電磁鉚接技術(shù)的原理、特點(diǎn)與應(yīng)用

鉚接簡(jiǎn)述

在飛機(jī)制造裝配中，常見(jiàn)的連接技術(shù)有螺栓連接，鉚釘連接，鉸接和焊接等，但是鉚接無(wú)疑是使用最多的連接技術(shù)，原因是：飛機(jī)機(jī)身不可能用鋼鐵，用的是高強(qiáng)度鋁合金，鋁合金遇高溫會(huì)融化，變軟，變形，所以飛機(jī)機(jī)身連接時(shí)不好用焊接的，只能用鉚接或者是螺栓連接。其中鉚釘占的比重是最大的，一架飛機(jī)所用的鉚釘更是成千上萬(wàn)。

隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)部件連接的要求也是越來(lái)越高，對(duì)鉚接的技術(shù)要求也是越來(lái)越高。無(wú)形之中，推動(dòng)著鉚接技術(shù)不斷向前發(fā)展，出現(xiàn)了液壓鉚接技術(shù)、自動(dòng)鉚接技術(shù)、電磁鉚接技術(shù)等。今天就研究比較熱門的電磁鉚接來(lái)給大家介紹一番：

電磁鉚接的原理

鈦合金材料

為滿足大飛機(jī)高可靠性、長(zhǎng)壽命的要求,復(fù)合材料、鈦合金等新材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所占比例將愈來(lái)愈大。傳統(tǒng)鉚接工藝已難以滿足這些新材料的工藝要求。于是便需要尋求一種新的工藝方法——電磁鉚接技術(shù)，來(lái)滿足飛機(jī)制造中新型工藝的要求。

電磁鉚接原理圖

電磁鉚接是電磁成形方法的一種,但與一般的飯金電磁成形又不完全相同,成形過(guò)程相對(duì)更為復(fù)雜。電磁鉚接不是利用電磁力直接成形,而是在電磁成形設(shè)備中增加了一個(gè)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈和電磁放大器調(diào)制器。放電時(shí)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間產(chǎn)生強(qiáng)的渦流磁場(chǎng),并產(chǎn)生強(qiáng)的沖擊力。

強(qiáng)的渦流磁場(chǎng)

鉚接時(shí)沖擊力的加載速率極高,并以應(yīng)力波的形式傳播,因而也叫應(yīng)力波鉚接。應(yīng)力波在放大器中傳播并經(jīng)過(guò)反射和折射,使鉚釘在極短的時(shí)間內(nèi)微秒級(jí)完成塑性成形。

電磁鉚接的成長(zhǎng)

電磁鉚接現(xiàn)在可謂是已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)。主要是電磁鉚接技術(shù)在鉚接難成形材料及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面有傳統(tǒng)鉚接方法無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì),己在A340、A380及波音系列飛機(jī)上得到應(yīng)用。但提起其發(fā)展歷程也是步履維艱，其達(dá)到今天的普及也是前輩們一步一個(gè)腳印地踩出來(lái)的。

1958年世界上出現(xiàn)第一臺(tái)電磁成形設(shè)備,后來(lái)電磁成形工藝在美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的航空、宇航和汽車等工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用。到1980年美國(guó)己有多臺(tái)電磁成形設(shè)備,前蘇聯(lián)也有多臺(tái)。美國(guó)、俄羅斯的電磁成形設(shè)備均已經(jīng)系列化。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,電磁成形無(wú)論是在理論研究方面,還是在應(yīng)用方面都取得了重大發(fā)展。

電磁鉚接設(shè)備放電線圈回路等效電路

美國(guó)的格魯門宇航公司是世界上最早研究電磁鉚接技術(shù)的公司,它們?yōu)檠辛薋-14在70年代專門研制了電磁鉚接設(shè)備,成功解決了欽合金等干涉配合緊固鉚接大夾層欽合金結(jié)構(gòu)所遇到的難題,取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

均勻干涉配合鉚接法

70年代中期到80年代中期,格魯門宇航公司將電磁鉚接成形技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,申請(qǐng)了很多項(xiàng)專利,諸如應(yīng)力波制孔、應(yīng)力波安裝干涉配合緊固件、應(yīng)力波焊接等。接著又對(duì)電磁鉚接的質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明,電磁鉚接提高接頭疲勞壽命,在有預(yù)制裂紋的試件孔中,采用這種方法進(jìn)行干涉配合鉚接能延緩疲勞裂紋的增長(zhǎng),對(duì)于按照損傷容限準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有明顯的節(jié)約重量的潛力。但該公司沒(méi)有將電磁鉚接設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展。

