CN107876685A - 一种超声振动辅助铆接方法及其应用方法 - Google Patents

Abstract

一种超声振动辅助铆接方法，包括：步骤一、在至少两层材料板上分别设置同心通孔；步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的同心通孔；步骤三、将所述铆钉的钉头顶住，并利用超声振动对所述铆钉的钉杆的端部沿钉杆轴向压紧处理，使所述钉杆的端部形成镦头，即实现所述铆钉对所述材料板的铆接。本发明降低铆钉变形抗力，提高铆钉塑性变形范围，同时超声振动能够减小铆钉和模具及被连接板之间的摩擦，提高铆钉表面质量。本发明采用精压镦粗铆钉杆形成镦头，铆接质量稳定，表面质量好，能够有效防止锤铆造成的铆钉和被连接件的损伤破坏。

Description

一种超声振动辅助铆接方法及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种超声振动辅助铆接方法及其应用方法，属于航空、航天工程制造，即金属塑性变形技术和材料连接技术的交叉领域。

背景技术

整体化飞机结构难以利用现有板料成形技术进行生产制造，板料连接技术仍是大型飞机结构装配制造的关键技术。其中，铆接是利用铆钉的自身塑性变形来连接板材零件，能使飞行器外表面相对光滑，减小飞行阻力，因此广泛应用在航空航天工程制造领域，尤其在蒙皮与结构框架、桁条的连接。

随着航空航天制造技术的发展，现代飞行器追求轻量化和大型化的机身结构，大量使用钛合金、复合材料等高比强度和比刚度的新型材料。这就要求选用与机身结构力学性能相当而且与复合材料相容性好的钛合金材料的铆钉，已广泛应用在大型客机和新型战机的壁板和机翼等高载荷承载部件的连接中。其次，随着大型飞机和长射程火箭对结构承载能力的要求提高，越来越多地使用大直径(≥6mm)高强度钛合金铆钉以提高铆接件的连接强度。此外，飞机铆接件的负载能力和安全服役性能还取决于铆接技术。飞机结构连接孔处由于形状突变，易产生较大的应力集中和微裂纹，是飞机发生疲劳失稳的主要位置，约占疲劳破坏的60％-85％，严重影响飞机的安全稳定飞行。通过在铆钉杆和钉孔间产生合理的干涉配合，对孔壁形成适宜的残余压应力层，能够减小局部应力集中，提高铆接质量和接头力学性能，是提高结构疲劳寿命最有效的途径之一，被广泛应用于飞机装配中。

飞机制造领域传统的铆接工艺有锤铆和压铆。锤铆工艺通过铆枪多次锤击铆钉，铆钉的变形由镦头端逐渐向钉头端转移，钉杆膨胀不均匀，后坐力和噪声大，而且冲击波会作用于飞机被连接件上，易造成被连接件损伤破坏，严重影响飞机结构性能和安全飞行。压铆工艺利用压铆机静压力镦粗铆钉杆形成镦头，铆接质量稳定，表面质量好，但常规压铆设备难以克服大直径钛合金铆钉的变形抗力，大功率压铆机又很难深入结构开敞性不好的部位进行铆接。此外，由于钛合金材料冷成形性能差，应变率敏感，屈强比高，在冷铆过程中易出现镦头裂纹和冲击损伤。通过热铆工艺预先加热钛合金铆钉到塑性变形温度再进行铆接，虽然能改善铆钉成形性能和成形质量，但铆钉钉杆填充钉孔质量差，易导致复合材料连接件产生安装损伤、分层等缺陷，而且铆钉冷却后干涉量变小，无法获得良好的铆接质量，从而限制了热铆工艺的使用。电磁铆接技术利用电磁能转化为机械能，形成冲击距离为零的冲击载荷，促使钛合金铆钉在高应变率下发生塑性变形完成铆接。但铆钉镦头以绝热剪切方式发生塑性变形，剪切带内应变高度集中、晶粒剧烈拉长和碎化，易发生局部失稳、产生微裂纹和剪切破坏，降低甚至丧失铆钉承载能力

