自动铆接机的动力学仿真研究

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数字化加工生产设备以及计算机技术的应用，缩短了飞机的研制周期，提高了生产效率和产品质量。其中，自动钻铆技术和自动钻铆设备的应用，极大提高了铆接装配的效率和装配质量，减少了装配成本［1］。从五十年代初飞机制造业应用自动铆接机以来，已有三十多年的历史。自动铆接的优点日益被人所认识。有些制造厂认为，为提高接头的疲劳寿命以及改善密封性能，飞机的整体油箱板件以及其他主要受力板件必须采用自动铆接机铆接。
自动钻铆系统主要包括自动钻铆机和数控托架两部分［2］。自动铆接机主要完成包括夹紧工件、钻孔、鍃窝、送钉、压铆、铣平钉头（指无头铆钉）松开夹紧等一系列工序，铆接完一个铆钉后自动定位至下一个铆钉位置。但在实际应用过程中仍然存在着铆接效率不高、产品重复定位精度差、自动钻铆程序编制繁琐、铆接质量不稳定以及不能在线外检查程序的准确性等问题，并且自动铆接机配合数控托架在加工产品过程中，自动钻铆设备需要多维度的运动，运动结构复杂，易于发生机构与机构、机构与工件之间的干涉和碰撞，编程员难以预先发现，需反复试验调整程序，且调整策略仅依靠编程员的工程经验，不直观、效率低、差错大；同时程序的反复试调大大降低了设备的使用效率；此外由于托架及工件的自重，易出现工作过程中的中心偏移［3］。此外，不同的铆接工艺参数，如铆接力等，直接影响工件的质量，需要选择合适的工艺参数。仿真技术在自动钻铆中的应用，很好地解决了自动钻铆技术在应用过程中涉及到的上述问题。通过优化钻铆路径和工艺参数，以及运动过程的干涉碰撞检查，可预先检验工艺的合理性及装配中可能出现的干涉碰撞，从而提高成品率和装配效率。
随着大飞机项目的实施，为了保证飞机装配铆接的质量，迫切需要应用自动钻铆技术。自动钻铆仿真技术在数字化的环境下，可以有效地模拟真实环境，减少试验次数，在节约成本的同时，能对装配作业给出更为合理的建议和修改方案，从而缩短研发周期，并保证产品质量。在这样的背景下，自动铆接机的运动学仿真对于铆接的稳定高效生产具有重要的意义。
由于能力有限，本课题我主要研究了自动钻铆机的工作原理，对自动钻铆机进行了简单的三维建模和简单的运动仿真，并在此基础上使用ANSYS对干涉配合做了简单的有限元分析。
1.2　自动钻铆技术概述按工作方式分，铆接可分为手工铆接和自动钻铆。手工铆接由于受工人熟练程度和体力等因素的限制，难以保证稳定的高质量连接。而自动钻铆是航空航天制造领域应自动化装配需要而发展起来的一项先进制造技术。自动钻铆技术即利用其代替手工，自动完成钻孔、送钉及铆接等工序，是集电气、液压、气动、自动控制为一体的，在装配过程中不仅可以实现组件(或部件)的自动定位，同时还可以一次完成夹紧、钻孔、送钉、铆接／安装等一系列工作。它可以代替传统的手工铆接技术，提高生产速率、保证质量稳定、大大减少人为因素造成的缺陷。随着我国航空航天产业在性能、水平等方面的不断提高，在铆接装配中发展、应用自动钻铆技术，己经势在必行。在航空航天产业制造过程中，无论是零件、组件、部件的装配还是电缆和成品的连接都离不开各种连接方法和连接件，例如铆接、螺接、胶接、焊接等。目前，应用最广泛的是铆接和螺接。与其他连接方法相比，这两种连接方法工艺比较成熟，设计方法比较完善；另外，大量的实践证明，用这两种连接方法连接的各种结构件在实际使用中是可靠的，并且易于检测。其中，铆接是不可拆卸的连接，多用于厚度不超过铆钉直径3.5倍的夹层上。桁架连接是铆接结构的主要形式，用于连接各种结构件中的桁架和蒙皮［4］。
$ F% d7 q1 Y3 W4 T; t- a1.3　国内外的研究现状国外自动钻铆设备的使用已经有几十年的历史，在相应的仿真与优化技术方面也进行了较多的研究和应用，如BROTJE自动控制公司开发的针对BROTJE公司钻铆设备的离线编程模拟系统(BA—OLPS)。该系统通过CATIA模型可以导出数据结构至NC程序，并能进行碰撞检查，优化NC程序，缩短生产准备时间。在铆接变形仿真方面，Hsing-Ling Wang［5］对铆钉钉头处的变形进行有限元分析与试验验证，施加不同大小的压力，研究压力变化对铆钉钉头变形直径的影响，并对一组铆钉的疲劳载荷的传递进行了研究。针对铆接工艺方面Billy Kelly［6］等仿真了一个铆钉的安装过程，研究了轴对称模型下铆钉安装仿真的FE模型，精确地预测了铆接成形过程中的力。V Blanchot［7］等人以不同途径建立可调整数值模型来仿真铆钉连接，并建立了部分、轴对称和3D三种模型。
