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1、高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究!曹增强#彭雅明$#梁鸿森%#盛熙#夏力农&西北工业大学 飞行器制造工程系#陕西 西安 ($)$&西安导航技术研究所#陕西 西安 (*+)%&北京卫星制造厂#北京,-(+%摘要.研究了高模量碳纤维复合材料结构的电磁铆接工艺/通过实验确定了铆钉外伸量0钉孔间隙等工艺参数#给出了复合材料结构铆接用垫圈的几何尺寸#提出了合理的镦头尺寸/强度实验和损伤检测表明电磁铆接可以代替螺栓连接#成功地铆接高模量碳纤维复合材料/关键词.复合材料#电磁铆接#高模量#强度中图分类号.1$*$文献标识码.2文章编号.(3$4+5$($6($3(7+3(4复合材料具有许多优异性能#因
2、而在现代航空航天器结构中得到广泛应用/与金属结构相比#连接是复合材料结构的薄弱环节#结构破坏的*(89+(8发生在连接处:;/某型号卫星的承力筒采用高模量 3%(3=(碳环氧复合材料层压板和铝合金的混合结构#设计和工艺等原因决定需用机械连接/尽管铆接和螺接相比#接头重量轻#成本低#然而复合材料层间强度低#抗冲击能力差#普通锤铆方法容易造成安装损伤/拉铆等工艺方法不能满足强度设计要求#结构不开敞又限制了大型压铆机的使用#因而卫星承力筒制造过程中不得不采用螺栓连接#增加了结构重量/电磁铆接作为一种新型铆接工艺方法#国外已成功地用于复合材料结构的铆接:$;#但在我国还是一个空白/为减轻承力筒重量#本
3、文采用电磁铆接工艺对以铆接代替螺栓连接的可行性进行了研究/?电磁铆接工艺研究电磁铆接时材料的变形异于普通铆接#因此#电磁铆接的工艺参数不能照搬普通铆接的工艺参数/?&?镦头尺寸设计复合材料结构铆接的镦头尺寸至今还没有标准#文献:%;建议 2铆钉在高强度碳纤维复合材料结构中铆接时镦头直径为&=A(&(B#镦头高度为(&4 9(&*4 B/高模量碳纤维复合材料的脆性更大#更易发生挤压破坏#因而镦头不宜过大/参照金属结构的铆接#并考虑到复合材料层压板层间强度低 的 特 点#镦 头 尺 寸 可 初 步 设 计 为 高 度 不 小 于(&=B#直径&%B左右/强度实验表明:=;#镦头直径为&$B时完全可
4、以满足结构静强度要求#因而建议镦头直径取&$9&%B/?&C垫圈几何构形设计垫圈对保证复合材料结构的铆接质量有重要作用/垫圈内径决定垫圈和铆接件共同吸收铆钉变形功的能力#外径影响垫圈在铆钉镦粗过程中的抗破坏能力#厚度决定垫圈的刚度/金属结构所用标准垫圈一般外径较小#内径较大#不能满足复合材料结构铆接的要求/&沃洛别依采用塑性变形理论#对垫圈在干涉作用下的问题求解得出垫圈的相对半径范围为$&(9$&4:;#即内外径之比应为$&(9$&4/如果再增大相对半径#也不会使垫圈的限制作用有明显增加#反而会增加结构重量/笔者采用实验研究的方 法对垫圈尺寸进行了选择/对直径%&(DD#%&4DD#=&(DD
5、的纯钛铆钉和不锈钢铆钉分别加工不同尺寸的垫圈进行铆接#观察镦头成形情况和垫圈的变形#检查复合材料的损伤#解剖试件#测量干涉量#分析铆接质量/垫圈厚度分别为(&*DD0(&+DD0&(DD#内径分别为铆钉直径(&DD和(&$DD两种/$($年4月第$(卷第$期西 北 工 业 大 学 学 报E F G H I J K F L MF H N O PQ R N Q H IS F K T N Q U O I V U J K WI V X Q H R V N TJ T$($1F K&$(MF&$!收稿日期.$(Y(Y(4基金项目.航空科学基金5 7 Z4%(7 6作者简介.曹增强5 7*Y6#西北工业大学
6、副教授#主要从事飞机装配与先进连接技术的研究/万方数据实验结果表明!不用垫圈或采用#$%厚的垫圈时!镦头均挤入复合材料!对复合材料造成严重损伤&采用#%厚的钛合金和不锈钢垫圈时!直径(#%的铆钉铆接没有发现复合材料的损伤!(#)%和*#%的部分铆钉将垫圈内径明显胀大并挤伤复合材料&使用+#%厚的钛合金垫圈时!没有垫圈挤入复合材料!而使用+#%厚的不锈钢垫圈!铆接不锈钢铆钉时复合材料会出现一定程度的损伤,主要由于不锈钢的强度较低!垫圈不能充分限制铆钉膨胀,因此!应尽可能选用钛合金等强度较高的垫圈,统计结果发现!垫圈外径较大时铆接质量较好&垫圈外径较小时!铆接时会出现两种问题-一是垫圈的限制作用不
