CN107662350B - 一种航空用新型混杂复合材料铆接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空用新型混杂复合材料铆接方法及装置，包括顶把、铆枪、铆枪冲头、上复合材料垫圈、下复合材料垫圈、金属垫圈，顶把顶部设置有容纳铆钉钉头的凹陷部，铆钉钉头置于顶把的凹陷部中，铆钉杆部穿过混杂复合材料的铆钉孔，顶把和混杂复合材料底部之间为下复合材料垫圈，下复合材料垫圈中间设置有空洞，铆钉钉头可穿过，铆钉钉头在顶把和下复合材料垫圈的保护下，铆接锤击过程中不会发生形变。本发明可以有效解决纤维金属超混杂层板的铆接工艺问题，显著提高该层板铆接结构的服役稳定性和疲劳寿命。

Description

一种航空用新型混杂复合材料铆接方法及装置
技术领域
本发明属于复合材料装配连接技术领域，特别涉及新型纤维金属超混杂层板的铆接方法及装置。
背景技术
我国的大飞机项目正处在高速发展期，而且越来越重视轻量化。大飞机使用寿命长和使用频率高的特点，易使机体蒙皮产生疲劳裂纹及冲击损伤。在此背景下，新型混杂复合材料——纤维金属超混杂层板应运而生，该新型纤维金属超混杂层板由金属和纤维增强复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成。该层板符合轻量化生产要求的同时还能提供优于传统材料的性能。由于该层板外层的金属起到了阻碍水分浸入的作用，其抗湿性能优越于传统的树脂基复合材料，使其更好的适合于高湿服役环境。同时，凭借树脂基复合材料的优异抗腐蚀性能，层板在外层金属腐蚀后，会终止于纤维层，这就使得层板的抗腐蚀性大大提高，并保持层板的基本性能，保证构件的结构安全。此外，不同的纤维铺层方向或铺层数使得层板具有可设计性，针对不同的服役环境，可实现层板结构的灵活选用。
鉴于该层板在大飞机上的应用，现代航空构件的连接中大量使用铆接，而且铆接是宽体客机机身蒙皮纵向连接最为可靠的方式。但由于该层板不同于普通金属材料，其多界面、非均质的特性导致其变形十分复杂，并存在一定的缺口敏感性，因此在铆接过程中会出现其他材料不会出现的问题，包括可能降低接头疲劳性能，有的甚至直接导致接头失效。
另一方面，疲劳破坏是飞机丧失工作能力的基本原因。结构的抗疲劳性决定着该结构的寿命，它是主要的耐久特性，因此也是主要的可靠性特性。从影响机体寿命的角度看，飞机结构上每一个连接孔都是一个潜在的疲劳源。因此，对纤维金属超混杂层板铆接连接件的疲劳寿命的研究显得尤为重要。
铆接工艺中干涉量是最为重要的参数之一，干涉铆接质量主要取决于铆接变形过程中钉杆与连接孔的干涉状态。干涉配合铆接使钉杆均匀镦粗，在整个钉孔中对孔壁的挤压力比较均匀，形成均匀的干涉配合，改善了构件的强度和密封性。在外载荷作用下，由于干涉配合在孔边缘处产生的预应力，使该处切向拉应力显著降低；而且铆钉与钉孔接触面上产生较大摩擦力，承担了一部分外载荷，钉杆对孔壁的支撑作用，改善了钉孔的受力状态；再加上钉杆均匀镦粗对孔壁挤压强化，因此推迟了初始裂纹的产生，降低了细微裂纹的扩展速度，从而显著提高了铆接处的疲劳寿命。
CN 104096792 A、CN 1712744 A、CN 103733385 A和CN 103600016 A中均只提出了金属铆接的装置和方法，均缺乏对于干涉量的考量，从而无法对层板铆接件的疲劳寿命进行控制。
基于以上研究背景，本发明提出采用专用装置和特定铆接参数对新型纤维金属超混杂层板进行铆接，以满足大型飞机中使用纤维金属超混杂层板连接装配的需求。该发明的具体意义在于设计出适用于该层板铆接的专用装置，并且优化了层板铆接参数，可显著降低该层板在铆接过程中出现缺陷的几率。在此铆接参数下，可定量控制层板铆接件的干涉量，提高铆接结构的疲劳寿命，同时显著降低商用成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述难题，提供一种航空用新型混杂复合材料铆接方法及装置。
本发明技术方案如下：