国内虽然在仿真技术方面起步较国外相比稍晚，但近几年发展速度很快。刘斌［8］运用CATIA中的DMU(数字样机模块)进行优化分析，实现了汽车总体没计中相关部件运动机构仿真分析。西安飞机设计研究所在飞机研制中釆用并行工程和无纸设计技术，应用CATIA V5进行三维外形建模、三维结构设计、数字化结构件和主要飞机系统件的预装配，首次在中国设计了飞机全机规模数字样机。杨静［9］等采用数字人和计算机仿真技术，模拟飞机制造中工人的作业姿态，为生产准备阶段提前发现问题提供直观的分析和判断依据。董兴辉［10］等人提出装配顺序规划的优先关系约束半角矩阵法，并基于Pro/E建立一种装配仿真系统，直观地进行产品预装配，验证和改进产品的装配工艺。
8 }* @% S# `( L# Z1 w国内外对仿真技术的深入研究和应用，充分体现了仿真技术在装配过程中的重要性。装配仿真与优化技术在波音和空客中的有效应用证明，仿真技术可以有效地缩短装配工艺设计周期，同时降低装配成本。飞机装配连接中的铆接数量巨大，铆接质量直接影响了工件的疲劳寿命,仿真技术在自动钻铆过程运用可以有效提高自动钻铆的效率和质量。
1.4　干涉配合铆接概述现代飞机制造过程中，由于结构设计、工艺维修、检查的需要，机械连接不可缺少，在很长一段时间内仍将是主要的连接方法。在第二代、第三代、甚至第四代战斗机以及民机生产中，都采用了大量的机械连接。铆接结构重量轻、成本低、工艺简便，比螺接更具技术优势，因而用得比较普遍。铆接技术发展相对比较缓慢，但近年来在新型飞机研制过程中，为满足结构设计要求，提高飞机的性能，铆接技术有了新的发展。
铆接又包括了普通铆接、密封铆接、干涉配合铆接等等。普通铆接，因疲劳强度低，密封性能差，无法满足新型飞机的结构要求，促使铆接技术进一步发展，其中主要是无头铆钉干涉配合铆接技术。在保证铆钉便于插入钉孔的前提下，铆钉和孔的间隙尽量小，以便铆接以后钉杆与孔之见形成紧配合，或称干涉配合。有适当的干涉量的干涉配合，能成倍地提高连接件的疲劳寿命。采用无头铆钉干涉配合的铆接，能够可靠地保证铆钉自身的密封性。因此，无头铆钉干涉配合的铆接得到了迅速的发展和广泛的应用［11］。
) d; K4 J8 h7 J5 k4 x2 a1.5　研究意义及内容1.5.1　研究意义根据当前飞机制造技术的发展趋势，铆接技术仍将是飞行器结构部件最可靠的连接技术。然而旧的铆接方法手工作业劳动强度高，铆接质量差，己不能满足现代飞机生产制造的要求。自动钻铆技术已成为飞机制造业发展的必然趋势。自动钻铆技术不只是工艺机械化、自动化的要求，更主要的还是飞机本身性能的要求。目前世界各航空工业发达国家都已广泛采用自动钻铆技术。
随着大飞机项目的实施，为了保证飞机装配铆接的质量，迫切需要应用自动钻铆技术。自动钻铆仿真技术在数字化的环境下，可以有效地模拟真实环境，减少试验次数，在节约成本的同时，能对装配作业给出更为合理的建议和修改方案，从而缩短研发周期，并保证产品质量。在这样的背景下，自动铆接机的运动学仿真对于铆接的稳定高效生产具有重要的意义。
1.5.2　研究内容说明书的主要内容及章节安排如下；
第1章：绪论，主要介绍了课题的来源和研究背景，以及国内外自动钻铆仿真技术发展现状。
4 I7 \. ~% X5 i! g1 Z6 O: F& a" {# Z第2章：自动钻铆机钻铆部分的设计，本章阐述了自动钻铆机的组成和工作原理,确定了铆钉的型号和尺寸，设计了专用的复合钻和选取了电机主轴，并对钻铆的主要工序做了DMU(运动机构)分析。
  [" ^% ?) L. T; m% ?" W第3章：干涉配合铆接，本章分别对干涉配合铆接的产生和实质、干涉配合铆接的几种方法以及干涉量和疲劳寿命的关系做了介绍。
第4章：干涉配合对疲劳寿命的影响，本章主要对干涉配合对疲劳寿命的影响做了介绍，并利用ANSYS有限元分析软件做了干涉配合铆接的模拟实验和分析。
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2　自动钻铆机钻铆部分的设计2.1　
4 g& K: r2 g# c! ~5 l自动铆接机简介大多数自动铆接机的床身是弓臂式的。铆接普通铆钉和无头铆钉的弓臂式自动铆接机典型结构如图2.1所示。铆接机分上动力头、下动力头、床身和自动送钉装置四部分。上动力头上有上压紧件和可以移动的钻锪、压铆、铣切三个工作头（铆接有头铆钉时可不用铣平工作头），下动力头是可以升降的下铆模和下压紧件。动力头的压铆力决定了能铆接的材料和直径。弓臂钳口尺寸（喉深和喉高）决定了能铆板件的宽度和曲度［11］。
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钻铆部分是自动钻铆机的核心所在，它直接影响着钻铆机的各项性能。因此，该部分的设计更是整个设计中的重中之重。

