈦合金抽芯鉚釘仿真邊界條件設(shè)定

本次模擬為簡(jiǎn)化計(jì)算，將釘桿運(yùn)動(dòng)設(shè)為軸向，并在驅(qū)動(dòng)環(huán)前面設(shè)置一個(gè)剛體零件，限制鉚釘?shù)妮S向運(yùn)動(dòng)，從而形成擠壓效果，以此模擬整個(gè)鉚接過程。

（1）步長(zhǎng)與速度設(shè)定：為了提高求解精度并保證效率，按照最小網(wǎng)格的三分之一大小進(jìn)行設(shè)定。釘桿運(yùn)動(dòng)設(shè)定為1mm/s。

（2）接觸條件設(shè)定：本次鈦合金抽芯鉚釘仿真認(rèn)為在鉚接過程不涉及溫度變化，因此設(shè)定各零件之間摩擦系數(shù)為deform中默認(rèn)的冷摩擦系數(shù)0.08。其中對(duì)于驅(qū)動(dòng)環(huán)而言，因其被剪斷后會(huì)自身相互摩擦，因此要額外添加驅(qū)動(dòng)環(huán)和驅(qū)動(dòng)環(huán)的接觸條件。

3.4 鈦合金抽芯鉚釘仿真結(jié)果分析

對(duì)鈦合金抽芯鉚釘鉚接過程進(jìn)行整體性的仿真模擬后，通過觀察模擬計(jì)算出的鉚接力曲線，發(fā)現(xiàn)整個(gè)鉚接過程主要分為以下四部分：釘套影響區(qū)、驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂區(qū)、鎖環(huán)鎖緊區(qū)和釘桿斷裂區(qū)，具體分布，如圖7所示。

圖7 整個(gè)鉚接過程的鉚接力-時(shí)間曲線Fig.7 Riveting Force Time Curve of the Whole Riveting Process

鉚槍拉動(dòng)釘桿擠壓釘套，釘套受壓后在強(qiáng)度薄弱區(qū)域發(fā)生鼓包變形。在釘套鼓包變形的過程中會(huì)產(chǎn)生鉚接力的極大值，如圖8（a）所示。

圖8 鉚接過程各區(qū)域變化情況Fig.8 Variation of Each Area in Riveting Process

釘套鼓包完全后，驅(qū)動(dòng)環(huán)承受的載荷逐漸增大。直至驅(qū)動(dòng)環(huán)所受載荷達(dá)到最大允許承受載荷，驅(qū)動(dòng)環(huán)被剪切破壞，斷裂過程的應(yīng)力分布，如圖8（b）所示。

鎖環(huán)被驅(qū)動(dòng)環(huán)推動(dòng)進(jìn)入鎖環(huán)槽，在鎖環(huán)與釘套接觸之前會(huì)產(chǎn)生鉚接力的極小值。鎖環(huán)與釘套接觸后，隨著驅(qū)動(dòng)環(huán)、釘套對(duì)鎖環(huán)的擠壓過程，會(huì)產(chǎn)生鉚接力的極大值，鎖環(huán)被推入鎖環(huán)槽過程的應(yīng)力分布，如圖8（c）所示。

鎖環(huán)被完全推入鎖環(huán)槽，將釘桿和釘套鎖死后，整個(gè)鉚釘?shù)闹饕辛Σ课粸殒i環(huán)和釘桿，釘桿受力逐漸增大至釘桿所能承受的最大載荷，釘桿發(fā)生斷裂。在釘桿斷裂的過程中會(huì)產(chǎn)生鉚接力的極大值，此時(shí)釘桿內(nèi)的應(yīng)力分布，如圖8（d）所示。

4 鉚接過程中鉚接力影響因素分析

在鈦合金鉚釘鉚接過程匹配上的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步探究鉚接過程中影響鉚接極值的因素，從而對(duì)鉚接過程中四個(gè)影響區(qū)極值進(jìn)行合理調(diào)控，提高鉚接成功率，因此開展對(duì)釘套影響區(qū)、驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂區(qū)、鎖環(huán)鎖緊區(qū)和釘桿斷裂區(qū)的極值影響仿真實(shí)驗(yàn)。

4.1 釘套影響區(qū)鉚接力峰值及影響因素

第一階段為釘套影響區(qū)，經(jīng)過初步分析，該階段鉚接力的峰值主要的影響因素為：釘套的強(qiáng)度、釘套退火位置、釘套硬度最弱區(qū)域范圍和釘桿屈服強(qiáng)度。模擬結(jié)果，如表1所示。

