電磁鉚接鉚釘的變形及鉚模結構試驗研究

耿雅輝 劉蘇 高晶 顧皞

摘 ?要：針對基于電磁鉚接實現對航天飛行器裝配時存在由于鉚釘變形而導致鉚接質量不佳最終影響裝配質量的問題，文章在研究電磁鉚接鉚釘變形機理的基礎上，基于Abaqus和二項多項擬合手段基于殘余應力得出最佳鉚模參數，后又通過干涉量對所獲得最佳鉚模參數進行了驗證，為進一步提升鉚接質量，提升飛行器的裝配效率和質量具有一定的指導意義。

關鍵詞：電磁鉚接，鉚模，殘余應力，干涉量，質量，效率

引言

近年來，我國的航天事業得到了飛速的發展，繼而對飛行器的結構提出了更高的要求。未來飛行器將朝著輕量化、大容量以及整體化的方向發展。就我國當前的航天制造技術而言，由于板材的成形技術的限制，導致無法制造出結構完全整體化的飛行器。目前，常通過焊接螺釘以及鉚接三種方式實現產品的連接。與螺釘連接相比，鉚接具有更高的可靠性，與焊接連接相對，鉚接可避免應焊接導致的應力集中變形[1]。因此，鉚接為當前被航天領域應用最為廣泛的連接工藝，且鉚接包括有電磁鉚接和普通鉚接。電磁鉚接與普通鉚接相比較具有高效率、低噪聲的優勢，且基于電磁鉚接不會容易出現開裂、剪切破壞等缺陷，大大提升了航天產品的裝配效率和裝配質量。本文著重對電磁鉚接鉚釘的變形機理及鉚模機構試驗進行研究，具體闡述如下：

1 電磁鉚接鉚釘變形機理研究

材料的變形在一定形式上與靜態加載以及載荷隨時間的變化速度有關。電磁鉚接工藝手段的載荷作用時間短且所作用載荷隨時間的變化速度。因此。可將載荷對鉚釘的作用看似為應力波的概念。

在鉚接工藝的操作過程中鉚槍將通過鉚模將沖擊力作用于鉚釘，在實際鉚接過程中，鉚釘所承受的沖擊力遠大于其材料的應力。此時，鉚釘的彈性變形將質變為塑形變形，從而導致鉚釘出現相應的變形[2]。而且，鉚釘的變形量與鉚釘材質的不同、鉚槍通過鉚模傳遞的沖擊力大小有關。經研究可知，當鉚釘的材質越硬，對應的變形量越大;當鉚槍所傳遞的沖擊力越大，其對應的變形量也越大。

因此，在實際鉚接過程中需根據鉚模的參數及鉚釘的材質設計鉚槍所給沖擊力的大小。

2 鉚模結構的優化設計

在實際生產中，鉚釘與被連接件的采用干涉配合可以提升接頭的疲勞壽命。經研究可知，鉚模的結構在一定程度上影響著鉚接的干涉量、最大剪應力和殘余應力。故，本節為5mm的鉚釘設計對應的鉚模，并對所設計鉚模的疲勞壽命進行分析，判斷其是否存在優化的空間，然后按需對鉚模的結構進行優化[3]。

2.1 鉚接件疲勞壽命分析

鉚接件疲勞壽命分析結果，鉚接件通過鉚釘進行連接，下鉚接件在切向載荷的作用下發生變形，此變形通過鉚釘傳遞至上鉚接件。由于上鉚接件左端是固定，導致上鉚接件出現彎曲變形。而且，在鉚釘的作用下，上鉚接件右側的應力明顯大于左側，即在上鉚接件右側出現應力集中的現象[4]。

2.2 鉚模結構的優化

經研究可知，不同的鉚模結構對最終鉚接的質量是有影響的，而且主要影響的參數為鉚模的傾角和圓角，且隨著傾角和圓角的增大，干涉量逐漸減小。因此，為確保最終的鉚接質量，需對鉚模的傾角和圓角進行優化設計。

本文采用二項多項式擬合的手段分析鉚釘桿、上鉚接件以及下鉚接件殘余應力與鉚模圓角和傾角之間的關系。經優化設計后，對應的鉚模的最佳參數為：鉚模圓角為0.8mm，鉚模傾角為55°。

3 鉚模結構試驗研究

一般的，鉚接質量的好壞可直接通過鉚接件的干涉量、抗剪強度和抗拉脫強度進行反應[5]。本節將研究不同鉚模結構對干涉量、抗剪強度和抗拉脫強度的影響。不同鉚模結構對鉚接件的抗剪強度和抗拉脫強度的影響較小，主要對鉚接件干涉量的影響較大。因此，將通過干涉量判斷鉚接件的鉚接質量。故，鉚接質量最佳時其對應的鉚模參數為：圓角為0.8mm，傾角為55°。

4 總結

鉚接作為航天制造技術中的主要技術之一，基于該技術即可獲得可靠性更高的連接，又可避免由于焊接工藝所帶來的應力集中現象。為進一步提升飛行器制造過程中的鉚接質量，在充分掌握影響鉚接質量的因素的基礎上，本文著重研究對鉚模結構對鉚接質量的影響，并為5mm的鋁合金鉚釘為依據，對鉚模的圓角、傾角參數進行優化設計，已獲得最佳的鉚接質量。經研究可得，最佳鉚模參數為：圓角為0.8mm，傾角為55°。

參考文獻

[1] ?鄧將華，李春峰. 電磁鉚接技術研究概況及發展趨勢[J]. 鍛壓技術（5）：14-18.

[2] ?曹增強，代瑛. 楔形復合材料結構電磁鉚接工藝[J]. 航空學報（10）：209-213.

[3] ?周利，秦志偉，劉杉，等. 熱塑性樹脂基復合材料連接技術的研究進展[J]. 材料導報，2019（19）.

[4] ?于海平，鄧將華，李春峰，. 電磁鉚接加載速率對TA1鉚釘變形影響研究[J]. 哈爾濱工程大學學報（3）：112-117.

[5] ?鄧將華，李春峰，于海平 電磁鉚接釘桿長度對連接的影響[J]. 福州大學學報（自然科學版）（6）：99-103.

作者簡介：耿雅輝、女、1986.1，漢、河北邯鄲，本科、工程師、研究方向：機械制造。