無頭鉚釘自動鉆鉚機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉚模錐度對鉚接強(qiáng)度影響分析

呂曉敏，張慧，楊帥，周振輝，李廣明

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

0 引言

航天各院承擔(dān)的火箭產(chǎn)品的鉚釘普遍采用有頭（半圓頭、沉頭等）鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，這種鉚釘鉚接在傳統(tǒng)手工鉚接操作中操作方便，單面鐓頭成型，勞動強(qiáng)度相對較低。隨著自動鉆鉚工藝在航天產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用，有頭鉚釘因其頭部尺寸大，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)自動送釘，但是送釘末端執(zhí)行器與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)匹配性較差、送釘實(shí)現(xiàn)成功率較低，在一定程度上增大了航天產(chǎn)品全自動鉆鉚的實(shí)現(xiàn)難度、制約了全自動鉆鉚技術(shù)的發(fā)展[1]。

國內(nèi)外航空行業(yè)經(jīng)過50余年的自動鉆鉚工藝的研究、應(yīng)用，無頭鉚釘被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)壁板、殼段的鉚接中，具有送釘成功率高、干涉配合均勻等優(yōu)點(diǎn)。周亮等[2]針對自動鉆鉚裝備人工送釘效率低下的問題，提出一種自動送釘?shù)姆椒ǎ︺T模結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，該設(shè)備方案適用于無頭鉚釘。

國內(nèi)王仲奇、李弈寰等[3-5]開展的相關(guān)研究表明，鉚模構(gòu)型能夠改變鉚釘材料的軸向和徑向流動，錐形鉚模不僅對鉚釘起中心限位作用，對鉚接結(jié)構(gòu)能有很大影響。

陳如明等[6]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了锪窩結(jié)構(gòu)及鉚模型式對電磁鉚接無頭鉚釘變形及干涉量的影響規(guī)律。

目前各項(xiàng)研究主要集中于有頭鉚釘及其在電磁鉆鉚中的應(yīng)用[7-8]。對雙面鼓型墩頭成型無頭鉚釘鉚模傾角的分析較少，也缺乏鉚模錐度對無頭鉚釘力學(xué)性能的影響。本文采用專用自動鉆鉚機(jī)構(gòu)，在干涉量分析的基礎(chǔ)上，分析了鉚模結(jié)構(gòu)對無頭鉚釘拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度的影響，結(jié)果可為運(yùn)載火箭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)選用無頭鉚釘提供指導(dǎo)，同時試驗(yàn)摸索出的工藝參數(shù)可用于現(xiàn)場工藝試驗(yàn)。

1 鉆送鉚機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了有頭鉚釘?shù)淖詣铀歪敗⒌轿粰z測及卡殼檢測、到位檢測等功能。結(jié)合無頭鉚釘與有頭鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)差異，本文針對無頭鉚釘?shù)乃歪斚到y(tǒng)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：對自動送釘系統(tǒng)的篩釘裝置、送釘管道重新配置，無頭鉚釘?shù)膴A持機(jī)構(gòu)和送釘機(jī)構(gòu)進(jìn)行完善設(shè)計(jì)。其中鉆送鉚單元由裝釘機(jī)構(gòu)、裝釘抽屜、推釘機(jī)構(gòu)及鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。在監(jiān)控系統(tǒng)的檢測下，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)過程檢測、篩選，最終將鉚釘推送至外鉚接部件，鉚接成型。

設(shè)備鉆送鉚機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)行過程如下：

1）裝釘機(jī)構(gòu)。鉚釘首先裝入裝釘機(jī)構(gòu)，由振動盤對鉚釘進(jìn)行篩選。鉚釘通過高頻精密振動器及控制器振動盤后，多種類型、直徑的常用鉚釘可按序排列，如圖1（a）所示。

2）裝釘抽屜。裝釘抽屜用來完成鉚釘?shù)呐R時存儲（裝釘系統(tǒng)中加載鉚釘、送釘系統(tǒng)中排出鉚釘）。鉚釘存儲在PU管內(nèi)，靠壓縮空氣或真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在PU管內(nèi)的運(yùn)動。借助智能在線監(jiān)控系統(tǒng)，送料模塊可通過高壓氣流實(shí)現(xiàn)對方向、規(guī)格錯誤的鉚釘進(jìn)行排除。也可對尺寸公差不符、外形有損傷等鉚釘進(jìn)行排除，如圖1（b）所示。

