CN109967683A - 一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，包括将电极绝缘模块安装在自动压铆机的上、下冲头处；再将待连接板夹在自动压铆机上，并在其中放置钛钉；之后插入已连接脉冲电源的下电极片和上电极片，开启脉冲电源，对钛钉施加脉冲电流；关闭脉冲电源，撤去上、下电极片，对钛钉施铆，完成待连接板的铆接；最后分别上移和下移上、下铆接基座，松开连接板装夹夹具，取出钛合金铆接件。并且提供了上述方法采用的装置，包括自动压铆机、电极片、电极绝缘模块和固定预压紧结构，电极片与脉冲电源相接，上述技术方案中提供的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置，有效解决了背景技术中存在的铆接力过大、钛钉易破裂和变形不均匀问题。

Description

一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置

技术领域

本发明涉及飞机装配技术领域，具体涉及一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置。

背景技术

随着航空工业不断壮大和发展，飞机逐步扩大应用整体结构、钛合金结构和复合材料结构，对铆接连接件的品种、质量等要求大大提高，为了满足铆接件的一些特殊要求，国内外研制了一些特种铆钉，如环槽铆钉、抽芯铆钉、螺纹空心铆钉、高抗剪铆钉、钛钉等铆接工艺设备。其中钛钉铆接因为能有效抑制连接结构的电位腐蚀问题来提高服役寿命而备受关注，钛合金逐渐成为先进飞机紧固件的首要选择。但是随着紧固件材料性能的提升，对成型和装配提出了更高需求，传统的钛钉铆接工艺存在着铆接力过大、钛钉破裂、钛钉变形不均匀等显著问题而限制了钛钉铆接连接方法在航空工业中的应用。

因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置，能有效解决背景技术中存在的铆接力过大、钛钉易破裂和变形不均匀问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，包括以下步骤：

S1.将电极绝缘模块安装在自动压铆机的上、下铆接基座的冲头处；

S2.将带装配预制孔的待连接板夹在自动压铆机上，并在装配预制孔中放置钛钉；

S3.插入已连接脉冲电源负极的下电极片，使上绝缘板下压至距离待连接板7～10mm处，再插入已连接脉冲电源正极的上电极片，下压上冲头使上电极片和钛钉上端接触；

S4.开启脉冲电源，对钛钉施加脉冲电流，施加时间为1～60s；

S5.关闭脉冲电源，撤去上、下电极片，对脉冲电流处理后的钛钉施铆，完成待连接板的铆接；

S6.分别上移和下移上、下铆接基座，松开待连接板装夹夹具，取出钛合金铆接件。

其中，脉冲电流功率为10～60KW，电压幅值为0～30V，脉冲频率为1～1000Hz，脉冲周期为20～4000μs。

上述的钛钉与装配预制孔孔径差在0.1mm内；待连接板为单层板或多层板，且待连接板为绝缘的复合材料板。

并且提供一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形装置，包括自动压铆机，所述自动压铆机包括上冲头、下冲头，所述上冲头和下冲头分别设置在铆接基座上，还包括电极片、电极绝缘模块和固定预压紧结构，所述电极片与脉冲电源发生装置相接、且电极片包括上电极片和下电极片，所述电极绝缘模块包括上绝缘板和下绝缘板，所述固定预压紧结构包括弹簧、导向螺栓和喉箍，所述上绝缘板为中部设孔的环形结构、且套设在上冲头上，所述上电极片活动设置在上冲头底端，且所述上绝缘板下侧面设置有用于放置上电极片的片槽，所述上绝缘板的上方通过导向螺栓和喉箍固定在位于上部的铆接基座上，所述弹簧套设在所述导向螺栓上；所述下绝缘板为中部设孔的环形结构、且套设在下冲头上，所述下电极片活动设置在下冲头顶端，且所述下绝缘板上侧面设置有用于放置下电极片的片槽，所述下绝缘板的下方通过导向螺栓和喉箍固定在位于下部的铆接基座上，所述弹簧套设在所述导向螺栓上。

进一步地方案为，所述喉箍与铆接基座之间还设有橡胶垫块。

进一步地方案为，所述下绝缘板沿其板厚方向设置为中间高外围低的台阶型，下绝缘板的周向均匀分布有三条卡槽，所述导向螺栓通过卡槽与下绝缘板相连；所述上绝缘板与下绝缘板结构相同。