此时在钛合金铆钉压铆工艺中引入超声振动可以达到减小铆接力，提高铆接质量的目的。超声振动辅助铆接技术是指在传统的压铆工艺中，在铆模或者工件上施加振动方向、频率和振幅可调的超声振动。超声振动辅助铆接技术能够能够提高金属材料的塑性变形能力、扩大金属塑性成形加工范围、降低金属流动应力、减小工件与模具之间的摩擦、获得良好的材料表面质量和尺寸精度。因此，利用超声振动辅助铆接技术完成大直径钛合金铆钉的铆接变形过程，有助于钛合金铆钉的变形，实现干涉铆接，提高铆接强度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种超声振动辅助铆接方法。

本发明还提供一种上述超声振动辅助铆接的应用方法。

本发明的技术方案如下：

一种超声振动辅助铆接方法，包括以下步骤：

步骤一、在至少两层材料板上分别设置同心通孔；

步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的同心通孔；所述铆钉包括钉头和钉杆；

步骤三、将所述铆钉的钉头顶住，并利用超声振动对所述铆钉的钉杆的端部沿钉杆轴向压紧处理，使所述钉杆的端部形成镦头，即实现所述铆钉对所述材料板的铆接。

根据本发明优选的，所述步骤三中，所述超声振动是由超声振动辅助成形系统形成的，所述超声振动辅助成形系统包括依次连接设置的超声波发生器、超声波换能器和变幅杆。本发明通过调整超声振动参数，如振动频率和振幅，采用压铆的方式利用静压力镦粗钉杆的端部形成镦头，实现对所述材料板的干涉连接，在钉杆和同心通孔间形成干涉配合。

根据本发明优选的，所述变幅杆通过铆模与所述钉杆的端部接触。

根据本发明优选的，利用顶铁将所述钉头顶住。如附图5所示，将顶铁置于所述钉头一侧并相互接触，将铆模与铆钉钉杆的端部接触，并保证顶铁、铆模、所述超声振动系统处于同一直线上。

根据本发明优选的，设置在不同层材料板上所述同心通孔的直径相同。

一种上述超声振动辅助铆接的应用方法，所述超声振动辅助铆接方法应用于：

金属材料板之间的铆接；

或，复合材料板之间的铆接；

或，金属材料板与复合材料板之间的铆接。

所述金属材料板的材质为钢、铝合金、镁合金、铜合金和钛合金等；所述复合材料板的材质为玻璃纤维或碳纤维增强的复合材料、碳纤维复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及功能梯度材料等。

一种上述超声振动辅助铆接的应用方法，所述超声振动辅助铆接采用铆钉的钉头为沉头状、半圆头状或平锥头形状；

所述铆钉的材质为常温难变形材料，优选的，所述铆钉的材质为铝合金、钛合金或高温合金。

根据本发明优选的，当所述铆钉的材质为铝合金时，所述铆接直径大于等于5mm；当所述铆钉的材质为钛合金或高温合金时，所述铆接直径大于等于3mm。

根据本发明优选的，所述金属材料板的材质为钛合金，所选用铆钉的材质为钛合金。此处设计的优点在于，选用钛合金铆钉，可保证钛合金板材组合结构、复合材料组合结构以及钛合金板与复合材料组合结构的连接强度，防止铆钉先于被连接板材发生破坏，还能提高与复合材料之间的相容性。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明将超声振动塑性加工工艺与传统压铆工艺相结合，提出了超声振动辅助压铆工艺，综合利用了超声振动和压铆的优点：

超声振动塑性加工工艺，可降低铆钉变形抗力，提高铆钉塑性变形范围，从而有效降低铆接力和工艺难度，解决了传统压铆工艺难以进行高强度、应变速率敏感材料铆钉铆接的问题，同时超声振动能够减小铆钉和模具及被连接板之间的摩擦，提高铆钉表面质量，进一步提高铆接强度。

压铆工艺采用精压镦粗铆钉杆形成镦头，铆接质量稳定，表面质量好，能够有效防止锤铆造成的铆钉和被连接件的损伤破坏，尤其是复合材料板的内部不可见损伤，如纤维断裂、基体开裂和分层。

2、本发明可进行金属材料板材组合结构、或复合材料板组合结构、或金属材料板材与复合材料板组合结构的超声振动铆接。金属可以为钢、铝合金、镁合金、铜合金和钛合金等，复合材料为玻璃纤维或碳纤维增强的复合材料、碳纤维复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及功能梯度材料等。组合结构为两层或多层以上的叠层结构。

