陳 昊，余秋華，聶橋橋，張方霞

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，尤其是航空領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來越多的輕型材料被廣泛使用，對鉚接結(jié)構(gòu)和鉚接工藝的要求隨之不斷提高，各種新工藝、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使鉚接這種傳統(tǒng)連接方法煥發(fā)出新的活力，技術(shù)含量大大提高。

旋鉚（旋壓鉚接的簡稱）源于擺碾成形技術(shù)，由于增加了擺桿的旋轉(zhuǎn)運動，其成形原理相對傳統(tǒng)的壓鉚技術(shù)有了較大的變化。相較于傳統(tǒng)直壓鉚接，擺碾鉚接技術(shù)鉚接力較小、鉚接過程中鉚接材料變形均勻[1]。旋鉚過程可使鉚釘在成形時所需的變形力降低，鉚桿與鉚釘接觸瞬間的沖擊力減小，鉚接質(zhì)量優(yōu)于壓鉚，且加工噪聲較小，旋鉚設(shè)備的數(shù)控化還可實現(xiàn)制造過程的連續(xù)性并確保工件質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1 壁板裝配中的旋鉚工藝分析

某型整體壁板組件由上、下2 件壁板鉚合而成，如圖1 所示，壁板為預(yù)拉伸板鋁板機械加工制造，通過使用90°沉頭的鉚釘將2 件壁板鉚合，根據(jù)產(chǎn)品在空中受力情況，選用了Φ8 直徑的鉚釘，該直徑規(guī)格的鉚釘在鉚釘鐓制過程中，徑向膨脹難度大，根據(jù)此情況，選用旋鉚工藝成形鉚釘，同時為減少鉚釘成形后在使用過程中出現(xiàn)裂紋風(fēng)險，壁板上的鉚釘孔采用“鉆-擴-鉸”的流程進(jìn)行加工，最終將鉚釘孔加工至Φ8H8。鉚釘鐓頭通過旋鉚成形，之后使用銑釘槍將壁板表面鉚釘殘余凸起部分去除。

圖1 整體壁板構(gòu)造

旋鉚鉚接的典型工藝過程如圖2 所示，鉚桿軸線與鉚釘軸線形成的夾角為銳角，鉚桿在繞鉚釘軸線做連續(xù)回轉(zhuǎn)運動的同時做下壓運動，頂模保持不動，鉚釘在鉚桿連續(xù)的旋轉(zhuǎn)和下壓力下逐漸變形，使鉚釘最終填滿沉頭窩。旋鉚鉚接時，鉚桿做圓周運動，鉚頭在與鉚釘軸線垂直的平面上的運動軌跡為以鉚釘軸線為中心的圓。

圖2 旋鉚典型工藝示意圖

由于旋鉚變形過程較為復(fù)雜，為減少樣件試驗周期和成本，更為深刻地揭示旋鉚過程中材料的變形規(guī)律，擬借助有限元數(shù)值模擬分析法分析旋鉚成形過程中金屬變形成形規(guī)律，并借助分析結(jié)果指導(dǎo)實際生產(chǎn)，控制生產(chǎn)成本[2]，提升生產(chǎn)效率。

圖3 所示為沉頭鉚釘旋鉚成形數(shù)值模擬的分析模型，包括：鉚釘、鉚桿與頂模、上壁板與下壁板等。其中，鉚桿、頂模設(shè)置為剛性體，同時忽略上、下壁板的極小變形而將其也設(shè)置為剛塑性體；鉚釘則設(shè)置為塑性體，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對鉚釘接觸鉚桿部分的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分。旋鉚成形中鉚桿的運動軌跡為垂直向下的進(jìn)給，同時鉚桿偏轉(zhuǎn)一定角度繞鉚釘軸心旋轉(zhuǎn)，其余各部件固定不動。

