电磁铆接技术在大飞机制造中的应用初探

 电磁铆接是一种新型连接工艺,本文介绍了电磁铆接技术的特点及其发展。针对大飞机制造的技术需求,分析了电磁铆接技术在大飞机研制中的作用,重点介绍了电磁铆接技术在干涉配合铆接、复合材料结构铆接、干涉配合紧固件安装等方面的应用。实验研究表明电磁铆接形成的干涉量均匀,能够提高结构疲劳寿命,可以安装大干涉量干涉配合紧固件,对复合材料结构铆接可以减少安装损伤。分析了为满足大飞机研制的需要,中国下一阶段在电磁铆接技术方面要进行的工作。     

基于损伤力学的干涉配合连接结构寿命预测方法

铆接连接件疲劳破坏常出现在铆钉孔周,现阶段常采用干涉配合提高铆接连接件疲劳寿命。以干涉配合铆接连接件为研究对象,采用连续介质损伤力学方法,研究其在循环载荷作用下疲劳破坏特性。通过APDL语言对ANSYS软件进行二次开发,建立了结构疲劳裂纹萌生寿命的损伤力学——有限元法,可以预估干涉配合铆接连接件的疲劳寿命。计算了典型铆接件的疲劳寿命,并与SWT临界平面法预估的疲劳寿命进行对比,验证损伤力学——有限元法的准确性。     

钛合金结构干涉配合铆接工艺研究

为提高某型机结构寿命,针对目前钛合金结构采用普通铆接方法的现状,提出对钛合金结构采用干涉配合铆接工艺。采用普通锤铆研究了不同直径铆钉外伸量和钉孔间隙等工艺参数与干涉量关系,得出φ3.5和φ4钛铌铆钉的最佳钉孔间隙均为(0.08±0.02)mm,以及在该间隙下合适的外伸量为(1.2~1.3)d。试验结果表明在该工艺参数下得到较理想干涉量为0.8%~1.0%且铆接质量良好。     

铆模倾角对铆接质量的影响研究

 电磁铆接(EMR)作为一种新的铆接工艺方法,可以使铆钉在铆模型腔内一次完成镦头成形。为了研究铆模构型对EMR质量的影响,通过数值模拟和试验对不同倾角铆模铆接的铆钉镦头、干涉量和残余压应力进行了研究分析。设计疲劳试验对不同倾角铆模铆接的试件进行验证和分析。研究结果表明:铆模倾角对干涉量有较大影响,倾角越小,干涉量越大;采用66°铆模倾角可以实现较理想的干涉配合,接头疲劳寿命最长。     

基于对称加载的均匀干涉配合铆接方法

铆接干涉量均匀度是影响飞行器装配接头疲劳寿命、结构铆接变形的重要因素之一。为了提高铆接干涉量均匀度,采用基于应力波加载的电磁铆接双面铆接方法,对对称加载的铆接工艺方法进行了研究。利用应力波传播和叠加原理对对称加载的钉杆应力水平进行理论分析,试验测量了电磁力应力波及其叠加效应。通过工艺试验和微观分析,研究了对称加载方法对铆接质量的影响。研究结果表明:对称加载方法下,双向应力波同步触发,脉冲宽度相等,钉杆理论应力水平高于单面加载;在对称应力波作用下,整体钉杆干涉量均匀,并形成有效干涉,钉头与夹层贴合紧密;对称加载钉孔绝对干涉量更大,平均干涉量大于单面加载14%,干涉量均匀度高出单面加载37.5%,有利于实现连接结构的疲劳寿命增益;对称加载方法引起的结构件铆接变形量小于单面加载,更容易保证装配件外形准确度。     

