电磁铆接铆钉的变形及铆模结构试验研究

耿雅辉 刘苏 高晶 顾皞

摘  要：针对基于电磁铆接实现对航天飞行器装配时存在由于铆钉变形而导致铆接质量不佳最终影响装配质量的问题，文章在研究电磁铆接铆钉变形机理的基础上，基于Abaqus和二项多项拟合手段基于残余应力得出最佳铆模参数，后又通过干涉量对所获得最佳铆模参数进行了验证，为进一步提升铆接质量，提升飞行器的装配效率和质量具有一定的指导意义。

关键词：电磁铆接，铆模，残余应力，干涉量，质量，效率

引言

近年来，我国的航天事业得到了飞速的发展，继而对飞行器的结构提出了更高的要求。未来飞行器将朝着轻量化、大容量以及整体化的方向发展。就我国当前的航天制造技术而言，由于板材的成形技术的限制，导致无法制造出结构完全整体化的飞行器。目前，常通过焊接螺钉以及铆接三种方式实现产品的连接。与螺钉连接相比，铆接具有更高的可靠性，与焊接连接相对，铆接可避免应焊接导致的应力集中变形[1]。因此，铆接为当前被航天领域应用最为广泛的连接工艺，且铆接包括有电磁铆接和普通铆接。电磁铆接与普通铆接相比较具有高效率、低噪声的优势，且基于电磁铆接不会容易出现开裂、剪切破坏等缺陷，大大提升了航天产品的装配效率和装配质量。本文着重对电磁铆接铆钉的变形机理及铆模机构试验进行研究，具体阐述如下：

1 电磁铆接铆钉变形机理研究

材料的变形在一定形式上与静态加载以及载荷随时间的变化速度有关。电磁铆接工艺手段的载荷作用时间短且所作用载荷随时间的变化速度。因此。可将载荷对铆钉的作用看似为应力波的概念。

在铆接工艺的操作过程中铆枪将通过铆模将冲击力作用于铆钉，在实际铆接过程中，铆钉所承受的冲击力远大于其材料的应力。此时，铆钉的弹性变形将质变为塑形变形，从而导致铆钉出现相应的变形[2]。而且，铆钉的变形量与铆钉材质的不同、铆枪通过铆模传递的冲击力大小有关。经研究可知，当铆钉的材质越硬，对应的变形量越大;当铆枪所传递的冲击力越大，其对应的变形量也越大。

因此，在实际铆接过程中需根据铆模的参数及铆钉的材质设计铆枪所给冲击力的大小。

2 铆模结构的优化设计

在实际生产中，铆钉与被连接件的采用干涉配合可以提升接头的疲劳寿命。经研究可知，铆模的结构在一定程度上影响着铆接的干涉量、最大剪应力和残余应力。故，本节为5mm的铆钉设计对应的铆模，并对所设计铆模的疲劳寿命进行分析，判断其是否存在优化的空间，然后按需对铆模的结构进行优化[3]。

2.1 铆接件疲劳寿命分析

铆接件疲劳寿命分析结果，铆接件通过铆钉进行连接，下铆接件在切向载荷的作用下发生变形，此变形通过铆钉传递至上铆接件。由于上铆接件左端是固定，导致上铆接件出现弯曲变形。而且，在铆钉的作用下，上铆接件右侧的应力明显大于左侧，即在上铆接件右侧出现应力集中的现象[4]。

2.2 铆模结构的优化

经研究可知，不同的铆模结构对最终铆接的质量是有影响的，而且主要影响的参数为铆模的倾角和圆角，且随着倾角和圆角的增大，干涉量逐渐减小。因此，为确保最终的铆接质量，需对铆模的倾角和圆角进行优化设计。

本文采用二项多项式拟合的手段分析铆钉杆、上铆接件以及下铆接件残余应力与铆模圆角和倾角之间的关系。经优化设计后，对应的铆模的最佳参数为：铆模圆角为0.8mm，铆模倾角为55°。

3 铆模结构试验研究

一般的，铆接质量的好坏可直接通过铆接件的干涉量、抗剪强度和抗拉脱强度进行反应[5]。本节将研究不同铆模结构对干涉量、抗剪强度和抗拉脱强度的影响。不同铆模结构对铆接件的抗剪强度和抗拉脱强度的影响较小，主要对铆接件干涉量的影响较大。因此，将通过干涉量判断铆接件的铆接质量。故，铆接质量最佳时其对应的铆模参数为：圆角为0.8mm，倾角为55°。

4 总结

铆接作为航天制造技术中的主要技术之一，基于该技术即可获得可靠性更高的连接，又可避免由于焊接工艺所带来的应力集中现象。为进一步提升飞行器制造过程中的铆接质量，在充分掌握影响铆接质量的因素的基础上，本文着重研究对铆模结构对铆接质量的影响，并为5mm的铝合金铆钉为依据，对铆模的圆角、倾角参数进行优化设计，已获得最佳的铆接质量。经研究可得，最佳铆模参数为：圆角为0.8mm，倾角为55°。

参考文献

[1]  邓将华，李春峰. 电磁铆接技术研究概况及发展趋势[J]. 锻压技术（5）：14-18.

[2]  曹增強，代瑛. 楔形复合材料结构电磁铆接工艺[J]. 航空学报（10）：209-213.

[3]  周利，秦志伟，刘杉，等. 热塑性树脂基复合材料连接技术的研究进展[J]. 材料导报，2019（19）.

[4]  于海平，邓将华，李春峰，. 电磁铆接加载速率对TA1铆钉变形影响研究[J]. 哈尔滨工程大学学报（3）：112-117.

[5]  邓将华，李春峰，于海平 电磁铆接钉杆长度对连接的影响[J]. 福州大学学报（自然科学版）（6）：99-103.

作者简介：耿雅辉、女、1986.1，汉、河北邯郸，本科、工程师、研究方向：机械制造。