更进一步地方案为，所述上电极片上设置有手持柄，手持柄的末端设置有通孔，通孔处通过螺栓与脉冲电源输出缆线紧固，上电极片的背面做绝缘处理；所述下电极片与上电极片结构相同。

上述技术方案中提供的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法及装置，在压铆机的上、下铆接基座上安装好电极夹具，装夹待连接板并在装配预制孔中放入钛钉，在上、下电极片间接通脉冲电流，一定时间后撤去电极并快速进行铆接；其利用脉冲电流在数秒内快速改善钛钉的成形性能，然后再进行铆接，能有效降低铆接成形力，实现铆接干涉量的均匀分布，减少连接损伤，改善铆接质量，提高紧固件的连接性能，同时还能保持高的可操作性和铆接效率。与传统复合材料板钛钉铆接工艺相比较有以下特点：

1)能降低钛钉铆接时的成形力需求，可实现压铆设备的要求；

2)能改善复合材料板(待连接板)钛钉铆接的连接质量，减小损伤诞生的几率，有利于提高连接件后续的服役寿命；

3)适用性广，只要铆接机冲头处的基座是圆柱体类都能够实现便捷的安装，不需要对原有铆接机进行改装，而且增加的脉冲电源前处理装置是外置的，对作业空间的要求小；

4)运动行程与铆接机的自身铆接动作相协同，容易实现自动化，保持高的生产率。

附图说明

图1为本发明所述基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法的流程图；

图2为本发明所述基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形装置铆接头部分的结构示意图；

图3为本发明所述下绝缘板的结构示意图；

图4为本发明所述上电极片的结构示意图；

图5为本发明所述喉箍的结构示意图。

图中：1.铆接基座；11.上冲头；12.下冲头；13.上电极片；131.手持柄；132.通孔；14.下电极片；2.上绝缘板；3.橡胶垫块；4.弹簧；5.下绝缘板；51.卡槽；52.片槽；6.待连接板；7.钛钉；8.喉箍；9.导向螺栓。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

本发明采取的技术方案如图2～5所示，一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形装置，包括自动压铆机(为现有的压铆机结构)，所述自动压铆机包括上冲头11、下冲头12，所述上冲头11和下冲头12分别设置在铆接基座1上，还包括电极片、电极绝缘模块和固定预压紧结构，所述电极片与脉冲电源发生装置(图中未标出，其属于现有技术，本发明未对其结构等作出改进)相接、且电极片包括上电极片13和下电极片14，所述电极绝缘模块包括上绝缘板2和下绝缘板5，所述固定预压紧结构包括弹簧4、导向螺栓9和喉箍8，所述上绝缘板2为中部设孔的环形结构、且套设在上冲头11上，所述上电极片13活动设置在上冲头11底端，且所述上绝缘板2下侧面设置有用于放置上电极片13的片槽52，所述上绝缘板2的上方通过导向螺栓9和喉箍8固定在位于上部的铆接基座1上，所述弹簧4套设在所述导向螺栓9上，其中弹簧4在未工作时均处于压缩状态，提供预压紧力(其是安装时的一个静态状态，目的为先提供一定对待连接板的预压力，是为了减少下面步骤S7中的弹簧压缩动作下压量，防止移动量过大导致绝缘板运动导致导向螺栓与待连接板干涉)；所述下绝缘板5为中部设孔的环形结构、且套设在下冲头12上，所述下电极片14活动设置在下冲头12顶端，且所述下绝缘板5上侧面设置有用于放置下电极片14的片槽52，所述下绝缘板5的下方通过导向螺栓9和喉箍8固定在位于下部的铆接基座1上，所述弹簧4套设在所述导向螺栓9上。

上述喉箍8与铆接基座1之间还设有橡胶垫块3，喉箍8的结构如图5所示。结合图2和图3，下绝缘板5沿其板厚方向设置为中间高外围低的台阶型，下绝缘板5的周向均匀分布有三条卡槽51，所述导向螺栓9通过卡槽51与下绝缘板5相连；所述上绝缘板2与下绝缘板5结构相同(材质为同种增强型绝缘耐热树脂板)；以下绝缘板为例进行说明，将下绝缘板加工成中间高、外围低的台阶型来保证电极片能被预顶紧且导向螺栓在铆接时不会超过凸起上表面从而形成干涉，导向螺栓的上部通过下绝缘板周向设置的卡槽固定在铆接基座上，导向螺栓的下部与铆接基座通过喉箍固连(该结构不需要承载太大的轴向力，导向螺栓与喉箍为接触式箍紧即可)。