2.1.1　自动铆接机各部分结构

(1)钻削工作头。采用可调速的液压马达或直流电机驱动钻轴，转速范围为0～6000r/min，用无机调速，送进量也可以调节，以适应不同材料的工件和不同的孔径。本文采用的是复合钻，如图2.4所示。

(2)铣平工作头。用无头铆钉铆接成埋头铆钉时，钉头的多余材料要铣掉，使其与蒙皮表面平齐，常用的是端面铣。本文用的是端面铣刀，如图2.5所示。

(3)上、下压铆工作头。上压铆头的作用是把铆钉夹中的所夹持的铆钉推入铆钉孔内，上铆模使无头铆钉有合适的上外伸量，达到铆接位置时固定不动，下压铆模把送入孔内的铆钉拖住，并保持正确的位置。当下铆模向上压铆时，上铆模给铆钉以反作用力，完成压铆。对于无头铆钉，为了形成上铆钉头，工作必须随同上、下夹紧件向上浮动一段距离。上、下压铆模如图2.6所示。

(4)自动送钉装置。

2.2　铆钉的选择

因为铆接过程中有许多参数可以直接影响到铆接的质量［12］，如铆钉的材料、直径、长度等都是影响铆接质量的因素，所以，在设计铆接机本体结构之前，先确定铆钉的材料及尺寸。本文所涉及的被铆工件材料为铝合金薄板，铆钉也选择铝合金材料，采用无头铆钉。

2.2.1　铆钉的直径选择

铆钉杆直径的大小是由被铆件所承受的实际载荷决定的。然而，就金属板材的铆接(这也是铆接的主要形式)来说，铆钉杆直径与被铆件的厚度有着密切的关系［13］。当被铆件中较薄板的厚度 H<v:shape id=_x0000_i1025 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 6pt" equationxml="<5mm时，铆接直径d≈2H［14］。由于本设计被铆接件厚度均为2mm，所以铆接直径d≈4mm。