7、明显!整个垫圈被胀大并造成复合材料的损伤&二是由于承力面积太小!垫圈下陷!损坏复合材料,实验表明对于直径为(%!(#)%!*%的铆钉分别选用外径为.%!%!/%的垫圈是比较合适的,当垫圈外径超过一定值时!如外径和内径之比大于0#)时!垫圈对铆钉膨胀的限制作用将不再明显增大,钉杆膨胀量测量结果表明!当垫圈外径和厚度合适时!内径比铆钉直径大#+%和#0%的垫圈均有较好的限制作用!但后者铆接的干涉量比前者大,因此!垫圈内径可选为1 2#+3#0%!在铆接不锈钢铆钉时尽量选下限,建议铆接时垫圈尺寸按表+选取,表4垫圈几何尺寸选择铆钉直径5%(#(#)*#垫圈材料钛合金或不锈钢钛合金或不锈钢钛合金垫圈内
8、径5%名义尺寸(#+(#$*#+容差6#0 32#$6#0 32#+6#0 32#+垫圈外径5%名义尺寸./容差2#)2+#2+#垫圈最小厚度5%#+#+#4#7钉孔间隙选择钉孔间隙的选择必须保证铆接时钉杆的膨胀不会导致复合材料的损坏,文献8)9指出!适量的干涉和足够的侧向约束能够提高静强度和疲劳强度&文献8$9指出!当接头干涉量为0:时!接头挤压强度可提高:3+:!碳纤维环氧复合材料的最佳干涉量为0:左右,;射线检查表明这样的干涉量不会在孔壁造成明显的损伤!因而在选择钉孔间隙时要求干涉量不超过0:,复合材料抗挤压破坏能力差!为防止安装损伤!钉孔间隙必须大于金属结构铆接时的钉孔间隙,对直径为(
9、#%!(#)%!*#%(种铆钉的钉孔间隙分别选择#0%!#(%!#*%进行铆接,结果发现!当钉孔间隙为#0%时!部分镦头处复合材料板出现明显损伤!解剖发现孔口处被钉杆胀坏!表明钉孔间隙太小&当钉孔间隙为#(%时!个 别 接 头 的 干 涉 量 大 于0:&当 钉 孔 间 隙 为#*%时接头的干涉量一般不会大于0:!铆接质量较好,铆接发现!钉孔间隙进一步增大时铆钉容易偏斜!影响铆接质量,因而!建议钉孔间隙取#(3#*%!直径较小的铆钉!钉孔间隙可取下限!直径较大的铆钉!钉孔间隙可取上限,4#0 6+钛合金铆钉在铆接碳纤维复合材料时钉杆外伸量取#/3#/)1,铆钉的镦头尺寸主要决定于铆钉外伸量,如
10、果镦头直径为+#(1!高度最小为#*1!铆接后钉杆直径一般最大为+#+1!夹层厚度最大取*1!根据体积不变可以计算当钉杆外伸量取#/1就可满足镦头尺寸要求,强度实验表明!接头破坏时均为复合材料先破坏!在镦头直径为+#0 1时!拉脱实验中也没有从镦头处破坏的试件8*9,由于镦头尺寸可以比较小!外伸量亦可适当减小!建议选取+#+3+#0 1,表0为+?+AB/=B铆钉采用不同外伸量时的镦头尺寸,表C 4 D E 4 F G H I J H铆钉的镦头尺寸铆钉直径1 5%(#(#)*#外伸量+#0(1+#+/1+#+1镦头直径+#(0 1+#(1+#(+1镦头高度#*$1#*(1#*1K/+K第0期曹
11、增强等-高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究万方数据!强度试验为研究某卫星复合材料承力筒以铆接代替螺栓连接的可行性对两种连接方式的强度进行了对比实验#考虑到承力筒的实际受力情况只进行了剪切强度和拉脱强度试验#试验方法参照$%&()#试件有单剪和拉脱两种形式参照承力筒实际结构试件由复合材料和铝合金板组成其厚度分别为*+,-和,+)-结构尺寸如图(和图,#螺栓和铆钉材料 均为不锈钢#铆接用垫圈为./0 内径0+(10+,-外径2-厚度(-#螺接时按照产品技术条件规定螺母拧紧力距为,+)3-两边加垫圈#铆接工艺参数采用实验所选定的参数铆接电压为,4 4 45钉杆外伸量为(+,6左右#试验在长春材料
12、试验机研究所生产的/7 7 8(4)材料试验机上进行加载速度为4+)-9-:;剪切试验为单剪型拉脱试验则配有辅助夹具以保证受力一致#图(拉脱试件图,剪切试件剪切试验数据见表*拉脱试验数据见表0#表?铆接试件号(,*0)平均值初始破坏载荷*+,40+(4*+0 40+*4*+A*+(0*+最大破坏载荷)+)+A 2)+)0)+A)+)4)+*)+4螺接初始破坏载荷*+(4*+*4*+(,*+(4*+4 2*+(0*+(0最大破坏载荷)+0 2)+0 A)+2 A)+2()+2 A)+A A)+2B镦头直径为(+*6表C拉脱试验结果单位=?方法螺接载荷铆接载荷试件号初始破坏最大破坏初始破坏B最大破