如图4所示，上电极片13上设置有手持柄131，手持柄131的末端设置有通孔132，通孔132处通过螺栓与脉冲电源输出缆线紧固，上电极片13的背面做绝缘处理；所述下电极片14与上电极片13结构相同；手持柄端便于电极片的快速撤离操作，提高钛钉7与待连接板6的铆接装配工作效率。

下面结合实施例和图1对本发明基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法进行说明：

一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，包括以下步骤：

S1.以不导电的碳纤维增强复合材料板材为待连接板6，以钛钉7为紧固件，铆接和脉冲电流前处理前，待连接板6的厚度4mm，待连接板6上预制有孔径公称尺寸为4.1mm的连接孔；钛钉7直径为4mm、长度为7mm；

S2.分离自动压铆机上、下冲头留出足够大的安装空间，间距大于200mm，将上、下绝缘板，导向螺栓9，弹簧4和橡胶垫块3分别安装在自动压铆机的上、下冲头处，并采用喉箍8固定在上、下铆接基座上；

S3.将带装配预制孔的待连接板6装夹在自动压铆机的夹具上，进行铆接前的定位与夹紧；

S4.将未安装的上、下电极片的手持柄上的通孔分别用螺栓与脉冲电源输出缆线紧固，电源处于关闭状态，并对各电极片背面做绝缘喷漆处理或者贴附绝缘云母纸(本实施例中为绝缘喷漆处理)，保证电极片整体厚度控制在6mm以内；

S5.向下按压已安装好的下绝缘板5，将下电极片14放置在下绝缘板5的对中固定片槽51中；

S6.安装好下电极片14后，在待连接板6的装配预制孔中放置钛钉7，并保证钛钉7下端与下电极片14充分接触；

S7.利用伺服驱动直线电机(自动压铆机自带)带动的上冲头11缓慢下移，此时本发明中位于上部的铆接基座也会随之下移，待整体移动到距离待连接板6的上表面距离15mm时，手持上电极片13的手持柄131，将其放入上绝缘板2中相应的对中固定片槽中，保持该状态同时操控上冲头缓慢下移，直至上电极片13与钛钉7的上端接触，位于上部的铆接基座中的弹簧4出现压缩动作时，停止移动并固定位置；

S8.清理现场，确定回路，梳理好缆线后，开通脉冲电源，利用预先设置好的电流参数向钛钉7通电，使钛钉在10s内历经自身电阻发热软化钛合金材料和电子束冲击消灭位错双重作用，提高钛合金成形能力；其中电源参数在以下范围之内：电流功率为10～60KW，电压幅值为0～30V，脉冲频率为1～1000Hz，脉冲周期为20～4000μs；

S9.通电完成后，分别按压上、下绝缘板，卸去弹簧顶紧力，快速取出上、下电极片，使得上、下绝缘板通孔畅通；

S10.操作自动压铆机，利用预先设定好的参数实施铆接，趁脉冲电流前处理完成的钛钉仍然保持着高的成形性能，施加压力时钛钉更加容易变形且组织流动更加均匀，使得连接域内金属分布更加均匀，应力均匀性得到改善，而且待连接板因为钛钉金属的流动性提高而减少了硬性撕裂和挤裂等损伤，最终在低成形力的环境下实现高质量的铆接；

S11.完成铆接后让上、下铆接基座回程，撤出空间，调整待连接板的位置，使得下一个装配预制孔位于连接中心，重复S6及以后步骤，实现下一个钛钉的铆接，整体效率大幅提升。

总之，本发明提供的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，利用脉冲电流作用金属时的电/热耦合作用来增加钛钉的塑性，降低铆接力，改善铆接过程中金属的流动来获得均匀分布的干涉量，提高了铆接质量，且前处理迅速能保持较高的铆接连接效率。

附注：1.本发明中的自动压铆机还包括铆接机压力部分和脉冲电源发生及可编程部分(本实施例中自动压铆机的型号：江苏航鼎智能装备AR-5T；脉冲电源：DXK-12V2000A)，其均是现有技术，说明书中未详细说明。

