TC4鈦合金構(gòu)件電磁鉚接極限間隙量研究

楊寶惠,曹增強(qiáng),左楊杰

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072； 2.四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于新一代飛機(jī)[1-2]。鉚接是飛機(jī)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(jī)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(jìn)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(dá)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(jī)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(fù)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(jìn)行鉚釘拆卸(如維修)，但拆卸后的部位鉚接孔徑明顯變大，導(dǎo)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(jī)鈦合金構(gòu)件的有效應(yīng)用。

因此，本文針對飛機(jī)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(jī)鈦合金鉚接構(gòu)件維修提供指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)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(jìn)而作用于鉚釘實現(xiàn)鉚釘鐓頭成形。電磁鉚接通過高應(yīng)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(jī)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(xué)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(yīng)，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(jìn)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(shè)備(單位:mm)

圖3 TB2合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線[7]

電磁鉚接實驗設(shè)備如圖4所示，利用西北工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的EMR1000半自動電磁鉚接設(shè)備進(jìn)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(shè)備

(1)

T0為放電電流周期，與回路電感L和電容C相關(guān)：

(2)

1.2 拉剪試驗

為了進(jìn)一步評估不同間隙量下電磁鉚接的鉚接效果，設(shè)計了相應(yīng)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(jī)研究所生產(chǎn)的CSS-44100材料試驗機(jī)上進(jìn)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(zhǔn)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(guān)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(yù)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(kuò)大，填滿釘孔的材料會增多，剩余的材料會相應(yīng)減少，因此其形成的鐓頭的直徑和高度也會隨之相應(yīng)的減小。

2.1.2 鐓頭絕熱剪切

圖8為鉚接后對試件進(jìn)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(yīng)變速率下釘桿材料為了適應(yīng)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(jìn)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(dāng)釘孔直徑達(dá)到4.5 mm時，其測量點二和測量點三均出現(xiàn)了負(fù)數(shù)，這說明當(dāng)釘孔直徑達(dá)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(yīng)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(qiáng)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(jìn)入塑性變形階段。隨著剪切力的繼續(xù)增加，達(dá)到了試件的最大屈服強(qiáng)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度與釘孔直徑的關(guān)系如圖11(b)所示，從圖中可以看出，試件的屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨著釘孔直徑的增加而增加。所以從提高剪切強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度和剪切最大強(qiáng)度均隨釘孔干涉量的增加而增加。