3、本发明可进行强度高、直径大的铆钉对高强度板材的铆接。铆钉钉头为沉头、半圆头和平锥头形状。铆钉材料为铝合金、钛合金和高温合金等难变形材料。可铆接直径大于等于5mm的铝合金铆钉、直径大于等于3mm的钛合金或高温合金等难变形材料铆钉。

4、选用高强度钛合金铆钉，可保证钛合金板材组合结构、复合材料组合结构以及钛合金板与复合材料组合结构的连接强度，防止铆钉先于被连接板材发生破坏，还能提高与复合材料之间的相容性。

附图说明

图1是本发明的超声振动辅助铆接变形系统的示意图；

图2是本发明的超声振动辅助铆接两层金属-复合材料组合结构及所用的平锥头铆钉形状和位置；

图3是本发明的超声振动辅助铆接两层金属-复合材料组合结构及所用的沉头铆钉形状和位置；

图4是本发明的超声振动辅助铆接多层金属-复合材料组合结构及所用的平锥头铆钉形状和位置；

图5是本发明中超声振动辅助铆接结束后形成的铆钉形状及铆模、顶铁位置

图1-5中：1、铆钉；2、金属材料板；3、复合材料板；4、铆模；5、镦头；6、钉杆；7、钉头；8、顶铁；9、待铆接的多层板材。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

如图1-5所示。

实施例1、

一种超声振动辅助铆接方法，包括以下步骤：

步骤一、在至少两层材料板上分别设置同心通孔；

步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的同心通孔；所述铆钉包括钉头和钉杆；

步骤三、将所述铆钉的钉头顶住，并利用超声振动对所述铆钉的钉杆的端部沿钉杆轴向压紧处理，使所述钉杆的端部形成镦头，即实现所述铆钉对所述材料板的铆接。

所述步骤三中，所述超声振动是由超声振动辅助成形系统形成的，所述超声振动辅助成形系统包括依次连接设置的超声波发生器、超声波换能器和变幅杆。本发明通过调整超声振动参数，如振动频率和振幅，采用压铆的方式利用静压力镦粗钉杆的端部形成镦头，实现对所述材料板的干涉连接，在钉杆和同心通孔间形成干涉配合。

具体加工步骤如下：

1)在金属材料板2和复合材料板3上钻同心通孔，将两层材料板叠在一起并保持其圆心处在同一条竖直线上。金属材料板2材质可以为钢、铝合金、镁合金、铜合金和钛合金等，复合材料板3材质为玻璃纤维或碳纤维增强的复合材料、碳纤维复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及功能梯度材料等；

2)如附图2所示，将平锥头的铆钉1穿过所述的金属材料板和复合材料板上的同心通孔；

3)加工一组超声振动辅助成形系统并与铆模相连，超声振动系统的组成如附图1所示，包括顺序相连的超声波发生器、超声换能器和超声变幅杆；所述超声波发生器将交流电转换成10kHz～40kHz高频超声信号。超声换能器将超声频电振荡信号转化为高频机械振动，超声变幅杆与换能器直接相连，将机械振动的质点位移或速度放大，将超声能量集中在较小的面积上，变幅杆与铆模相连并提供谐振超声波。超声波换能器和变幅杆通过定位支架安装在试验机上固定横梁上，所述超声振动辅助成形系统处于整体谐振状态，振幅为3μm～30μm；

4)如附图5所示，将顶铁8一端置于试验机活动横梁上，另一端与所述铆钉钉头7接触，顶铁与铆钉接触端设有凹槽与铆钉钉头形状相匹配。将铆模4与钉杆的端部接触，并保证顶铁、铆模、超声振动系统处于压力机的运动主轴上；其中，所述压力机包括固定横梁和活动横梁，所述超声振动系统是安装在压力机的固定横梁上；顶铁安装在活动横梁上，超声振动系统放在固定横梁上，工作时，所述超声振动系统和铆模产生振动，铆模和钉杆的端部接触，活动横梁带动顶铁、铆钉和被连接的多层板运动；