如果铆钉直径大于此值，会造成铆接困难，而且由于钉孔增大而削弱铆接部件的强度； 若铆钉直径太小， 铆接时则可能造成铆钉杆的弯曲。

2.2.2　铆钉长度的选择为防止劣质铆接，必须保证铆钉长度适宜。如果铆钉过长，在铆接过程中就会产生弯曲变形，如图2．2(a)所示。即使能够形成勉强过得去的铆钉头，铆钉也很可能被为形成铆钉头而进行的多次镦压损伤。另一方面，如果铆钉杆太短，就不可能形成完整的铆钉头，如图2．2(b)所示；而且，在铆接过程中还可能损伤被铆件，如图2．2(c)所示。

7 z- q. p& Y7 N) L6 ^

当铆钉为钢制时，铆钉长度L=1.12Σδ <v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 32.25pt; WIDTH: 18pt" equationxml=" +1.4d［14］，其中Σδ 为被联接件的总厚度，一般取Σδ ≤5d，d为铆钉直径。经计算得L=11.12mm，所以使用长为11mm的铆钉。

2.3　孔径的确定

在钻孔装置整体设计前，先确定孔的直径大小。因为影响铆接质量的除了前节所讲的铆钉尺寸外，铆钉孔直径大小也会影响铆接质量。

铆钉在钉孔中不能太松。钉孔直径一般不能比铆钉直径大约7％。如果间隙过大，即使形成了外观良好的铆钉头，孔内的铆钉杆部分任然可能是弯曲的(如图2．3所示)，致使铆钉强度削弱。

0 p# ~: T: q6 X3 R由表可以查出，当铆钉直径d为4mm时，铆接孔径<v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 12pt" equationxml=" 应为4.1mm。
; H, V2 [' d, o6 D
2.4　钻孔设计

钻孔是实现铆接的基础，它完成了铆接的定位工作，与铆接有着同样的重要性。

2.4.1　复合钻的设计（钻孔和锪窝）为了完成同时完成钻孔和锪窝两个工序，本文设计了图示的复合钻，在钻完孔的同时可以完成锪窝，如图2.4所示。
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1 K" l. v& R% g, g2 L8 d" w2.5　铆接过程的DMU（运动机构）分析

自动铆接是工件在铆接机上，自动完成包括夹紧工件、钻孔、锪窝、送钉、压铆、铣平钉头（指无头铆钉）、松开夹紧件等一系列工序，铆接完一个铆钉自动定位至下一个铆钉位置。本文主要对其中的主要工序进行了DMU分析［15］。

（1）钻孔锪窝,如下图示:

2.6　电主轴选型

(1)电主轴的特点

传统机床主轴是由电机通过中间变速和传统装置(如皮带、齿轮、联轴节等)驱动主轴旋转而工作，这样的主轴形式成为分离式和直联式主轴(通称机械主轴) ［16］。

目前，最适合主轴高速运转的形式是电主轴。它采用无外壳电机直接驱动，电机的转子直接装配在主轴上，电机的定子则与主轴单元的外壳配合，省去了皮带轮和齿轮箱等整套中间传动环节，实现了主轴系统的零传动。与传统主轴相比，电主轴具有以下特点［17］：

①结构紧凑，机械效率高，噪声低，振动小，精度高；

②运行平稳，没有冲击，使主轴轴承寿命得到延长；

③易于实现高速化，动、静态精度高，稳定性更好；

④可在额定转速范围内实现无级变速，以适应各种工况和负载变化的要求。

(2)电主轴的选择

不同的场合需要不同参数的电主轴。电主轴的基本参数和主要规格包括：套简直径、

最高转速、输出功率、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。一般电主轴型号中含有套简直径、最高转速和输出功率三个参数。

选用电主轴的计算流程图见图2.8所示。
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其中n为电主轴转速(r/min)，Vc为切削速度(m/rain)，d为刀具半径，Q为材料切除量(<v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 24.75pt" equationxml=" mm3/rain)，r为工件孔半径(m)，Pc为有效功率(KW)，K为每千瓦材料切除量(mm3／KW．rain)：结构钢为10000-15000，合金钢为5000～8000，铸铁为15000-30000，铸钢为10000～15000，铝合金为60000～70000。

