电磁铆接技术

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1、电磁铆接技术发展概况摘要：对电磁铆接技术的研究现状作概述。介绍了电磁铆接的基本原理及其特点，对国内外电磁铆接设备的研究进行了分析比较，讨论了电磁铆接工艺研究的意义以及工艺参数对电磁铆接质量的影响。随着航空业的发展，电磁铆接工艺参数的定量化势必成为发展趋势。关键词：电磁铆接；铆接质量；工艺参数在新型飞机设计中，为增加飞机结构强度，提高疲劳寿命，同时减轻飞机重量，大量采用钛合金结构和复合材料结构。第4代战斗机上钛合金材料将占30％以上，复合材料占40％～60％。但由于复合材料易产生安装损伤、分层等现象，大大限制了热铆方法的采用。同时，在新型飞机和大型运载火

2、箭中，由于大载荷的要求，越来越多地采用大直径铆钉。并且，由于结构开敝性限制，大功率压铆机在许多情况下无法工作，所以只能采用气铆。而气铆存在铆接质量不稳定、效率低下等问题。上述问题是目前普通铆接方法无法避免的，因此，迫切需要采用新型的铆接工艺来解决这些问题，电磁铆接是电磁成形工艺的一个应用，是作为解决上述难题而发展起来的一种将电磁能转化为机械能，使铆钉发生塑性变形的新型铆接方法。1电磁铆接原理电磁铆接是利用初级线圈和次级线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种新型铆接工艺。加载速率高、应变速率大，材料的变形方式与压铆等准静态加载方式不同，铆钉钉杆变

3、形均匀，可有效防止复合材料损伤，为钛合金和复合材料结构的连接及大直径铆钉和难成形材料铆钉成形提供了一种先进的连接技术。目前，该技术已在航天航空工业制造领域中得到广泛应用，波音、空客等飞机制造中均采用这一技术[1]。1.1电磁铆接成形原理电磁铆接的基本原理同电磁成形，只是在次级线圈和工件之间加了一个应力波放大器，电磁铆接原理图如图1-1。图1-1电磁铆接原理图如图所示在开关闭合的瞬间，电容器组进行放电，在初级线圈中产生脉冲电流，脉冲电流在初级线圈中激发出强磁场。根据电磁感应定律进而在次级线圈中产生感应电流，感应电流在次级线圈中产生涡流磁场，两磁场相互作用

4、在耦合的线圈之间产生涡流斥力，涡流斥力在应力波放大器中经过不断的反射和透射，将放大了的力作用在铆钉上进行铆接。电磁铆接初级线圈和次级线圈的耦合电路图如图1-2所示。初级电路是电磁成形系统回路，包括储能电容器，感应线圈，R1是系统电阻；次级电路是感应回路（涡流）R2是工件电阻，L2是回路电感；M是互感系数。C-储能电容器R1-初级电路电阻L1-系统电感R2-次级电路电阻L2-次级电路电感图1-2电磁铆接双回路模型如上图所示，设是初级回路放电电流，是感应回路电流。根据克希霍夫定律，两个回路的微分方程为：（1.1）解得：（1.2）（1.3）（1.4）（1.5

5、）其中M为互感系数，，1.2电磁铆接的基本参数电磁铆接的基本原理是通过线圈放电，将电容器中储存的电磁能转化为机械能，在放大器的输入端形成历时极短、强度高的应力脉冲，应力脉冲以弹性波形式在放大器中传播并被放大，随后又被传播给铆钉，从而完成铆钉的塑性变形。单次放电电容器储存的能量W为：（1.6）式中C为电容器电容量，U为铆接电压。由式(2.1)可以看出，单次放电电容器储存的能量与电容器电容量、铆接电压成正比。由于现在电磁铆接设备大都采用低电压，为了获得铆钉成形所需的能量(对于常用的铆钉，铆接设备储存能量一般为几千焦耳)，在降低铆接电压的同时必然要增加电容器

6、的电容量。如采用脉冲电容器，由于其电容量小，要想获得比较大的电容量，则势必要增加电容器的体积，这显然不合适。而电解电容器由于其容量高、体积小、成本低，可以满足低电压电磁铆接设备的要求。电磁铆接设备采用低电压主要是为了降低放电电流频率，消除由于电压高引起的高放电频率，高放电频率会导致铆接后在铆钉镦头处产生微裂纹或剪切破坏的现象。因此，选择放电电流频率的一个主要标准就是使得铆接时铆钉镦头不产生微裂纹或剪切破坏。电磁铆接放电电流频率f为：（1.7）式中，C为电容器电容量，L为系统电感。从式(2.2)中可以看出，放电频率的大小取决于系统电感、电容器电容量，由于

7、系统电感主要由放电线圈的电感量决定，一般不易改变，因此，要想获得比较小的放电频率，只有增加电容器的电容量。为了选择合适的放电频率，西北工业大学曹增强等曾对成形性较差的TB2-1铆钉分别采用电容量为225μf、1850μf、3500μf的3种电容器组进行铆接试验。当系统电感实测为50μh时，放电电流频率分别为1600HZ、600HZ、400HZ，通过对铆钉镦头金相组织进行观察，当电流频率为1600HZ时，铆钉镦头有明显的微裂纹；电流频率为600HZ时，铆钉镦头没有微裂纹，但是有明显的剪切带；电流频率为400HZ时，镦头没有微裂纹，剪切带也不明显。由此可见

8、，400HZ的电流频率比较合适，因此，对于低压电磁铆接设备，所选取的放电电流频率一般情况下不高