電磁鉚接技術的原理、特點與應用

電磁鉚接技術的原理、特點與應用

電子設計 發表於 2018-10-23 09:22:00

鉚接簡述

在飛機製造裝配中，常見的連接技術有螺栓連接，鉚釘連接，鉸接和焊接等，但是鉚接無疑是使用最多的連接技術，原因是：飛機機身不可能用鋼鐵，用的是高強度鋁合金，鋁合金遇高溫會融化，變軟，變形，所以飛機機身連接時不好用焊接的，只能用鉚接或者是螺栓連接。其中鉚釘佔的比重是最大的，一架飛機所用的鉚釘更是成千上萬。

隨著航空製造業的發展，飛機部件連接的要求也是越來越高，對鉚接的技術要求也是越來越高。無形之中，推動著鉚接技術不斷向前發展，出現了液壓鉚接技術、自動鉚接技術、電磁鉚接技術等。今天就研究比較熱門的電磁鉚接來給大家介紹一番：

電磁鉚接的原理

鈦合金材料

為滿足大飛機高可靠性、長壽命的要求,複合材料、鈦合金等新材料在飛機結構中所佔比例將愈來愈大。傳統鉚接工藝已難以滿足這些新材料的工藝要求。於是便需要尋求一種新的工藝方法——電磁鉚接技術，來滿足飛機製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,成形過程相對更為複雜。電磁鉚接不是利用電磁力直接成形,而是在電磁成形設備中增加了一個初級線圈和次級線圈和電磁放大器調製器。放電時初級線圈和次級線圈之間產生強的渦流磁場,並產生強的衝擊力。

強的渦流磁場

鉚接時衝擊力的加載速率極高,並以應力波的形式傳播,因而也叫應力波鉚接。應力波在放大器中傳播並經過反射和折射,使鉚釘在極短的時間內微秒級完成塑性成形。

電磁鉚接的成長

電磁鉚接現在可謂是已經廣泛應用於航空製造業。主要是電磁鉚接技術在鉚接難成形材料及複合材料結構方面有傳統鉚接方法無法取代的優勢,己在A340、A380及波音系列飛機上得到應用。但提起其發展歷程也是步履維艱，其達到今天的普及也是前輩們一步一個腳印地踩出來的。

1958年世界上出現第一臺電磁成形設備,後來電磁成形工藝在美國、前蘇聯、日本、西歐等發達國家和地區的航空、宇航和汽車等工業部門得到了廣泛的應用。到1980年美國己有多臺電磁成形設備,前蘇聯也有多臺。美國、俄羅斯的電磁成形設備均已經系列化。經過多年的發展,電磁成形無論是在理論研究方面,還是在應用方面都取得了重大發展。

電磁鉚接設備放電線圈迴路等效電路

美國的格魯門宇航公司是世界上最早研究電磁鉚接技術的公司,它們為研了F-14在70年代專門研製了電磁鉚接設備,成功解決了欽合金等幹涉配合緊固鉚接大夾層欽合金結構所遇到的難題,取得了明顯的技術經濟效益。

均勻幹涉配合鉚接法

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的應用範圍不斷擴大,申請了很多項專利,諸如應力波制孔、應力波安裝幹涉配合緊固件、應力波焊接等。接著又對電磁鉚接的質量進行了系統的研究。結果表明,電磁鉚接提高接頭疲勞壽命,在有預製裂紋的試件孔中,採用這種方法進行幹涉配合鉚接能延緩疲勞裂紋的增長,對於按照損傷容限準則設計的結構有明顯的節約重量的潛力。但該公司沒有將電磁鉚接設備進一步發展。

此外，波音公司在70年代也發明了電磁鉚接設備,使用雙槍進行液密幹涉配合鉚接,已納入工藝說明書之中。到了80年代,波音公司曾將電磁鉚槍裝到自動鑽鉚機上使用。大約在1994年,波音公司開始在新型737飛機機身上使用電磁鉚接技術。

大致總結下美國的電磁鉚接技術的發展（大致分為三個階段）：

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

第二階段：80年代末期到90年代初期,採用了低電壓的電磁鉚接技術,工作電壓一般低於600V,個別也有1200V,,即低電壓電磁鉚接階段。

第三階段：也就是現在,美國電磁鉚接技術的研究己進入了第三階段的研究,即自動化電磁鉚接階段,已開始進行了計算機控制和低電壓的電磁鉚接設備的工程化研究。

電磁鉚接方法的特點及應用

電磁鉚接成形時,材料的變形方式不同於準靜態加載,因而對一些特殊的材料的成形有著其它方法無法代替的優越性。與普通鉚接方法相比,電磁鉚接由於加載速率高,鉚釘成形快,釘杆膨脹均勻,因而採用這一方法進行幹涉配合鉚接產生的幹涉量均勻,接頭疲勞壽命長。另外,電磁鉚接對一些冷塑性較差,普通鉚接方法難以鉚接的材料仍能成功地實施。其應用主要在以下幾點;

幹涉配合鉚接

幹涉配合能提高結構疲勞壽命,已成為結構延壽的主要工藝方法。普通鉚接時釘杆膨脹不均勻,特別是對厚夾層結構,很難保證沿整個釘杆均有幹涉,因而難以達到最佳疲勞壽命增益。電磁鉚接由於成形時間短,釘杆膨脹和鐓頭的成形幾乎同步完成,因而在釘杆和釘孔間形成的幹涉量比較均勻,當釘孔間隙較大或夾層厚度較大時仍能實現幹涉配合,接頭疲勞壽命長。

複合材料結構鉚接

複合材料具有許多優異性能,因而在民機製造中得到廣泛應用。和金屬結構相比,連接是複合材料結構的薄弱環節,結構破壞的60%～ 80%發生在連接處。為防止衝擊損傷,複合材料結構製造中一般限制錘鉚方法。由於普通鉚接的釘杆膨脹不均勻,為防止擠壓破壞,複合材料結構連接限制幹涉配合。電磁鉚接是一種衝擊距離為零的衝擊加載,對結構產生的衝擊損傷遠小於普通錘鉚方法。另外,電磁鉚接的釘杆膨脹均勻,用於複合材料結構鉚接可以防止擠壓破壞。因此,電磁鉚接技術可以用於複合材料結構連接。

幹涉配合緊固件安裝

目前幹涉配合緊固件一般採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:①緊固件容易屈服並且膨脹,安裝比較困難;②對於具有較大幹涉量的金屬緊固件,採用打入的方法容易造成孔壁損傷,而液壓安裝往往要求結構比較開敞。而電磁鉚接技術則不存在以上問題，而且電磁鉚接安裝時產生的「凸瘤」較小,有利於接頭疲勞強度的提高。

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