3）推釘機(jī)構(gòu)。在電主軸制孔過程中，鉚釘自動輸送到推釘工位，如圖1（e）～圖1（f）所示。輸送管道末端安裝有過釘檢測傳感器。當(dāng)有鉚釘通過管道時觸發(fā)信號，無檢測信號則報(bào)警。推釘桿將輸送到位的鉚釘推動到鉚模夾頭內(nèi)，安裝在外鉚接部件前段的激光傳感器自動檢測是否有鉚釘夾在鉚模夾頭，若無檢測信號則報(bào)警。

圖1 送釘單元設(shè)計(jì)

4）鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)備自動鉚接結(jié)構(gòu)如圖2所示。鉚釘通過芯套開口槽進(jìn)入芯套之中夾緊。鉚桿繼續(xù)向前移動至頂緊產(chǎn)品，此時軸向彈簧被壓縮，芯套張開，鉚釘送入鉚釘孔中。鉚模隨鉚桿繼續(xù)運(yùn)動，鉚釘成型。該鉚接執(zhí)行結(jié)構(gòu)具有緊湊簡單、與鉚頭同軸安裝、可靠性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 自動送釘機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)及測試設(shè)備

2.1 鉚釘選擇

本文選用的鉚釘成型方式為雙面墩頭成型，不需要制窩、锪平釘頭，如圖3所示。

圖3 無頭鉚釘雙面墩頭成型

鉚釘長度是關(guān)乎鉚接質(zhì)量的重要參數(shù)，鉚釘過長，則鉚釘墩頭過大，釘桿易彎曲；鉚釘過短，則墩粗量不足，釘頭成型不完整，影響鉚接強(qiáng)度和緊密性。

按照航空制造工程手冊的技術(shù)要求，無頭鉚釘長度與工件厚度的經(jīng)驗(yàn)公式為

L=∑δ+2d。

式中：L為鉚釘長度；∑δ為被連接件總厚度；D為鉚釘直徑。

因此，文中采用常用的規(guī)格為φ4 mm×14 mm的2A10鋁合金無頭鉚釘，夾層材料采用3 mm+3 mm厚度2A12鋁合金板材結(jié)構(gòu)，兩側(cè)鉚模位移均為2 mm。

2.2 鉚模

試片鉚接在自動鉆鉚設(shè)備上進(jìn)行，鉚接參數(shù)可通過TOX系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本文采用角度α分別為40°、50°、60°、66°、72°、80°、90°鉚模結(jié)構(gòu)對φ4直徑2A10鋁合金鉚釘進(jìn)行壓鉚試驗(yàn)，鉚模結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鉚模結(jié)構(gòu)主要尺寸

2.3 測試設(shè)備

剪切試驗(yàn)在CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，剪切速率為3 mm/min。拉脫試驗(yàn)測試在WDW-100電子拉伸萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉脫速率為3 mm/min，設(shè)備分別如圖5、圖6所示。

圖5 CSS-44100電子萬能試驗(yàn)機(jī)

圖6 WDW-100萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鉚接后外觀

在對鉚釘進(jìn)行鉚接后，對試片縱向進(jìn)行剖切，獲得鉚釘截面外觀如圖7所示。

圖7 鉚釘截面外觀

通過試片可以看出，40°傾角鉚釘?shù)慕嵌冗^小，會導(dǎo)致多余材料溢出鉚模型腔，在墩頭與試片釘孔接觸位置，出現(xiàn)了異常的卷邊現(xiàn)象。其余傾角鉚模對應(yīng)鉚釘成型情況較好，釘桿與試片間配合均相對致密。

3.2 鉚釘干涉量測試結(jié)果

無頭鉚釘雙面成型時，鉚釘沿釘桿可以較均勻地脹大，這種相對均勻的膨脹能夠給釘孔施加比較均勻的徑向壓縮應(yīng)力（即支撐效應(yīng)），可顯著地提高鉚接性能、降低鉚接應(yīng)力、減緩鉚接應(yīng)力腐蝕。

干涉量測試按按圖8所示。每個鉚接件選取4個位置進(jìn)行測試，即鉚釘頭側(cè)距鋁合金板表面0.5 mm處，測試鉚后釘徑記為D1；上層鋁合金板距兩板中間配合面0.5 mm處，測試鉚后釘徑記為D2；下層鋁合金板距兩板中間配合面0.5 mm處，測試鉚后釘徑記為D3；墩粗側(cè)距鋁合金板表面0.5 mm處，測試鉚后釘徑記為D4。

圖8 干涉量測試位置示意圖

相對干涉量的計(jì)算按下式：

式中：D為鉚前直徑；D0為鉚后孔徑或釘徑。

干涉量結(jié)果如表1所示，數(shù)據(jù)整理后如圖9所示。從圖中可以看出，小錐度鉚模時，由于鉚模限制，更多的材料向鉚模端面和鉚釘釘桿方向擠壓，使釘桿鐓粗加劇，鉚釘干涉量增大。隨著鉚模錐度的增加，釘桿干涉量逐漸降低，鉚模錐度對干涉量有較大影響。