一种航空用新型混杂复合材料铆接装置，包括顶把4、铆枪11、铆枪冲头12、上复合材料垫圈8、下复合材料垫圈3、金属垫圈9，顶把4顶部设置有容纳铆钉钉头5的凹陷部，铆钉钉头5置于顶把4的凹陷部中，铆钉杆部10穿过混杂复合材料的铆钉孔，顶把4和混杂复合材料底部之间为下复合材料垫圈3，下复合材料垫圈3中间设置有空洞，可容纳铆钉钉头5，铆钉钉头5在顶把4和下复合材料垫圈3的保护下，铆接锤击过程中不会发生形变，同时复合材料制作的下复合材料垫圈3能够对混杂复合材料的底部进行缓冲和保护，避免受锤击破坏；铆钉杆部10凸出混杂复合材料上部的部分由金属垫圈9进行限位和保护，上复合材料垫圈8放置在混杂复合材料的顶部，金属垫圈9放置在上复合材料垫圈8的上部，其高度等于镦头高度H，而垫圈的内径不得小于Z。
金属垫圈可限制铆枪的位移，可根据不同镦头尺寸要求选用不同厚度的垫圈，选用其表面硬度应达到65HRC的金属，表面粗糙度Ra值不大于1.2μm，以防损伤铆枪工作面。
所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，对于底部为平面的构件采用平面四方顶把，底部为凹曲率的构件采用凸曲率顶把，底部为凸曲率的构件采用凹曲率顶把。顶把工作面应抛光，其表面硬度应达到65HRC，表面粗糙度Ra值不大于0.6μm。
所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，当构件为凹曲率，上复合材料垫圈/下复合材料垫圈为凹曲率垫圈，该凹曲率垫圈底部与金属垫圈接触的部位为平面设计。
所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，当构件为凸曲率，上复合材料垫圈/下复合材料垫圈为凸曲率垫圈，该凸曲率垫圈顶部与金属垫圈接触的部位为平面设计。
根据任一所述装置的航空用新型混杂复合材料铆接方法，包括以下步骤：
1)、对制备好的层板实施钻孔；
2)、清除两个工件贴合面之间的毛刺和碎屑，超声清洗孔中的杂质；
3)、超声清洗顶把、金属垫圈和复合材料垫圈；
4)、压紧铆接件，确定铆钉材料和尺寸，按铆接要求对准孔位放钉；
5)、在专用铆接装置上按照特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，在规定锤击功下使铆钉杆部塑性变形；铆接后，镦头呈标准的鼓形，镦头尺寸满足Z2H＝Zo 2Ho，且H应在0.45D-0.75D之间，保证此类材料的铆接结构拥有较高的疲劳寿命，其中，Z和H分别为铆接前铆钉直径的最大值和铆钉超出材料的长度，Z0和H0为铆接后铆钉的最大镦头直径和最大镦头高度；
6)、检查铆接情况，进行无损分析，工件应无裂纹、划伤和擦伤缺陷。
所述的方法，所述步骤2)和3)中均采用超声波清洗，频率100Hz，处理时间15min。
所述的方法，所述步骤4)中对于增强材料为玻璃纤维的纤维金属层板，铆钉材料优选包括铝、钛铌合金；对于增强材料为碳纤维的纤维金属层板，铆钉材料优选包括碳钢、蒙乃尔或者铜合金。铆钉表面粗糙度Ra值应不大于3.0μm。
所述的方法，所述步骤4)中采用三排铆钉结构，可有效地减少铆接过程中对结构不利的变形，铆钉之间的间距为5D，排距为5D，铆钉的边距不小于2D，其中D为孔直径。
所述的方法，对于三行铆钉结构，在铆接过程中中间行铆钉的锤击功要略大于其他两行的铆钉锤击功。
所述的方法，所述步骤5)中，首先对三行铆钉的中间行进行铆接，然后进行其他两行的铆接。
有益效果：
1.本发明可以有效解决航空用新型纤维金属超混杂层板的铆接问题，与已知的铆接方法相比效率更高，铆接质量得到改进，铆接件的疲劳寿命得到保证，显著提高该层板结构的服役稳定性，具有较高的工程应用价值。
2.本发明采用专用的铆接装置，可明显减少铆接缺陷的产生，提高铆接结构的疲劳寿命，而且同时能够降低实施铆接过程中的噪音。
3.本发明采用专用的铆接装置中可根据现场环境和材料情况选择专用顶把，确保铆钉的变形只发生在杆部，而钉头不发生变形。
4.本发明采用特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，在规定锤击功下使铆钉杆部塑性变形，施铆后镦头应呈鼓形，且镦头尺寸应满足Z2H＝Zo 2Ho，在此条件下铆钉适度膨胀得到的干涉孔可有效提高铆接件的疲劳寿命，干涉量范围在1.93％-2.53％之间。
附图说明
图1为本发明的专用装置示意图。
图2为本发明的铆钉尺寸示意图。
图3为本发明的四方顶把示意图。
图4为本发明的凸曲率顶把示意图。
图5为本发明的凹曲率顶把示意图。
图6为本发明的凹曲率垫圈示意图。
图7为本发明的凸曲率垫圈示意图。