此外，波音公司在70年代也發(fā)明了電磁鉚接設(shè)備,使用雙槍進(jìn)行液密干涉配合鉚接,已納入工藝說(shuō)明書之中。到了80年代,波音公司曾將電磁鉚槍裝到自動(dòng)鉆鉚機(jī)上使用。大約在1994年,波音公司開(kāi)始在新型737飛機(jī)機(jī)身上使用電磁鉚接技術(shù)。

大致總結(jié)下美國(guó)的電磁鉚接技術(shù)的發(fā)展（大致分為三個(gè)階段）：

第一階段：70年代研制成功了固定式的電磁鉚接設(shè)備；80年代初期到中期,研制了小型手提式電磁鉚接設(shè)備。即高電壓電磁鉚接設(shè)備的研制,工作電壓一般5000-8000V。

第二階段：80年代末期到90年代初期,采用了低電壓的電磁鉚接技術(shù),工作電壓一般低于600V,個(gè)別也有1200V,,即低電壓電磁鉚接階段。

第三階段：也就是現(xiàn)在,美國(guó)電磁鉚接技術(shù)的研究己進(jìn)入了第三階段的研究,即自動(dòng)化電磁鉚接階段,已開(kāi)始進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制和低電壓的電磁鉚接設(shè)備的工程化研究。

電磁鉚接方法的特點(diǎn)及應(yīng)用

電磁鉚接成形時(shí),材料的變形方式不同于準(zhǔn)靜態(tài)加載,因而對(duì)一些特殊的材料的成形有著其它方法無(wú)法代替的優(yōu)越性。與普通鉚接方法相比,電磁鉚接由于加載速率高,鉚釘成形快,釘桿膨脹均勻,因而采用這一方法進(jìn)行干涉配合鉚接產(chǎn)生的干涉量均勻,接頭疲勞壽命長(zhǎng)。另外,電磁鉚接對(duì)一些冷塑性較差,普通鉚接方法難以鉚接的材料仍能成功地實(shí)施。其應(yīng)用主要在以下幾點(diǎn);

干涉配合鉚接

干涉配合能提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命,已成為結(jié)構(gòu)延壽的主要工藝方法。普通鉚接時(shí)釘桿膨脹不均勻,特別是對(duì)厚夾層結(jié)構(gòu),很難保證沿整個(gè)釘桿均有干涉,因而難以達(dá)到最佳疲勞壽命增益。電磁鉚接由于成形時(shí)間短,釘桿膨脹和鐓頭的成形幾乎同步完成,因而在釘桿和釘孔間形成的干涉量比較均勻,當(dāng)釘孔間隙較大或夾層厚度較大時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)干涉配合,接頭疲勞壽命長(zhǎng)。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接

復(fù)合材料具有許多優(yōu)異性能,因而在民機(jī)制造中得到廣泛應(yīng)用。和金屬結(jié)構(gòu)相比,連接是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)破壞的60%～ 80%發(fā)生在連接處。為防止沖擊損傷,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中一般限制錘鉚方法。由于普通鉚接的釘桿膨脹不均勻,為防止擠壓破壞,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接限制干涉配合。電磁鉚接是一種沖擊距離為零的沖擊加載,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊損傷遠(yuǎn)小于普通錘鉚方法。另外,電磁鉚接的釘桿膨脹均勻,用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接可以防止擠壓破壞。因此,電磁鉚接技術(shù)可以用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接。

干涉配合緊固件安裝

目前干涉配合緊固件一般采用液壓壓入或錘擊打入的方法。這種方法存在如下的一些缺點(diǎn):①緊固件容易屈服并且膨脹,安裝比較困難;②對(duì)于具有較大干涉量的金屬緊固件,采用打入的方法容易造成孔壁損傷,而液壓安裝往往要求結(jié)構(gòu)比較開(kāi)敞。而電磁鉚接技術(shù)則不存在以上問(wèn)題，而且電磁鉚接安裝時(shí)產(chǎn)生的“凸瘤”較小,有利于接頭疲勞強(qiáng)度的提高。