13、坏B初始破坏BB最大破坏BB(+A,+,)(+*,+(4(+4*(+,0,(+*,+*(+4,+4 4+2(+*(+A*,+0*(+A,+(+(0(+,0(+A(+2 A(+4(+2 24+A,(+,)(+A 4,+0*4+2 4(+,2平均值(+0,+,A(+*,+4 4+2(+,AB镦头直径为(+,6BB镦头直径为(+*6从表*可以看出铆接的剪切强度和螺接的剪切强度相当其初始破坏强度比螺接的初始破坏强度高(D最大破坏强度比螺接的最大破坏强度低*+*DE从力F位移曲线可以看出铆接件的刚度明显大于螺接件#从表0可以看出铆接的拉脱强度略低于螺接的G44,G西北工业大学学报第,4卷万方数据拉脱强度
14、!当镦头直径为#$%时初始破坏强度和最大破坏强度比螺接分别低&#(和)#$(!当镦头直径大于#%时!铆接的初始破坏强度和最大破坏强度较低*由于螺栓连接两边加垫圈!承力面积大!而铆接只有一边加垫圈!另外估计镦头尺寸较大时!复合材料可能有一定的损伤!影响了拉脱强度*因此!要保证有较高的拉脱强度!其镦头尺寸应小于#%*+损伤检测实验复合材料结构铆接中!由于冲击加载,钉杆的过分膨胀或不均匀膨胀等可能会造成复合材料的挤压破坏或分层破坏*电磁铆接能否用于高模量碳纤维复合材料结构的关键就是能否保证铆接过程中不损伤复合材料*选用-射线照相法对孔壁损伤进行了检测*参照选定的工艺参数进行铆接!铆钉孔径在#.#/0
15、0之间!垫圈材料为1 2/!外径300!内径#00!厚度00*然后在铣床上铣掉镦头和钉头*试件上有/个铆钉孔*号孔和$号孔为原始孔!没有铆接!号孔铆接后去掉钉头和镦头!/号孔铆接后将整个铆钉去掉*取铆钉时有意在/号孔边产生一定的损伤以检验这种方法的效果*图为4 5 6 7 6 8 9:&;工业-射线机上所摄照片*图-射线照片用放大镜对试件检查!可以发现号孔,$号孔和号孔边有很小的劈裂损伤*按照复合材料制孔的质量标准!深度小于;#/00!宽度小于#00的劈裂损伤不会影响接头质量*从-射线照片可以看到/号孔有明显的损伤!表明这种检测方法能够检测到复合材料的损伤*从照片还可以看出!在未铆接的号孔,$
16、号孔铆接后的号孔中!孔壁均出现了较小的损伤!可以断定损伤是制孔过程中产生的!但损伤的尺寸远远小于标准所规定的尺寸!即深;#$?00!宽;#00!长不超过孔周长 /的限制*另外!从照片可以看出!铆接后的损伤尺寸和初始孔的损伤尺寸没有明显变化!表明电磁铆接不会产生明显的损伤破坏*因此!电磁铆接可以用于复合材料结构铆接*参考文献A张国梁译#复合材料结构连接技术#北京A国防工业出版社!)2 B C DE1!F G H D 5IJ!4 B H H D KJ#L G M H D N D K MO B K2 B 08 B M 6 H DP H K Q R H Q K D M#2 B 08 B M 6 H D
17、!)=$!$.$)汪裕炳!张全纯主编#复合材料的结构连接#北京A国防工业出版!)$曹增强#电磁铆接理论及应用研究A S西安A西北工业大学!)F Q N 6 NFT#2 K 6 H 6 R G 7 2 B 08 B M 6 H DJ B 6 N H P Q U R B 08 B N D N H#V=3 W;)3?!)=3刘萍!张开达#干涉对复合材料叠层板螺栓连接疲劳强度的影响#航空学报!)!$X$Y A?/&.?/=曹增强!佘公藩等#碳纤维复合材料结构的应力波铆接实验研究#机械科学与技术!)?!X/Y A).)&航空航天工业部科学技术研究院编#复合材料结构设计手册S北京A航空工业出版社!);中国
18、航空研究院编#复合材料连接手册#北京A航空工业出版社!)/Z;$Z第$期曹增强等A高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究万方数据!#$%&()*+,&-)*.)-/0&$(-1,2*$-)(#)3$-)*4 0 5#6)7)*/5,8 9&9:;1 ,=)-1 9(-9 1$)?#;/)A B CD E F G H I B F GJKL E F GMB NI F GOKP I B F GQC F G R E FSKT U E F GV IJKV I BP I F C F GJJ WC X Y U ZE R Y E X FL C Y E U F I B F I _ E X R I Y KV I
