电磁铆接技术在直升机上应用前景研究

郭鸯鸯

摘 要：本文介绍了电磁铆接成形原理，对电磁铆接中铆钉成形过程进行分析。针对直升机领域对电磁铆接的应用需求，介绍了国外电磁铆接技术在航空领域的应用情况和国内电磁铆接技术研究进展。对电磁铆接技术在直升机领域的应用优势进行了分析，直升机采用电磁铆接技术能够显著提高直升机疲劳壽命。

关键词：电磁铆接;干涉配合;复合材料;直升机

中图分类号：V261 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0093-02

0 引言

电磁铆接是一种新型铆接工艺，整个铆接过程仅需几百微秒到一毫秒时间，铆钉材料以绝热剪切方式完成塑形变形，在钉杆与钉孔之间形成均匀的干涉量，通过控制电磁铆接工艺参数，能够得到最佳干涉量，显著提高结构疲劳寿命。

1 电磁铆接工艺

1.1 电磁铆接成形原理

电磁铆接在几百微秒到一毫秒的时间内产生极大的冲击力，铆钉在短时间内完成塑性变形。材料的变形方式与准静态加载条件有明显的区别，普通铆接时铆钉材料以均匀滑移变形完成塑性变形，电磁铆接时铆钉材料以绝热剪切方式完成塑性变形。电磁铆接原理图如图1所示，在开关闭合的瞬间，初级线圈有冲击电流通过，初级线圈周围在快速变化的冲击电流下产生磁场，进而在次级线圈中产生感应电流，次级线圈在感应电流作用下产生涡流磁场，与初级线圈周围的磁场相互耦合产生涡流斥力，涡流斥力通过应力波放大器进行放大，作用在铆钉上，完成铆接[1]。

1.2 电磁铆接铆钉成形过程

以平锥头铆钉为例，电磁铆接铆接物理模型如图2所示，冲击力作用在铆模上，铆模向下运动挤压铆钉完成铆接过程。在铆接初级阶段，铆钉杆尚未接触被连接件，铆钉发生整体自由镦粗变形，随着铆钉变形铆钉受到被连接件径向挤压，铆钉发生挤压镦粗变形，随着被连接件的挤压，铆钉径向变形越来越困难，铆钉变形开始集中在镦头部分，铆钉转变为局部镦粗变形[2]。

2 电磁铆接技术国内外应用情况

2.1 国外电磁铆接技术应用情况

国外对电磁铆接技术研究较早，在70年代为解决厚蒙皮以及新型材料铆接困难的问题，在F-14的研制中，将电磁成形技术引入航空制造领域，在该阶段电磁铆接设备需要电压较高，工人操作时危险系数较高。随着行业的发展，低电压铆接设备应运而生。

Electroimpact公司是专门生产制造低电压电磁铆接设备，其制造的设备可以在低电压下可产生180KN的铆接力[3]。Electroimpact公司生产制造的低电压电磁铆接设备如表1所示[4-6]。波音，空客铆接装配中广泛产用该低电压电磁铆接设备。

电磁铆接技术的另一种应用是自动钻铆设备，图3是波音787机身段铆接过程中使用的自动化钻铆设备。自动化钻铆设备可以自动完成钻孔、锪窝、涂胶、插钉、电磁铆接等工作，工作效率高，装配可靠，铆接质量好[7]。

2.2 国内电磁铆接技术应用情况

国内电磁铆接技术起步较晚，目前主要集中在高校以及研究所，其中西北工业大学、哈尔滨工业大学以及航空制造625所分别研制出电磁铆接设备，但该电磁铆接设备均在试验阶段，未投入批量生产。目前，国内飞机制造商主要从国外引进电磁铆接设备，但由于技术封锁，电磁铆接工艺参数需自行研究。

3 电磁铆接技术在直升机领域应用前景

直升机结构的破坏形式主要为疲劳破坏，疲劳强度在直升机结构设计中占由及其重要的地位，在铆钉孔周围尤其易出现疲劳裂纹。电磁铆接是一种新型铆接工艺，铆钉在几百微秒时间内完成成形，铆钉杆和镦头几乎同时完成成形，铆钉杆变形均匀，在钉杆和钉孔之间形成均匀的干涉量[8]。电磁铆接通过控制铆接电压以及铆模结构，可以得到最佳干涉量，能显著提高结构疲劳寿命。

为减轻结构重量，复合材料在直升机中应用比重越来越大。如“虎”直升机复合材料占结构重量的80%以上，NH90的机身全部采用复合材料[9]。目前复合材料铆接中主要采用拉铆的方式进行铆接，铆钉和钉孔之间为间隙配合，在复合材料连接处易出现疲劳破坏。电磁铆接是一种冲击距离为零的新型铆接工艺，相对于普通铆接能够减轻对复合材料结构的损伤[10]。通过控制电磁铆接参数，可以实现小而均匀的干涉量，能够提高复合材料铆接质量。

4 结语

电磁铆接在复合材料结构铆接，大直径难成形铆钉铆接等方面相对于传统铆接有显著优势，通过控制工艺参数，可以得到最佳干涉量，将电磁铆接技术应用在直升机装配制造中，能够显著提高直升机疲劳寿命。

参考文献

[1] 曹增强，刘洪.电磁铆接技术[J].塑性工程学报，2007（01）：120-123.

[2] 余祥峰.钛合金铆钉电磁铆接破坏行为研究[D].福州大学，2014.

[3] P.B. Zieve， J.Hartmann.High Force Density Eddy Current Driven Actuator[J].IEEE Transactions on Magnetics.1988，24（6）：3144-3146.

[4] J. Hartmann， T. Brown.Integration and Qualification of the HH500 Hand Operated Electromagnetic Riveting System on the 747 Section11[J]. SAE International.1993：01-1760.

[5] P. B. Zieve， S.Tomchick， R. Flynn. Implementation of the HH550 Electromagnetic Riveter and Multi-Axis Manlift for Wing Panel Pickup[J]. SAE International.1996：01-1883.

[6] R.C.Devlieg.Lightweight Handheld EMR with Spring-Damper Handle[J].SAE International.2000：01-3031.

[7] 姜杰凤.电磁铆接技术在大飞机铆接装配上的应用[J].机械工程与自动化，2011（03）：167-169.

[8] 曹增强.电磁铆接技术在大飞机制造中的应用初探[J].航空学报，2008（03）：716-720.

[9] 吴希明.直升机技术现状、趋势和发展思路[J].航空科学技术，2012（04）：13-16.

[10] 曹增强.新机研制中的复合材料结构装配关键技术[J].航空制造技术，2009（15）：40-42.