楊寶惠,曹增強,左楊杰

(1.西北工業(yè)大學 機電學院，西安 710072； 2.四川大學 空天科學與工程學院，成都 610065)

鈦合金因其比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點而被廣泛應用于新一代飛機[1-2]。鉚接是飛機鈦合金構(gòu)件最主要的連接方式之一，但鈦合金屬于典型的難成形材料[3]，冷鉚十分困難。實踐和研究表明，電磁鉚接是實現(xiàn)飛機鈦合金鉚釘鉚接的有效手段[4-5]。

電磁鉚接利用高加載速率、一次成形的特點，通過絕熱剪切變形的形式實現(xiàn)鈦合金鉚釘鉚接成形[6-7]，且在欠阻尼狀態(tài)下鉚接效果最好[8]。Deng等人[7]發(fā)現(xiàn)電磁鉚接電壓越高，鐓頭絕熱剪切帶越明顯。Zhang等人[9]進一步通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)鈦合金鉚釘鉚接成形過程中溫度可高達426 ℃，且鉚釘與層板形成了較高的干涉量。此外，有效的干涉量可以顯著提高機械連接構(gòu)件疲勞壽命[10-12]，電磁鉚接干涉量較普通鉚接更均勻[13]，甚至可實現(xiàn)復合材料無損鉚接[14]，電磁鉚接構(gòu)件疲勞壽命更高[15]。然而，生產(chǎn)實踐中，難免會對已鉚接部位進行鉚釘拆卸(如維修)，但拆卸后的部位鉚接孔徑明顯變大，導致再次鉚接時傳統(tǒng)鉚接方法全都無法形成有效干涉甚至無法鉚接。電磁鉚接能否實現(xiàn)此類大間隙量鈦合金鉚釘鉚接并形成有效干涉量尚不清楚[16]，不利于我國飛機鈦合金構(gòu)件的有效應用。

因此，本文針對飛機維修中大間隙量鈦合金鉚釘鉚接問題，通過試驗，研究鈦合金鉚釘?shù)碾姶陪T接極限間隙量，并評估不同間隙下的鉚接構(gòu)件拉剪性能，為我國飛機鈦合金鉚接構(gòu)件維修提供指導。

1 試驗設計

電磁鉚接基本鉚接原理如圖1所示：通過電容對初級線圈放電，初級線圈在次級線圈上感生渦流，初級和次級線圈的磁場相互作用激發(fā)脈沖電磁力，脈沖電磁力進而作用于鉚釘實現(xiàn)鉚釘鐓頭成形。電磁鉚接通過高應變率一次成形的方式實現(xiàn)鈦合金鉚釘?shù)你T接。

圖1 鈦合金構(gòu)件電磁鉚接原理

1.1 鉚接試驗

鉚接試件如圖2(a)所示：試件為長200 mm，寬30 mm的雙層板，根據(jù)我國某機型的實際維修情況，層板厚度分別為2 mm和1.5 mm，層板材料均為TC4；根據(jù)工程實際，鉚釘選擇直徑為4 mm的TB2鈦合金鉚釘，外伸量h=4.5 mm[7]，其20 ℃時的力學性能曲線如圖3所示[7]；每個試件上10個孔，為了避免邊距效應，孔間間距為4倍的鉚釘直徑即16 mm；為了研究不同間隙下的鉚接質(zhì)量，分別選擇4.1、4.2、4.3和4.5 mm 4種釘孔直徑，同時，為了避免偶然誤差，每組釘孔進行4次鉚接試驗。鉚接實驗所選的模具具體尺寸如圖2(b)[17]所示。

圖2 鉚接試件及電磁鉚接設備(單位:mm)

圖3 TB2合金應力-應變曲線[7]

電磁鉚接實驗設備如圖4所示，利用西北工業(yè)大學生產(chǎn)的EMR1000半自動電磁鉚接設備進行鉚接，鉚接過程中試件兩端用螺栓固定在鉚接型架上，鉚接電壓700 V。鉚槍線圈具體信息如表1所示。鉚釘成形主要在脈沖電流的第一個半波內(nèi)完成：

表1 線圈具體參數(shù)

圖4 EMR1000半自動化電磁鉚接設備

(1)

T0為放電電流周期，與回路電感L和電容C相關：

(2)

1.2 拉剪試驗

為了進一步評估不同間隙量下電磁鉚接的鉚接效果，設計了相應的鈦合金鉚接構(gòu)件拉剪試驗。拉剪試驗選擇與鉚接試驗完全相同的鉚釘和層板，其中：拉脫試驗采用單釘單拉脫試件，試件幾何參數(shù)詳見圖5(a)；剪切試驗采用單釘單搭接試件，試件幾何參數(shù)詳見圖5(b)[18-19]。

圖5 拉剪試件幾何參數(shù)(單位：mm)

拉剪試驗均在長春材料試驗機研究所生產(chǎn)的CSS-44100材料試驗機上進行，如圖6所示。試驗過程中，采用摩擦夾緊型夾具。夾持試樣的夾具為自準直夾頭，此夾頭能使載荷中心沿試樣貼合面通過鉚釘中心線，偏差不大于0.125 mm。