5)调整超声振动频率和振幅、活动横梁运行速度和最大位移，启动横梁运动和超声振动系统，采用压铆的方式形成铆钉镦头，实现步骤一所述的板材的干涉连接。

实施例2、

如实施例1所述的一种超声振动辅助铆接方法，其区别在于，所述变幅杆通过铆模与所述钉杆的端部接触。

利用顶铁将所述钉头顶住。如附图5所示，将顶铁置于所述钉头一侧并相互接触，将铆模与铆钉钉杆的端部接触，并保证顶铁、铆模、所述超声振动系统处于同一直线上。

实施例3、

如实施例1所述的一种超声振动辅助铆接方法，其区别在于，设置在不同层材料板上所述同心通孔的直径相同。

实施例4、

一种如实施例1-3所述超声振动辅助铆接的应用方法，所述超声振动辅助铆接方法应用于：

金属材料板之间的铆接。

实施例5、

一种如实施例4所述超声振动辅助铆接的应用方法，其区别在于，所述超声振动辅助铆接方法应用于：

复合材料板之间的铆接。

实施例6、

一种如实施例4所述超声振动辅助铆接的应用方法，其区别在于，所述超声振动辅助铆接方法应用于：金属材料板与复合材料板之间的铆接。

实施例7、

一种如实施例4所述超声振动辅助铆接的应用方法，其区别在于，所述超声振动辅助铆接采用铆钉的钉头为沉头状、半圆头状或平锥头形状；

所述铆钉的材质为常温难变形材料，优选的，所述铆钉的材质为铝合金、钛合金或高温合金。

当所述铆钉的材质为铝合金时，所述铆接直径大于等于5mm，优选的，所述铆接直径为6mm～10mm；当所述铆钉的材质为钛合金或高温合金时，所述铆接直径大于等于3mm，优选的，所述铆接直径为4mm～10mm。

当所述铆钉1为沉头铆钉时，此时需要在铆钉沉头处的金属材料板或复合材料板上预先加工出锪窝，使变形后的铆钉沉头完全处于锪窝内。

实施例8、

一种如实施例7所述超声振动辅助铆接的应用方法，其区别在于，所述金属材料板的材质为钛合金，所选用铆钉的材质为钛合金。此处设计的优点在于，选用钛合金铆钉，可保证钛合金板材组合结构、复合材料组合结构以及钛合金板与复合材料组合结构的连接强度，防止铆钉先于被连接板材发生破坏，还能提高与复合材料之间的相容性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种超声振动辅助铆接方法，其特征在于，所述铆接方法包括以下步骤：

步骤一、在至少两层材料板上分别设置同心通孔；

步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的同心通孔；

步骤三、将所述铆钉的钉头顶住，并利用超声振动对所述铆钉的钉杆的端部沿钉杆轴向压紧处理，使所述钉杆的端部形成镦头，即实现所述铆钉对所述材料板的铆接。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助铆接方法，其特征在于，所述步骤三中，所述超声振动是由超声振动辅助成形系统形成的，所述超声振动辅助成形系统包括依次连接设置的超声波发生器、超声波换能器和变幅杆。

3.根据权利要求2所述的一种超声振动辅助铆接方法，其特征在于，所述变幅杆通过铆模与所述铆钉的钉杆的端部接触。

4.根据权利要求3所述的一种超声振动辅助铆接方法，其特征在于，利用顶铁将所述铆钉的钉头顶住。

5.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助铆接方法，其特征在于，设置在不同层材料板上所述同心通孔的直径相同。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述超声振动辅助铆接的应用方法，其特征在于，所述超声振动辅助铆接方法应用于：

金属材料板之间的铆接；

或，复合材料板之间的铆接；

或，金属材料板与复合材料板之间的铆接。

7.一种如权利要求6所述超声振动辅助铆接的应用方法，其特征在于，所述超声振动辅助铆接采用铆钉的钉头为沉头状、半圆头状或平锥头形状；

所述铆钉的材质为常温难变形材料，优选的，所述铆钉的材质为铝合金、钛合金或高温合金。

8.一种如权利要求6所述超声振动辅助铆接的应用方法，其特征在于，当所述铆钉的材质为铝合金时，所述铆接直径大于等于5mm；当所述铆钉的材质为钛合金或高温合金时，所述铆接直径大于等于3mm。

9.一种如权利要求8所述超声振动辅助铆接的应用方法，其特征在于，所述金属材料板的材质为钛合金，所选用铆钉的材质为钛合金。