图8为本发明方法的工艺流程图。
图1中，1-第一构件、2-第二构件、3-上复合材料垫圈、4-顶把、5-铆钉钉头、6-构件的底部、7-构件的顶部、8-下复合材料垫圈、9-金属垫圈、10-铆钉杆部、11-铆枪、12-铆枪冲头。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
航空用新型混杂复合材料铆接装置包括顶把4、铆枪11、铆枪冲头12、上复合材料垫圈8、下复合材料垫圈3、金属垫圈9，顶把4顶部设置有容纳铆钉钉头5的凹陷部，铆钉钉头5置于顶把4的凹陷部中，铆钉杆部10穿过混杂复合材料的铆钉孔，顶把4和混杂复合材料底部之间为下复合材料垫圈3，下复合材料垫圈3中间设置有空洞，可容纳铆钉钉头5，铆钉钉头5在顶把4和下复合材料垫圈3的保护下，铆接锤击过程中不会发生形变，同时复合材料制作的下复合材料垫圈3能够对混杂复合材料的底部进行缓冲和保护，避免受锤击破坏；
铆钉杆部10凸出混杂复合材料上部的部分由金属垫圈9进行限位和保护，上复合材料垫圈8放置在混杂复合材料的顶部，金属垫圈9放置在上复合材料垫圈8的上部，其高度等于镦头高度H，而垫圈的内径不得小于Z。
对于底部为平面的构件采用平面四方顶把(图3)，底部为凹曲率的构件采用凸曲率顶把4(图4)，底部为凸曲率的构件采用凹曲率顶把(图5)。
图6为本发明提供的上复合材料垫圈/下复合材料垫圈呈凹曲率的垫圈示意图，适合用于凹曲率构件，该凹曲率垫圈底部与金属垫圈9接触的部位为平面设计。
图7为本发明的上复合材料垫圈/下复合材料垫圈呈凸曲率的垫圈示意图，适合用于凸曲率构件，该凸曲率垫圈顶部与金属垫圈9接触的部位为平面设计。
实施例1
①采用数控铣切法将3/2结构的玻璃纤维增强铝合金层板的板材加工至目标尺寸，实施钻孔，采用丙酮超声清洗孔中的杂质。
②清除贴合面之间的毛刺和碎屑，采用丙酮清洗贴合面。
③铆钉直径为4.1mm，铆钉材料为铝合金，工件为板材，夹层总厚度为2.8mm，选择重量为4kg的顶把，根据铆接处的工作空间及工件形状选择图3中的顶把，超声清洗顶把、金属垫圈和复合材料工艺垫圈。
④铆接装置的活动部位应保证润滑，使其无紧涩现象。压紧铆接件，按铆接要求对准孔位放钉，在专用铆接装置上按照特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，中间行的锤击功为1焦耳(J)，另两行的锤击功为0.5J，使铆钉杆部塑性变形。
⑤检查铆接情况，进行无损分析，铆钉原直径4.1mm，超出材料的高度为5.2mm，铆接后镦头的直径为5.9mm，高度为2.5mm，且工件应无裂纹、划伤和擦伤缺陷。
采用日本岛津的EHF-UV系列电液伺服疲劳试验机，加载频率为10Hz，加载曲线为正弦波，应力比R皆取0.1。试验结果见表1。
表1 疲劳试验结果
实施例2
①采用数控铣切法将3/2结构的玻璃纤维增强铝合金层板的板材加工至目标尺寸，实施钻孔，采用丙酮超声清洗孔中的杂质。
②清除贴合面之间的毛刺和碎屑，采用丙酮清洗贴合面。
③铆钉直径为6.1mm，铆钉材料为钛合金，工件为凹曲率件，夹层总厚度为2.8mm，选择重量为5kg的顶把，根据铆接件的形状选择图4中的凸曲率顶把，可实现凸曲率的层板的铆接。超声清洗顶把、金属垫圈和复合材料工艺垫圈。
④铆接装置的活动部位应保证润滑，使其无紧涩现象。压紧铆接件，按铆接要求对准孔位放钉，在专用铆接装置上按照特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，中间行的锤击功为2.0J，另两行的锤击功为1.5J，使铆钉杆部塑性变形。
⑤检查铆接情况，进行无损分析，铆钉原直径6.1mm，超出材料的高度为7.2mm，铆接后镦头的直径为9.2mm，高度为3.2mm，且工件应无裂纹、划伤和擦伤缺陷。
实施例3
①采用数控铣切法将4/3结构的碳纤维增强钛合金层板的板材加工至目标尺寸，实施钻孔，采用丙酮超声清洗孔中的杂质。
②清除贴合面之间的毛刺和碎屑，采用丙酮清洗贴合面。
③铆钉直径为6.1mm，铆钉材料为蒙乃尔合金，工件为凹曲率件，夹层总厚度为3.9mm，选择重量为8kg的顶把，根据铆接件的形状选择图4中的凸曲率顶把，可实现凸曲率的层板的铆接。超声清洗顶把、金属垫圈和复合材料工艺垫圈。