圖3 旋鉚成形有限元模型

圖4 所示為旋鉚過程的總能量-行程變化曲線，分析可見鉚釘壓力變化曲線直接反映了施鉚設(shè)備所需的動力。旋鉚成形變形力主要來源于鉚桿與鉚釘?shù)慕佑|區(qū)域，而旋鉚成形的接觸區(qū)由于擺角的原因，實際上是一個扇形區(qū)，隨著半徑的增加，接觸面積增大。旋鉚成形擺桿與鉚釘?shù)慕佑|是周期下壓漸近成形的，因此變形過程中各點的應(yīng)力變化會出現(xiàn)波動，且外緣材料由于缺乏約束，波動明顯，這種應(yīng)力波動會向中心傳播。雖然旋鉚過程會出現(xiàn)不穩(wěn)定的變形現(xiàn)象，但最終在擺桿與板壁沉孔的約束下，仍然會得到最終的成形結(jié)果。

圖4 旋鉚法和壓鉚法鉚釘總能量對比

圖5 所示為成形過程不同階段的等效應(yīng)力分布云圖，云圖可顯示材料的流動情況。鉚釘材料的流動初期以從中心向周邊且以橫向流動為主，然后逐漸演變?yōu)闄M向與縱向綜合流動，并最終填滿板壁錐孔直至最終成形，在此過程中，材料隨著鉚桿的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的符合運動逐步填滿，這是旋鉚工藝與壓鉚工藝的區(qū)別。旋鉚成形僅將待成形鉚釘區(qū)與旋鉚機的鉚桿接觸區(qū)域進(jìn)行了塑性成形，對鉚釘非接觸的軸線方向未發(fā)生塑性成形，適用于鉚釘與壁板為銷釘配合的狀態(tài)。因此，旋鉚法與壓鉚法的鉚釘成形過程是不同的。

圖5 鉚釘旋鉚成形各階段應(yīng)力分布云圖

2 旋鉚設(shè)備優(yōu)化應(yīng)用

傳統(tǒng)的旋鉚設(shè)備為旋鉚機，如圖6 所示，旋鉚時由人工手扶壁板，將待成形鉚釘對準(zhǔn)旋鉚頭，單點旋鉚。控制過程由人工根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗控制，因而質(zhì)量不穩(wěn)定，且容易壓傷壁板，耗時耗力，加工效率低。

圖6 常規(guī)氣動旋鉚機

為提高生產(chǎn)效率，根據(jù)壁板組件的外形、結(jié)構(gòu)及加工工藝方法，采用龍門式數(shù)控旋鉚機進(jìn)行壁板上鉚釘?shù)男T成形[3]。新設(shè)備如圖7 所示，相較于此前的C型結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)可提供更大的空間用于裝夾待加工壁板，根據(jù)旋鉚工藝特點，使用對頂?shù)膬蓚€運動主軸：Z 軸和W 軸分別作為旋鉚時的旋鉚頭和頂桿，移動工作臺在水平面可進(jìn)行水平方向和垂直方向的運動，分別作為運動系統(tǒng)中X 軸和Y 軸進(jìn)行控制。新設(shè)備采用數(shù)控機床的成熟控制技術(shù)，各運動軸的控制由數(shù)控伺服系統(tǒng)來完成，主軸旋鉚頭、頂桿。移動工作臺使用零點定位實現(xiàn)夾具的快速更換，且夾具二次裝夾保持原定位精度。移動工作臺上的隨形工裝采用工藝接頭定位并結(jié)合壁板外形輔助支撐，隨形工裝外框完全包絡(luò)壁板，輔助支撐部位有通槽避開鉚釘位置。新設(shè)備龍門的旋鉚主軸上安裝視覺檢測裝置，用以檢測鉚釘是否安裝到位，同時通過視覺檢測裝置進(jìn)一步校準(zhǔn)移動工作臺的位置，使鉚釘中心始終與旋鉚主軸同心，對預(yù)裝配壁板組件的制孔以及其在隨形工裝的安裝所產(chǎn)生的位置誤差進(jìn)行補償。自動旋鉚設(shè)備的數(shù)控化可實現(xiàn)壁板在移動工作臺上的一次裝夾，所有鉚釘一次逐一旋鉚成形，使壁板鉚接加工時人工作業(yè)內(nèi)容僅為壁板的上架和鉚釘?shù)姆胖?，其余工作均由設(shè)備自動完成。加工工藝流程見圖8。