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根据计算得出的数据，选择IBAG公司生产的HF45型号的电主轴。其功率与转速的关系图如图2.9所示。
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其中<v:shape id=_x0000_i1026 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S1 为在电动机的100％运转时间内，负载是连续不变的；<v:shape id=_x0000_i1028 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml=" 为在电动机运转时间内，负载是断续的，即在每个2min的周期内，60％的时间承受负载，另40％时间为空载，这种电动机运行方式称为<v:shape id=_x0000_i1030 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S6 电主轴应用在机床上时，负载是断续的(当工序之间进行定位、返程、换刀等动作时，机床加工过程将短时停顿)，应按<v:shape id=_x0000_i1032 style="HEIGHT: 15.75pt; WIDTH: 10.5pt" equationxml="S6 来选定功率较为经济。

3　干涉配合铆接

3.1　干涉配合铆接的产生和实质

迄今为止，国内各机种上(包括新机)，铆接结构所占的比重依然最大。铆接结构的疲劳寿命与铆接工艺有关。我国目前最普遍使用的铆接工艺仍是沿用苏联五六十年代的传统方法(即普通铆接)，它适用于过去机种单纯保证铆接接头静强度的设计，但不能满足在高疲劳区使用的要求。要提高铆接结构的疲劳强度，必须改进铆接工艺，一种简单而有效的方法是干涉配台铆接。

干涉配合铆接的实质是在铆钉与钉孔之间存在一定的干涉量，从而在孔周围引起适量的残余压应力场。当铆接接头承受外界交变载荷时，该残余压应力场使孔边实际所受的应力幅值降低，从而提高该铆接接头的疲劳寿命［11］。干涉配合铆接的方法很多，以下三种比较容易在生产中得到推广应用。

3.2　干涉配合铆接的方法

   方法I：

利用工厂现有标准铆钉直接进行干涉配台铆接，如图3.1所示。这种方法与普通铆接的区别在于：

(1)干涉配合铆接要求钉与孔在铆接前的配合间隙较普通铆接的小．因而其制孔直径也比较小(见表3.1)。

表3.1  两种铆接间隙对比

铆钉公称直径 d ( X4 X$ _7 `: X1 D; Q	普通铆接制孔直径D		干涉铆接制孔直径D
	基本尺寸	极限偏差	基本尺寸	极限偏差
3	3.1	+0.01	3.08	+0.080
3.5	3.6		3.58
4	4.1	+0.150	4.08
5	5.1		5.08
6	6.1		6.08

                           

(2)普通铆接使用平铆模或平顶铁，铆出的镦头呈鼓形或扁圆柱形；而标准铆钉的干涉配台铆接必须使用凹铆模才能将外伸量中的部分材料挤入孔内形成干涉量。所以镦头形状呈锥台形，从镦头的形状可以鉴别出两种不同方法的产品。

(3)干涉配合铆接所用的铆钉长度应比普通铆的略短些(外伸量约为d至1.1d)，这样既可满足镦头的尺寸要求又不致铆歪而影响干涉量。

方法Ⅱ：

将现有标准铆接反插，在沉头窝一侧镦粗。如图3.2所示，这种方法在国内常被称为自封铆接或镦埋头铆接。自封铆接对孔径、铆模及钉长的要求同方法一。为了材料能够良好填充，推荐采用820×300双锥度沉头窝。如图3.3所示，其尺寸列于表3.2中。当要求外型平整时，应铣去镦头。
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表3.2  两锥度沉头窝的相关尺寸

铆钉直径d	E=0.l	（参考）
3.5	4.9	1.3	1.0
4	5.6	1.6	1.0
5	7.0	2.0	1.3
6	8.4	2.4	1.3

方法Ⅲ：

    用冠状铆钉进行铆接。冠状铆钉是一种带补偿头的特殊沉头铆钉，如图3-4，铆接后冠头部分(图中阴影区)的材料将被打平而转化成干涉量。在薄板结构(6≤12d)上铆接冠状铆钉的工艺最简单，除制孔尺寸(见表3.1)外，几乎与普通沉头铆接毫无区别。因此从外观上很难区别出该两种不同方法铆接的产品。当结构的叠层厚度超过1.2d时，单靠冠头部分的材料已不能满足规定干涉量的需要，必须使用凹铆模。