圖9 各鉚模錐度下相對干涉量對比

表1 干涉量測試測試結(jié)果 mm

這主要是由于徑向流動的材料與模腔接觸后，受到了模腔的約束作用。鉚模角度越小，鉚釘釘桿材料就越容易被擠入釘孔，從而在鉚釘與孔壁間形成更大的干涉量。同時，由于型腔體積隨著鉚模錐度的減小而減小，40°鉚模型腔不足以滿足墩頭成型的空間，多余的材料被擠壓出鉚模之外。另外，減小鉚模錐度可以減小墩頭位置材料的徑向流動，錐度越小，鉚釘收到的徑向壓縮力越大，也有利于釘桿部分受力脹粗。

因此，減小鉚模錐度可以有效提高鉚釘與孔壁間的干涉量，有益于提高鉚接質(zhì)量，但過小的錐度，墩頭成型質(zhì)量較差，會導(dǎo)致墩頭卷邊問題。需要綜合力學(xué)性能分析的結(jié)果來確定鉚模角度的最優(yōu)值。

3.3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)，最終得到拉脫及剪切強(qiáng)度后求均值如表2所示，其力學(xué)性能變化趨勢如圖10所示。

表2 各鉚模錐度下力學(xué)強(qiáng)度對比

從圖10可以看出：隨著鉚模錐度的增加，拉脫強(qiáng)度呈上升趨勢。40°錐度時，拉脫強(qiáng)度為5.54 kN。40°～60°錐度區(qū)間試片拉脫強(qiáng)度提高相對明顯，由5.54 kN升至6.55 kN，提升18.3%。60°～90°范圍內(nèi)，拉脫強(qiáng)度基本穩(wěn)定于6.52～6.59 kN區(qū)間。

圖10 模錐度下力學(xué)強(qiáng)度對比圖

剪切強(qiáng)度則與之相反，隨著鉚模錐度的增加，剪切強(qiáng)度逐漸降低。40°錐度時，剪切強(qiáng)度為4.53 kN，40°～60°錐度區(qū)間剪切強(qiáng)度明顯降低，由4.53 kN降至4.24 kN，降低6.4%。60°～90°錐度區(qū)間剪切強(qiáng)度仍處于穩(wěn)定降低狀態(tài)，但總體位于4.12～4.24 kN區(qū)間。

從變化趨勢看，在40°～60°錐度區(qū)間范圍內(nèi)，鉚釘?shù)睦旒凹羟袕?qiáng)度均呈指數(shù)型變化。說明在小錐度的區(qū)間內(nèi)，墩頭及釘桿的成型質(zhì)量差異極為明顯，該參數(shù)對鉚釘成型質(zhì)量有著顯著的影響。

拉脫試片的斷裂位置如表3所示。40°～60°錐度區(qū)間斷裂位置均位于墩頭與釘桿的交界位置，說明在該條件下鉚釘成型后該位置較為薄弱。隨著鉚模錐度的繼續(xù)增加，66°～90°錐度區(qū)間斷裂位置在“墩頭與釘桿交界”、“釘桿中間”交替出現(xiàn)，說明在該錐度區(qū)間鉚釘成型基本穩(wěn)定，如圖11所示。

圖11 拉脫試片典型失效照片

表3 拉脫失效情況

以上力學(xué)性能測試結(jié)果表明，墩頭成型質(zhì)量隨鉚模錐度的增加而提高，而釘桿成型質(zhì)量隨鉚模錐度的增加而降低。

4 結(jié)論

1）鉚模錐度過小會導(dǎo)致多余材料溢出鉚模型腔，墩頭位置出現(xiàn)卷邊現(xiàn)象。減小鉚模錐度可以提高鉚釘與孔壁間的干涉量。從提高釘桿部分干涉量看，宜選擇小錐度鉚模。

2）隨著鉚模錐度的增加，拉脫強(qiáng)度呈上升趨勢，剪切強(qiáng)度則與之相反。墩頭區(qū)域成型質(zhì)量隨鉚模錐度的增加而提高，而釘桿成型質(zhì)量隨鉚模錐度的增加而降低。

3）考慮墩頭及釘桿的成型質(zhì)量，結(jié)合力學(xué)性能分析結(jié)果，鉚模錐度在60°左右成型的無頭鉚釘綜合力學(xué)性能較好，具體應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需求選擇。