圖7 數(shù)控旋鉚設(shè)備

圖8 裝配加工工藝流程

人工將壁板使用工藝接頭預(yù)裝初定位，按照“鉆-擴-鉸”工藝方法將壁板已加工出的初孔配鉆加工到位并在單面锪窩，按照要求放置指定長度的鉚釘，將壁板和主接頭預(yù)裝配的組件在隨形工裝上進(jìn)行裝夾，將壁板連通隨形工裝一同上數(shù)控旋鉚設(shè)備的移動工裝臺裝夾，按照預(yù)先編好的程序控制移動工作臺、旋鉚頭、頂桿自動完成壁板上所有鉚釘?shù)某尚?。該設(shè)備程序中的鉚釘孔位可通過數(shù)模提取孔特征的坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換，將數(shù)?？椎木_位置轉(zhuǎn)換到設(shè)備坐標(biāo)系中，設(shè)備讀取坐標(biāo)系內(nèi)孔位坐標(biāo)與預(yù)設(shè)設(shè)備各部件運動軌跡，控制X 軸、Y 軸、Z 軸、W 軸運動。通過視覺檢測裝置校準(zhǔn)，在每個鉚釘成形前均將鉚釘中心位置反饋給移動工作臺位置進(jìn)行位置補償，實現(xiàn)壁板上鉚釘?shù)木_自動連續(xù)成形。待所有鉚釘成形后，通過人工將隨形工裝吊下設(shè)備，拆下裝配件成品，在架外對鉚釘殘料進(jìn)行銑平。由于使用新設(shè)備，鉚釘成形效率大幅提升，為保證生產(chǎn)節(jié)拍，使用多個隨形工裝輪換，以協(xié)調(diào)匹配設(shè)備的生產(chǎn)速率和人工生產(chǎn)的速率。

3 結(jié)語

通過對鉚釘旋鉚成形的數(shù)值模擬仿真分析，借助有限元仿真分析，可更好地揭示變形規(guī)律，大大降低設(shè)備開工前所做的大量實物驗證，并減少了驗證時間，更快捷地指導(dǎo)工藝，從而提高實際生產(chǎn)效率。

相比傳統(tǒng)的旋鉚機，運用上述通過數(shù)控方式實現(xiàn)旋鉚自動鉚接的設(shè)備可實現(xiàn)在壁板一次裝夾后自動完成旋鉚成形，相對傳統(tǒng)設(shè)備有明顯優(yōu)勢，但目前該設(shè)備仍存在進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間：例如壁板預(yù)裝后的上下架、鉚釘?shù)募芟路胖靡约昂罄m(xù)鉚釘凸起的余料的銑平工作仍然是由人工完成的。后續(xù)可通過增加鉚釘自動送料裝置，并由機器手臂實現(xiàn)壁板的上下架、旋鉚主軸模塊化，增加動力頭模塊，增加銑刀庫等功能模塊進(jìn)行替換和裝夾等進(jìn)一步實現(xiàn)設(shè)備智能化。

從技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用角度分析，集多功能于一體的數(shù)字控制自動旋鉚設(shè)備取代單一功能的旋鉚機成為智能制造的趨勢。通過應(yīng)用數(shù)字化自動控制設(shè)備進(jìn)行旋鉚加工，可顯著提高壁板鉚接裝配效率和鉚釘成形質(zhì)量，同時大幅降低人工勞動強度。本文對某型壁板裝配時鉚釘?shù)男T加工過程進(jìn)行工藝模擬仿真，并將虛擬制造與實際制造過程相結(jié)合，是對智能制造的一次探索和實踐。