19、B Fa J b b a O cO d F R Y I Y e Y EC f WB _ I G B Y I C Fg E U F C C G KV I B Fa J b b h i cS j E I k I F GT B Y E I Y El B m X I B Y I C Fl B Y C X Y KjnopqE k I F GJ b b b i Sr :-1 (-sQB _ I F Gf B I E tY Cf I F tB F t E Y B I E tI F f C X NB Y I C FI FY U EC u E F I Y E X B Y e X EB m C e YE E Y
20、X C NB G F E Y I X I _ E Y I F G4 v wx6e R E tI FR B Y E I Y ER Y X e Y e X E K ZEU B _ EY Ct CX E R E B X UB F tt E _ E C u NE F YC fR e UY E U F I B I F f C X NB Y I C FC e X R E _ E RI FA U I F B yEU B _ EY Cf I F tC e Y U C ZY Ct Cv wxR e E R R f e ZI Y U C e Y B e R I F Gt B NB G EI FU I G UNC
21、t e e R B X m C Ff I m E X C Nu C R I Y E RR Y X e Y e X E WCt B NB G EZI X E R e YI fu X C E R Ru B X B NE Y E X RB X EB u u X C u X I B Y E d FR e m R E Y I C F RJ JY U X C e G UJ z K ZEt I R e R RU C ZY CR E E Y B u u X C u X I B Y Eu B X B NE Y E X R T e m R E Y I C FJ Jt E B R ZI Y UR E E Y I C
22、 FC f t I NE F R I C F R C f X I _ E Y U E B tc R e m R E Y I C FJ O KB u u X C u X I B Y E C F f I G e X B Y I C FC f ZB R U E X cR e m R E Y I C FJ S KB u u X C u X I B Y EG B um E Y ZE E FX I _ E YB F tU C Ec R e m R E Y I C FJ z KB u u X C u X I B Y EE Y E X I C X E F G Y UC fX I _ E Y yEu E X f
23、 C X NE tR Y X E F G Y UY E R Y RK ZU C R EX E R e Y RB RR U C ZFI Fg B m E RSB F tzR U C ZY U B Y X E u B I F Gm C Y I F GZI Y Uv wxt C E RF C Y C ZE X Y U ER Y X E F G Y U|$.,1 8:s C Nu C R I Y E R KE E Y X C NB G F E Y I X I _ E Y I F G KU I G UNC t e e R KR Y X E F G Y U!#年前#个月$工程索引%月刊收录西北工业大学论文
24、&篇$工程索引%月刊O b b J年前J b个月收录西北工业大学论文z(篇c O z行以上J J篇K J i至O S行J a篇K J a行以下O J篇)z(篇共收录i(z行K平均J i O行K远高于$工程索引%月刊全部论文的约为J J的平均行数)O b b J年前S个季度$工程索引%月刊收录西北工业大学论文z O篇情况见$西北工业大学学报%第O b卷第J期简讯)$工程索引%月刊O b b J年J b月收录西北工业大学论文a篇s J i至O S行S篇K J a行以下z篇)J i至O S行S篇s O S行J篇4第一作者杨文献6 K O b行O篇4刘峰*刘峰6)J a行以下z篇s J J行*J b行*(行*a行各J篇)胡沛泉O b b O年z月O O日+ObO+西北工业大学学报第O b卷万方数据