對(duì)表1規(guī)律進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 釘套鼓包過程鉚接力極值因素影響關(guān)系Fig.9 Influence Relationship of Riveting Force Extremum Factors in the Process of Sleeve Bulging

4.2 驅(qū)動(dòng)環(huán)被剪斷過程鉚接力峰值及影響因素

第二階段為驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂區(qū)，經(jīng)過初步分析，該階段鉚接力的峰值主要的影響因素為：驅(qū)動(dòng)環(huán)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)環(huán)破壞極限、釘桿屈服強(qiáng)度和釘套外圈強(qiáng)度。

其模擬結(jié)果，如表2所示。對(duì)表2的規(guī)律進(jìn)行分析，如圖10所示。

表2 驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂區(qū)鉚接力峰值模擬工作結(jié)果Tab.2 Simulation Results of Riveting Force Peak in Fracture Zone of Drive Ring

圖10 驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂過程鉚接力極值因素影響關(guān)系Fig.10 Influence Relationship of Riveting Force Extremum Factors in Fracture Process of Drive Ring

4.3 鎖環(huán)被推入鎖環(huán)槽過程鉚接力峰值及影響因素

第三階段為鎖環(huán)鎖緊區(qū)，經(jīng)過初步分析，該階段鉚接力的峰值主要的影響因素為：鎖環(huán)強(qiáng)度、釘桿屈服強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)環(huán)強(qiáng)度、驅(qū)動(dòng)環(huán)破壞極限和釘套外圈強(qiáng)度。

通過對(duì)比分析各個(gè)影響因素對(duì)鉚接力峰值的影響規(guī)律，進(jìn)行的模擬工作及結(jié)果，如表3所示。

表3 鎖環(huán)推進(jìn)過程鉚接力峰值模擬工作結(jié)果Tab.3 Simulation Results of Riveting Force Peak Value in Lock Ring Propulsion Process

對(duì)表3規(guī)律進(jìn)行分析，如圖11所示。

圖11 鎖環(huán)推進(jìn)過程鉚接力極值因素影響關(guān)系Fig.11 Influence Relationship of Extreme Value Factors of Riveting Force in the Process of Lock Ring Propulsion

4.4 釘桿被拉斷過程鉚接力峰值及影響因素

第四階段為釘桿斷裂區(qū)，經(jīng)過初步分析，該階段鉚接力的峰值主要的影響因素為：釘桿斷裂極限、釘桿強(qiáng)度、釘桿應(yīng)變、鎖環(huán)強(qiáng)度和釘套外圈強(qiáng)度?？紤]各個(gè)影響因素的模擬工作及結(jié)果，如表4所示。對(duì)表4規(guī)律進(jìn)行分析，如圖12所示。

表4 釘桿斷裂區(qū)鉚接力峰值模擬工作結(jié)果Tab.4 Simulation Results of Riveting Force Peak in Fracture Zone of Rivet Bar

圖12 釘桿斷裂過程鉚接力極值因素影響關(guān)系Fig.12 Influence Relationship of Extreme Value Factors of Riveting Force in Fracture Process of Rivet Rod

在鈦合金抽芯鉚釘鉚接力值模型基礎(chǔ)上，對(duì)抽芯鉚釘?shù)乃膫€(gè)影響區(qū)鉚接極值的影響因素分析，使各部分極值按梯度更合理分配，提高抽芯鉚釘鉚接成功率，為生產(chǎn)實(shí)踐提供有力的指導(dǎo)性意見。如合理提高釘套外圈強(qiáng)度可讓驅(qū)動(dòng)環(huán)和鎖環(huán)影響區(qū)之間極值梯度差更大，分配更合理。

5 結(jié)論

這里根據(jù)鈦合金抽芯鉚釘進(jìn)行仿真規(guī)律性探索，主要得到以下結(jié)論：

（1）為表征鈦合金抽芯鉚釘成型過程，建立了鈦合金抽芯鉚釘鉚接仿真模型，將鉚接力的變化分為四個(gè)影響區(qū)：釘套影響區(qū)、驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂區(qū)、鎖環(huán)鎖緊區(qū)和釘桿斷裂區(qū)，合理調(diào)控四個(gè)影響區(qū)峰值載荷分布是保證鉚接成功率的關(guān)鍵。

（2）在建立的鈦合金抽芯鉚釘仿真模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)不同材料變量調(diào)整，得出了釘套鼓包變形、驅(qū)動(dòng)環(huán)斷裂過程、鎖環(huán)鎖緊釘桿過程以及釘桿拉斷過程鉚接力峰值的影響因素及變化規(guī)律。