内锥衬套高锁螺栓性能及接头疲劳寿命研究

针对研制的内锥衬套高锁螺栓进行性能试验,开展复合材料/金属双搭多钉连接接头静力和疲劳试验及接头失效分析。结果表明,研制的内锥衬套高锁螺栓抗拉、双剪、疲劳及冶金性能合格,拉伸断口显微特征为韧窝。复材/铝合金多排钉连接接头间隙配合钉载比例差为41%,干涉配合钉载分配比例差为34.7%(1.0%的相对干涉量下);复材/钛合金接头间隙配合钉载分配比例差为43.3%,干涉配合钉载分配比例差为37.7%(1.0%的相对干涉量下),干涉配合可以提高钉载分配的均匀性。复材/铝合金接头干涉配合的疲劳寿命约为间隙配合的1.7倍,复材/钛合金接头干涉配合的疲劳寿命约为间隙配合的3.4倍。间隙配合连接的断裂试样主裂纹萌生于孔壁和试件表面,干涉对孔壁有强化作用,其主裂纹萌生于试件表面孔角和孔壁。7050铝合金呈现解理和韧窝的混合特征,TA15显微显示为准解理断裂,存在少量等轴韧窝和河流花样。     

理想干涉配合铆接

针对目前普通干涉配合铆接的干涉不均匀、干涉量不合理等问题,提出了理想干涉配合铆接的概念。对不同铆接方法的钉杆膨胀情况进行了对比,提出利用电磁铆接实现理想干涉配合铆接,并对基于电磁铆接的理想干涉配合铆接工艺进行了实验研究。     

有效最小干涉量工程计算方法研究

干涉配合是改善铆接接头疲劳性能和钉孔自身密封性能的一项有效的工艺措施。目前干涉量大小的确定仅凭经验或试验结果,而本文提出一个通用的计算有效最小干涉量的工程方法,给出了一个便于应用的计算公式:探讨了材料特性和应力状态对干涉配合量选取的影响:给出了飞机结构常用有效最小干涉量数据表。     

干涉配合铆接对疲劳强度的影响

通过试验，研究了干涉配合铆接试件相对于普通铆接试件疲劳强度的增益，估算了冠状铆钉干涉配合的填充作用。研究结果表明：在中寿命区，干涉配合铆接的疲劳强度比普通铆接的疲劳强度提高约25％。通过理论计算与试验结果的对比。建议冠状铆钉干涉配合的填充系数可取为0．474。     

复合材料的干涉配合铆接

分析了复合材料结构采用干涉配合技术存在的工艺困难，利用应力波铆接设备对碳纤维复合材料进行了干涉配合铆接试验，并对铆接质量进行了检测分析。结果表明，应力波铆接可以产生合适的干涉量，能提高初始破坏挤压强度；不会造成复合材料的安装损伤     

Interference-fit riveting technique in fiber composite laminates

Interference strengthening technology is a common method of improving the fatigue life of metal assemblies, and is particularly used to prolong service life of metal structures. Composite materials have lower interlaminar strength and lower stretch ratio making it difficult to implement interference-fit joining, especially interference-fit riveting. The primary difficulty is controlling the interference to prevent damaging to the composite structure. The expansion of the rivet shaft by conventional riveting techniques is non-uniform and easy to damage the composite structure. Hence, interference-fit riveting is not recommended in composite structures. However, experimental results have shown that interference strengthening technology can be effectual in composite structures. The paper describes an electromagnetic riveting (EMR) technique which can create a well-distributed shaft expansion, and can be used to conduct interference-fit riveting in composites structures. This paper gives out that using an especial washer and appropriate clearance between shaft and aperture wall can restrict shaft expansion and prevent damaging to composites, and also studies the configuration of the washer and the clearance of riveting composite laminates. The paper also reports on an investigation involving a comparison of shaft expansion between hydraulic squeeze riveting and EMR. The experiments show that EMR technique can achieve an interference-fit riveting in fiber composite structures.     