2.脉冲电流处理时间为1～60s，分为连续脉冲和不连续脉冲，上述实施例中的10s是连续脉冲的上限；60s是不连续脉冲的上限。

3.在具体实施时，待连接板越厚，对应的钛钉越长，脉冲电流越大；装配预制孔越大，对应的钛钉直径越大，脉冲电流越大。

4.本发明适用于各种纤维增强、颗粒增强的绝缘型树脂基或橡胶基复合材料的钛钉铆接工艺。

5.脉冲电流处理会提高材料的温升，利用钛合金材料的自身高电阻率，电流在材料内部绕流迅速产热，促使材料软化，并保持高水平的塑性变形能力，提高材料的极限变形能力及伸长率，改善组织缺陷，提高板材的成形性。同时脉冲电流处理还可以细化晶粒，改善合金强韧性，电子束的冲击也提高了位错的运动能力，使得变形更加容易，促进位错湮灭，降低铆接过程的裂纹萌生几率。因此引入的脉冲电流在铆接前对钛钉进行前处理能在极短的时间内引入大量能量来影响材料的性能，有效降低铆接时的变形抗力，提高钛钉的塑性变形能力，改善金属组织的流动性，从而达到均匀的连接干涉量，再加上电流的位错修复能力消除部分内部缺陷，最终达到改善铆接质量、降低铆接成形力的目的。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将电极绝缘模块安装在自动压铆机的上、下铆接基座的冲头处；

S2.将带装配预制孔的待连接板夹在自动压铆机上，并在装配预制孔中放置钛钉；

S3.插入已连接脉冲电源负极的下电极片，使上绝缘板下压至距离待连接板7～10mm处，再插入已连接脉冲电源正极的上电极片，下压上冲头使上电极片和钛钉上端接触；

S4.开启脉冲电源，对钛钉施加脉冲电流，施加时间为1～60s；

S5.关闭脉冲电源，撤去上、下电极片，对脉冲电流处理后的钛钉施铆，完成待连接板的铆接；

S6.分别上移和下移上、下铆接基座，松开待连接板装夹夹具，取出钛合金铆接件。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，其特征在于：所述脉冲电流功率为10～60KW，电压幅值为0～30V，脉冲频率为1～1000Hz，脉冲周期为20～4000μs。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，其特征在于：所述钛钉与装配预制孔孔径差在0.1mm内。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法，其特征在于：所述待连接板为单层板或多层板，且待连接板为绝缘的复合材料板。

5.一种如权利要求1～4中任一项所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法采用的装置，包括自动压铆机，所述自动压铆机包括上冲头、下冲头，所述上冲头和下冲头分别设置在铆接基座上，其特征在于：还包括电极片、电极绝缘模块和固定预压紧结构，所述电极片与脉冲电源发生装置相接、且电极片包括上电极片和下电极片，所述电极绝缘模块包括上绝缘板和下绝缘板，所述固定预压紧结构包括弹簧、导向螺栓和喉箍，所述上绝缘板为中部设孔的环形结构、且套设在上冲头上，所述上电极片活动设置在上冲头底端，且所述上绝缘板下侧面设置有用于放置上电极片的片槽，所述上绝缘板的上方通过导向螺栓和喉箍固定在位于上部的铆接基座上，所述弹簧套设在所述导向螺栓上；所述下绝缘板为中部设孔的环形结构、且套设在下冲头上，所述下电极片活动设置在下冲头顶端，且所述下绝缘板上侧面设置有用于放置下电极片的片槽，所述下绝缘板的下方通过导向螺栓和喉箍固定在位于下部的铆接基座上，所述弹簧套设在所述导向螺栓上。

6.根据权利要求5所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法采用的装置，其特征在于：所述喉箍与铆接基座之间还设有橡胶垫块。

7.根据权利要求5所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法采用的装置，其特征在于：所述下绝缘板沿其板厚方向设置为中间高外围低的台阶型，下绝缘板的周向均匀分布有三条卡槽，所述导向螺栓通过卡槽与下绝缘板相连；所述上绝缘板与下绝缘板结构相同。

8.根据权利要求5所述的基于脉冲电流前处理的钛钉铆接成形方法采用的装置，其特征在于：所述上电极片上设置有手持柄，手持柄的末端设置有通孔，通孔处通过螺栓与脉冲电源输出缆线紧固，上电极片的背面做绝缘处理；所述下电极片与上电极片结构相同。