方法I通常是用平锥头铆钉在内部结构上铆接。由于这种方法可能引起较大的结构变形，故在外蒙皮部位铆接时推荐采用方法Ⅱ(用于厚叠层结构)和方法Ⅲ(用于薄叠层结构)。

干涉配合铆接相对干普通铆接的疲劳寿命增加也随应力水平不同而不同，一般是应力水平越低，疲劳寿命增也越高(见表3.3)，故干涉配合铆接在中等及中等以下应力水平的情况下使用。

表3.3  干涉配合铆接与普通铆接的疲劳寿命对比

应力比R	应力水平		铆接方法	疲劳寿命N（次）	寿命增益B
	K	S（Mpa）
0.06	0.3	105	A 普通铆接B 干涉铆接	88215350359	3.97
	0.4	137	A 普通铆接B 干涉铆接	2721994970	3.49
	0.5	171	A 普通铆接B 干涉铆接	1257355913	4.45
	0.67	229	A 普通铆接B 干涉铆接	9581682	1.76
0.05	0.4	137	A 普通铆接B 干涉铆接	105313465287	4.4
	0.5	171	A 普通铆接B 干涉铆接	37780123660	3.27
	0.67	229	A 普通铆接B 干涉铆接	562810484	1.86

其中，二者在存活率95%、置信度95%条件下的疲劳寿命的对比，B=NB／NA，其中，NA为普通铆接试件寿命，NB为干涉铆接试件寿命。

对于紧固件连接，孔壁冷挤压也是一项很好的强化措施，但对铆接结构而言，似乎不如用干涉配合铆接方法简便。拆后重铆的试件，其钉头抗拉脱疲劳性能较新试件的要高出很多，主要原因是由于沉头窝相当于经过了一次冷挤压。采用冠状铆钉铆接，其钉头抗拉脱疲劳性能还要高出许多。

由上述可见，干涉配合铆接结构有明显的疲劳寿命增益效果，而且工艺简单，成本低廉，是一项值得推广的强化技术。[19]

3.3　干涉量和疲劳寿命的关系

3.3.1　干涉配合和疲劳寿命

    最初，飞机结构设计是在静强度理论下进行的，飞机结构疲劳破坏并没有引起人们足够的重视在40-50年代多由于起由于因疲劳破坏引起飞机失事重大事故的发生，使人们开始对飞机的疲劳寿命重视起来。经对打捞起来的飞机残骸进行分析，发现有些事故是由于铆钉孔边缘裂纹疲劳破坏所引起的。

紧固件连接不好是飞机疲劳破坏的薄弱环节。结构的疲劳破坏多数由于表面(包括孔壁)产生疲劳裂纹，使整个结构破坏。服役飞机中发现的疲劳裂纹，60％ 以上都出现在紧固件孔处。因此，必须采取工艺措施，推迟孔壁初始裂纹的出现和延缓裂纹扩展的速度， 以提高其疲劳寿命强度。用于提高疲劳寿命强度的工艺技术包括：干涉配台、渗碳、喷丸强化、孔冷挤压强化、压台衬套等。

干涉配合铆接作为一种提高疲劳寿命的连接形式，其与普通铆接相比，疲劳寿命要高2～9倍。表3.4是4种铆接工艺方法的疲劳寿命对比情况。

表3.4  铆接工艺方法的疲劳寿命对比情况

连接方法	松孔配合	干涉配合	经过压力挤压的松孔配合	压力挤压加干涉配合
疲劳寿命（循环）	11000	60000	60000	700000

3.3.2　干涉量及其控制

对于干涉配合铆接来说，合理地选用干涉量是很重要的。在参考文献[20]中图一表示出干涉量与疲劳寿命的关系。干涉量太低，没有明显的好处，通常在相对干涉量低于0.4％时，疲劳寿命没有什么提高。而干涉量太大，疲劳寿命也要降低。对不同的结构情况，提高疲劳强度的干涉量最佳值没有确切的规定，其相对干涉量可以在0.6％～3.2％ 之间变动， 常用的数值范围在1.0％～2.5％之间，达到3.6％～4.8％或者更高时， 孔壁附近过太的拉应力和应力腐蚀易产生裂纹，会降低疲劳寿命。一般来讲，采用不变形连接件(即连接件本身强度比结构材料更高)时，干涉量可以低一些。而变形连接件，例如用塑性较好的材料制的铆钉，干涉量就要大些。