④铆接装置的活动部位应保证润滑，使其无紧涩现象。压紧铆接件，按铆接要求对准孔位放钉，在专用铆接装置上按照特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，中间行的锤击功为2.0J，另两行的锤击功为1.5J，使铆钉杆部塑性变形。
⑤检查铆接情况，进行无损分析，铆钉原直径6.1mm，超出材料的高度为6.1mm，铆接后镦头的直径为9.0mm，高度为2.8mm，且工件应无裂纹、划伤和擦伤缺陷。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种航空用新型混杂复合材料铆接装置，其特征在于，包括顶把、铆枪、铆枪冲头、上复合材料垫圈、下复合材料垫圈、金属垫圈，顶把顶部设置有容纳铆钉钉头的凹陷部，铆钉钉头置于顶把的凹陷部中，铆钉杆部穿过混杂复合材料的铆钉孔，顶把和混杂复合材料底部之间为下复合材料垫圈，下复合材料垫圈中间设置有空洞，铆钉钉头可穿过，铆钉钉头在顶把和下复合材料垫圈的保护下，铆接锤击过程中不会发生形变，同时复合材料制作的下复合材料垫圈能够对混杂复合材料的底部进行缓冲和保护，避免受锤击破坏；铆钉杆部凸出混杂复合材料上部的部分由金属垫圈进行限位，上复合材料垫圈对混杂复合材料的顶部进行保护，其中上复合材料垫圈放置在混杂复合材料的顶部，金属垫圈放置在上复合材料垫圈的上部，金属垫圈的高度等于镦头高度H，内径不得小于Z；确保铆钉的变形只发生在杆部，而钉头不发生变形。
2.根据权利要求1所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，其特征在于，对于底部为平面的构件采用平面四方顶把，底部为凹曲率的构件采用凸曲率顶把，底部为凸曲率的构件采用凹曲率顶把。
3.根据权利要求2所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，其特征在于，当构件为凹曲率，上复合材料垫圈/下复合材料垫圈为凹曲率垫圈，该凹曲率垫圈底部与金属垫圈接触的部位为平面设计。
4.根据权利要求2所述的航空用新型混杂复合材料铆接装置，其特征在于，当构件为凸曲率，上复合材料垫圈/下复合材料垫圈为凸曲率垫圈，该凸曲率垫圈顶部与金属垫圈接触的部位为平面设计。
5.根据权利要求1-4任一所述装置的航空用新型混杂复合材料铆接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、对制备好的层板实施钻孔；
2)、清除两个工件贴合面之间的毛刺和碎屑，超声清洗孔中的杂质；
3)、超声清洗顶把、金属垫圈和复合材料垫圈；
4)、压紧铆接件，确定铆钉材料和尺寸，按铆接要求对准孔位放钉；
5)、在专用铆接装置上按照特定铆接参数实施铆接，铆枪的冲头紧贴铆钉，在规定锤击功下使铆钉杆部塑性变形；铆接后，镦头呈标准的鼓形，镦头尺寸满足Z2H＝Zo 2Ho，且H应在0.45D-0.75D之间，保证此类材料的铆接结构拥有较高的疲劳寿命，其中，Z和H分别为铆接前铆钉直径的最大值和铆钉超出材料的长度，Z0和H0为铆接后铆钉的最大镦头直径和最大镦头高度；
6)、检查铆接情况，进行无损分析，工件应无裂纹、划伤和擦伤缺陷。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤2)和3)中均采用超声波清洗，频率100Hz，处理时间15min。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中对于增强材料为玻璃纤维的纤维金属层板，铆钉材料优选包括铝、钛铌合金；对于增强材料为碳纤维的纤维金属层板，铆钉材料优选包括碳钢、蒙乃尔或者铜合金。
8.根据权利要求5所述的铆接方法，其特征在于：所述步骤4)中采用三排铆钉结构，可有效地减少铆接过程中不利的变形，铆钉之间的间距为5D，排距为5D，铆钉的边距不小于2D，其中D为孔直径。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：对于三排铆钉结构，在铆接过程中中间排铆钉的锤击功要略大于其他两排 的铆钉锤击功。
10.根据权利要求9所述的铆接方法，其特征在于：所述步骤5)中，首先对三排铆钉的中间排 进行铆接，然后进行其他两排 的铆接。
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