圖6 鈦合金鉚接構(gòu)件拉剪性能測試實物圖

2 結(jié)果討論

2.1 成形分析

2.1.1 鐓頭成形尺寸

圖7為釘孔直徑與鐓頭直徑及高度的關系。

圖7 釘孔直徑對鈦合金鉚釘鐓頭直徑及高度的影響

從圖7(a)可以看出，隨著釘孔直徑的增加，鐓頭直徑減小；從圖7(b)可以看出，隨著釘孔直徑的增加，鐓頭高度降低，這個結(jié)果與預期一致。鉚接的過程是在外力作用下，使鉚釘產(chǎn)生塑性變形的過程。在鉚接過程中鉚釘釘桿會鐓粗并填滿釘孔，而釘孔外剩余的材料會在鉚模的約束下形成釘頭。在這個過程中，鉚釘?shù)捏w積是恒定的，而隨著釘孔的擴大，填滿釘孔的材料會增多，剩余的材料會相應減少，因此其形成的鐓頭的直徑和高度也會隨之相應的減小。

2.1.2 鐓頭絕熱剪切

圖8為鉚接后對試件進行切割拋光處理之后的釘頭剖面及鐓頭絕熱剪切帶分布圖。從圖中可以看出，鉚接后的試件，釘桿膨脹均勻，這有利于釘桿完全填充釘孔，使釘桿與釘孔產(chǎn)生良好的干涉。鐓頭底部和釘頭的底部都與鉚接材料的表面結(jié)合緊密。鉚接試件釘孔拐角處也能與鉚釘有效結(jié)合。

圖8 鈦合金鉚釘鐓頭絕熱剪切帶分布

在其剖面圖上還可以很清晰的觀察到絕熱剪切帶。絕熱剪切帶是鉚釘在高應變速率下釘桿材料為了適應大變形而在釘桿的內(nèi)部產(chǎn)生了材料之間的滑移。絕熱剪切帶基本上都是介于鐓頭頂部與底部之間，形成兩個對角線交叉的形狀。在金相組織圖片中可以明顯的觀察到，在絕熱剪切帶上，有材料流動的痕跡，這是材料在滑移過程中產(chǎn)生的，而在絕熱剪切帶之外，材料組織沒有變化。這表明，在鐓頭的形成過程中，材料的變形主要是集中在絕熱剪切帶區(qū)域。

2.1.3 釘桿干涉量

鉚接試驗完成后，對試件進行干涉量測量。其相對干涉量公式:

(3)

式中d和D分別為成形后鉚釘直徑和成形前夾層孔徑。

為了較全面反映干涉量的情況，選擇3個測量點位，分別是距離鐓頭孔口0.5 mm處、距離釘頭孔口0.5 mm和鉚釘連接段的中間位置，測試結(jié)果如圖9所示。3個位置測量結(jié)果表現(xiàn)出一致的特征，即干涉量隨著釘孔直徑的增加而降低，如圖9(a)和(b)所示。

圖9 釘孔直徑對鈦合金鉚釘鉚接干涉量的影響

其中，當釘孔直徑達到4.5 mm時，其測量點二和測量點三均出現(xiàn)了負數(shù)，這說明當釘孔直徑達到4.5 mm時，釘孔與釘桿并不能形成有效的干涉。干涉量的下降對于鉚釘?shù)钠趬勖兄焕挠绊?，因此，對? mm的鈦合金鉚釘，釘孔的直徑應控制在4.5 mm以內(nèi)。

2.2 拉剪性能分析

2.2.1 拉脫性能

圖10為鈦合金鉚接構(gòu)件的拉脫性能。圖10(a)為典型的拉脫實驗曲線，由于試件的抗彎強度不夠，所以所有試件的拉脫實驗結(jié)果都發(fā)生了彎曲變形，鉚接在一起的兩個板并沒有完全分開。根據(jù)實驗結(jié)果，我們得到了不同釘孔直徑下的拉脫力峰值，如圖10(b)。從圖中可以看出，拉脫力峰值相差不大，且沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。

圖10 鈦合金鉚接構(gòu)件拉脫性能

2.2.2 剪切性能

圖11為鈦合金鉚接構(gòu)件剪切性能。

圖11 鈦合金鉚接構(gòu)件剪切性能

從圖11(a)可以看出，不同孔徑的剪切實驗曲線均表現(xiàn)出相似的輪廓特征。首先在彈性變形階段，曲線的上升斜率基本相似。隨著剪切力的增加，試件發(fā)生屈服進入塑性變形階段。隨著剪切力的繼續(xù)增加，達到了試件的最大屈服強度。隨后剪切力明顯降低，試件已經(jīng)失效。鈦合金鉚接構(gòu)件的屈服強度和剪切強度與釘孔直徑的關系如圖11(b)所示，從圖中可以看出，試件的屈服強度和剪切強度均隨著釘孔直徑的增加而增加。所以從提高剪切強度的角度考慮，釘孔直徑的增加有利于提高抗剪切能力。

3 結(jié) 論

1) 實驗表明電磁鉚接通過絕熱剪切的形式可以對鈦合金鉚釘實現(xiàn)大的塑性變形，能夠順利形成鐓頭。電磁鉚接也可以有效實現(xiàn)大釘孔間隙下TC4鈦合金構(gòu)件鉚接，釘孔間隙量≤0.3 mm時均能形成明顯的干涉配合。

2) 隨著釘孔間隙的增加，電磁鉚接過程中更多釘桿材料進入釘孔內(nèi)，鐓頭直徑和高度均發(fā)生明顯的減少。

3) 電磁鉚接干涉量隨釘孔間隙增加而顯著降低，但釘桿膨脹后直徑呈現(xiàn)出線性增加。

4) 本試驗條件下，鉚接構(gòu)件拉脫失效模式均為試件彎曲，拉脫性能對釘孔間隙量不敏感;剪切失效模式均為剪切失效，剪切屈服強度和剪切最大強度均隨釘孔干涉量的增加而增加。