TC4钛合金紧固件孔E-I强化研究

 介绍TC4(Ti-6Al-4V)钛合金螺栓孔无衬套冷胀孔干涉配合综合强化的研究结果。实验证明,在给定的条件下,冷胀孔强化的TC4板状空孔试件的疲劳寿命增益系数(LIF)为13,干涉配合螺栓连接的LIF=3,而E-l强化件的疲劳寿命比单纯干涉配合又有成倍提高。电镜断口分析表明TC4合金强化件的疲劳裂纹的形成和扩展与LY12CZ及30CrMnSiA相似,它们不表现为典型的角裂纹,即沿板平面和厚向扩展速率有明显差异。对于TC4合金,在改善疲劳品质上,带衬套冷胀孔强化比无衬套冷胀孔强化好得多。     

TC18钛合金焊接接头力学性能试验研究

氩弧焊和电子束焊是钛合金加工中两类常见的工艺方法,对比研究两种工艺对焊接接头力学性能的影响对其在工程中的合理选用具有重要的参考价值。完成了TC18钛合金氩弧焊接头和电子束焊接头的静力拉伸及旋转弯曲疲劳试验,并根据试验结果对两类焊接接头的力学性能进行了对比分析,采用统计学方法给出了二者的中值疲劳寿命SN曲线及疲劳极限。研究结果表明：氩弧焊接头焊缝区内晶粒粗大,使得材料的力学性能明显劣化;电子柬焊接头具有更高的抗拉强度与更好的高周疲劳性能,更有利于工程应用。     

LY12CZ铝合金干涉螺接件微动损伤防护技术

 本文分析研究LY12CZ铝合金干涉螺接件的微动损伤防护技术。讨论了不同干涉量、表面处理技术、孔的加工方法及防护夹层对其微动损伤及疲劳寿命的影响。应用断口分析的方法研究了其微动损伤区的形貌、裂纹的起始部位及形式。提出了提高LY12CZ干涉螺接件疲劳寿命的方法。     

钛合金铆钉热铆一次合格率提升方法研究

针对现有钛合金铆钉热铆存在的镦头成型不足、镦头表面灼伤、钉头现灰黄色氧化层等问题,分析得出其主要原因是铆接加热时间未精确控制和铆接过程带电,提出了一种钛合金铆钉热铆系统优化方法,基于PLC实现加热时间参数化控制和铆接自动断电功能,通过铆钉加热试验获得多组铆钉温度和对应加热时间数据,采用牛顿插值法得到铆钉加热至目标温度时所需加热时间,形成一套针对不同长度和直径铆钉的热铆工艺参数,最后通过热铆试验确定钛合金铆钉热铆一次合格率获得大幅提升。     

Electromagnetic riveting technique and its applications

With the increasing applications of novel materials and structures in new-generation aircraft, conventional joining techniques in aircraft component assembly are greatly challenged. To meet those challenges, the electromagnetic riveting (EMR) technique was developed as an advanced joining tool, which exhibits obvious advantages in the assembly of new-generation aircraft. In this paper, the riveting principle of EMR was analyzed, and its development history and status were presented in detail. Then, equipment features of three typical EMR systems were given. Moreover, three important applications of EMR were covered, i.e., composite structure riveting, titanium rivet and large-size aluminum rivet riveting, and interference fit bolt installation. Specially, a novel strengthening method for mechanical linking holes based on EMR was also presented, which can significantly improve the fatigue behaviors of mechanical joints. Finally, open questions in the EMR field were discussed, and some recommendations for future work were also made. This paper can be useful for optimizing the joint designs of aircraft components and improving the level of aircraft maintenance.     

钛合金焊接件疲劳寿命估算

基于有限单元法理论，采用ANSYS有限元分析软件，对航空发动机中常用钛合金焊接试件进行应力应变分析，得到了焊接接头的等效应力场和应变场，并确定出试件等效应力集中系数Kf，运用局部应力-应变法对光滑焊接试件估算疲劳寿命，并采用成组试验法对计算结果进行验证和分析。