電磁鉚接技術(shù)

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1、電磁鉚接技術(shù)發(fā)展概況摘要：對(duì)電磁鉚接技術(shù)的研究現(xiàn)狀作概述。介紹了電磁鉚接的基本原理及其特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外電磁鉚接設(shè)備的研究進(jìn)行了分析比較，討論了電磁鉚接工藝研究的意義以及工藝參數(shù)對(duì)電磁鉚接質(zhì)量的影響。隨著航空業(yè)的發(fā)展，電磁鉚接工藝參數(shù)的定量化勢(shì)必成為發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：電磁鉚接；鉚接質(zhì)量；工藝參數(shù)在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為增加飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高疲勞壽命，同時(shí)減輕飛機(jī)重量，大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。第4代戰(zhàn)斗機(jī)上鈦合金材料將占30％以上，復(fù)合材料占40％～60％。但由于復(fù)合材料易產(chǎn)生安裝損傷、分層等現(xiàn)象，大大限制了熱鉚方法的采用。同時(shí)，在新型飛機(jī)和大型運(yùn)載火

2、箭中，由于大載荷的要求，越來(lái)越多地采用大直徑鉚釘。并且，由于結(jié)構(gòu)開(kāi)敝性限制，大功率壓鉚機(jī)在許多情況下無(wú)法工作，所以只能采用氣鉚。而氣鉚存在鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低下等問(wèn)題。上述問(wèn)題是目前普通鉚接方法無(wú)法避免的，因此，迫切需要采用新型的鉚接工藝來(lái)解決這些問(wèn)題，電磁鉚接是電磁成形工藝的一個(gè)應(yīng)用，是作為解決上述難題而發(fā)展起來(lái)的一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使鉚釘發(fā)生塑性變形的新型鉚接方法。1電磁鉚接原理電磁鉚接是利用初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間產(chǎn)生的渦流斥力使鉚釘發(fā)生塑性變形的一種新型鉚接工藝。加載速率高、應(yīng)變速率大，材料的變形方式與壓鉚等準(zhǔn)靜態(tài)加載方式不同，鉚釘釘桿變

3、形均勻，可有效防止復(fù)合材料損傷，為鈦合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成形提供了一種先進(jìn)的連接技術(shù)。目前，該技術(shù)已在航天航空工業(yè)制造領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，波音、空客等飛機(jī)制造中均采用這一技術(shù)[1]。1.1電磁鉚接成形原理電磁鉚接的基本原理同電磁成形，只是在次級(jí)線(xiàn)圈和工件之間加了一個(gè)應(yīng)力波放大器，電磁鉚接原理圖如圖1-1。圖1-1電磁鉚接原理圖如圖所示在開(kāi)關(guān)閉合的瞬間，電容器組進(jìn)行放電，在初級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生脈沖電流，脈沖電流在初級(jí)線(xiàn)圈中激發(fā)出強(qiáng)磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律進(jìn)而在次級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在次級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生渦流磁場(chǎng)，兩磁場(chǎng)相互作用

4、在耦合的線(xiàn)圈之間產(chǎn)生渦流斥力，渦流斥力在應(yīng)力波放大器中經(jīng)過(guò)不斷的反射和透射，將放大了的力作用在鉚釘上進(jìn)行鉚接。電磁鉚接初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的耦合電路圖如圖1-2所示。初級(jí)電路是電磁成形系統(tǒng)回路，包括儲(chǔ)能電容器，感應(yīng)線(xiàn)圈，R1是系統(tǒng)電阻；次級(jí)電路是感應(yīng)回路（渦流）R2是工件電阻，L2是回路電感；M是互感系數(shù)。C-儲(chǔ)能電容器R1-初級(jí)電路電阻L1-系統(tǒng)電感R2-次級(jí)電路電阻L2-次級(jí)電路電感圖1-2電磁鉚接雙回路模型如上圖所示，設(shè)是初級(jí)回路放電電流，是感應(yīng)回路電流。根據(jù)克希霍夫定律，兩個(gè)回路的微分方程為：（1.1）解得：（1.2）（1.3）（1.4）（1.5

5、）其中M為互感系數(shù)，，1.2電磁鉚接的基本參數(shù)電磁鉚接的基本原理是通過(guò)線(xiàn)圈放電，將電容器中儲(chǔ)存的電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在放大器的輸入端形成歷時(shí)極短、強(qiáng)度高的應(yīng)力脈沖，應(yīng)力脈沖以彈性波形式在放大器中傳播并被放大，隨后又被傳播給鉚釘，從而完成鉚釘?shù)乃苄宰冃?。單次放電電容器?chǔ)存的能量W為：（1.6）式中C為電容器電容量，U為鉚接電壓。由式(2.1)可以看出，單次放電電容器儲(chǔ)存的能量與電容器電容量、鉚接電壓成正比。由于現(xiàn)在電磁鉚接設(shè)備大都采用低電壓，為了獲得鉚釘成形所需的能量(對(duì)于常用的鉚釘，鉚接設(shè)備儲(chǔ)存能量一般為幾千焦耳)，在降低鉚接電壓的同時(shí)必然要增加電容器

6、的電容量。如采用脈沖電容器，由于其電容量小，要想獲得比較大的電容量，則勢(shì)必要增加電容器的體積，這顯然不合適。而電解電容器由于其容量高、體積小、成本低，可以滿(mǎn)足低電壓電磁鉚接設(shè)備的要求。電磁鉚接設(shè)備采用低電壓主要是為了降低放電電流頻率，消除由于電壓高引起的高放電頻率，高放電頻率會(huì)導(dǎo)致鉚接后在鉚釘鐓頭處產(chǎn)生微裂紋或剪切破壞的現(xiàn)象。因此，選擇放電電流頻率的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)就是使得鉚接時(shí)鉚釘鐓頭不產(chǎn)生微裂紋或剪切破壞。電磁鉚接放電電流頻率f為：（1.7）式中，C為電容器電容量，L為系統(tǒng)電感。從式(2.2)中可以看出，放電頻率的大小取決于系統(tǒng)電感、電容器電容量，由于

7、系統(tǒng)電感主要由放電線(xiàn)圈的電感量決定，一般不易改變，因此，要想獲得比較小的放電頻率，只有增加電容器的電容量。為了選擇合適的放電頻率，西北工業(yè)大學(xué)曹增強(qiáng)等曾對(duì)成形性較差的TB2-1鉚釘分別采用電容量為225μf、1850μf、3500μf的3種電容器組進(jìn)行鉚接試驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)電感實(shí)測(cè)為50μh時(shí)，放電電流頻率分別為1600HZ、600HZ、400HZ，通過(guò)對(duì)鉚釘鐓頭金相組織進(jìn)行觀察，當(dāng)電流頻率為1600HZ時(shí)，鉚釘鐓頭有明顯的微裂紋；電流頻率為600HZ時(shí)，鉚釘鐓頭沒(méi)有微裂紋，但是有明顯的剪切帶；電流頻率為400HZ時(shí)，鐓頭沒(méi)有微裂紋，剪切帶也不明顯。由此可見(jiàn)

8、，400HZ的電流頻率比較合適，因此，對(duì)于低壓電磁鉚接設(shè)備，所選取的放電電流頻率一般情況下不高