干涉配合铆接与普通铆接不同点在于普通铆接只在顶头和镦头附近产生较大的干涉配合，而干涉配合铆接在铆钉全长范围内均产生干涉配合，且干涉量各处较均匀。干涉配合铆接的干涉量按下式计算：

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干涉量的检测部位如图3.6所示。各层相对干涉量范围见表3.5。

表3.5  各层相对干涉量范围

结构材料	位置代号	相对干涉量范围 （%）
LY12	E0.5	1～4
	与	1.5～4
	与	1.5～6
LC4	E0.5	0.8～3
	与	1.5～4.5
	与	1.5～6

*对于蒙皮厚度小于d的结构不进行测量

+ D0 [6 U& g) p

其中在图3.5中横坐标是疲劳寿命，纵坐标是干涉量。

控制干涉量的方法主要有：

(1) 铆钉的选择：在用于干涉配合铆接时，铆钉的选择按铆钉直径偏差为 来挑选铆钉。铆钉长度应根据结构厚度和干涉量确定。

铆钉长度按下列经验公式计算：

锪窝的：L =S+(1.0～1.1)d(见图3.7)

不锪窝的：L = S+ (1.1～1.2)d

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（2） 铆钉孔直径、偏差和铰孔按干涉量大小来控制。

（3） 干涉配合铆接所需要的铆接力和变形功比普通铆接的要大。

（4）如用压铆机进行铆接，除压铆力有要求外，还应对铆模形状及铆模的闭合高度作出规定。

（5） 铆钉孔必须进行铰孔，一般留0.2毫米的铰孔余量，优先采用单个压铆法，如果结构开敞不好，可采用锤铆。

4　仿真干涉配合对疲劳寿命的影响4.1　产生疲劳的原因

铆接时产生疲劳破坏的原因，主要是带圆孔的板件受拉时，沿X-X轴的孔的边缘产生很大的应力集中，如图4.1所示，在交变载荷作用下，使孔边缘上的细小裂纹逐渐扩大而引起疲劳破坏。
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干涉配合之所以能提高疲劳寿命，主要是由于在板件上孔的周围有较大的径向预压应力，在交变载荷作用下，使孔边缘应力变化的幅度显著降低，推迟了疲劳裂纹的产生，从而提高了疲劳寿命。

4.2　测试疲劳寿命的有限元模拟实验

用有限元方法分析时，可算出没有干涉量时，在拉伸载荷作用下孔周围的应力分布，以及在没有外载荷时，单纯由于干涉配合的预应力在孔周围产生的应力分布。然后将两种应力叠加，计算出所有网格节点的应力。

4.2.1  只在外载荷作用下

原始数据：厚度t=2mm，长l=100mm，宽w=60mm的板，中心有直径d=4.1mm的圆孔，在水平方向受到均匀拉力p =100Mpa的作用。已知弹性模量E=207Gpa，泊松比μ=0.3。

（1）  理论解

对于椭圆孔应力集中问题需要使用复变函数方法，求出含孔弹性体的应力分布。圆孔孔边的应力集中问题，则可以较简单地用在极坐标系下半逆解法获得

根据参考文献[21]的计算结果，以孔的中心为坐标原点，沿着水平拉力方向为x轴，可以得到孔边的应力计算公式，齐尔西解答：
9 y9 |6 P2 R& k% T- P" ~) ~

由此可以看出，随着θ的变化，环向应力的值分别取以下值。

θ	0°	30°	45°	60°	90°
	-q	0	q	2q	3q

沿着θ=90°的y轴方向，环向应力的变化规律是：

r	a	2a	3a	4a
	3q	1.22q	1.07q	1.04q

可见，应力随着远离孔边而急剧趋近于q。从这些特征的应力值可以看出，最大应力出现在孔边沿着90°方向的位置，即孔的上下内边缘，最大应力达到3q。

(2)ANSYS分析

在参考文献[22]中介绍了飞机机翼疲劳断裂过程的有限元分析，第一，机翼疲劳裂纹扩展的分析；第二，疲劳断裂过程有限元模拟的几种方法；第三，疲劳断裂的有限元模拟结果及分析。参考以上实验过程，现在用ANSYS软件对本次试件进行模拟实验[23]，对板件进行网格划分，施加压力，最后求解。

用有限元法分析铆接接头的应力分布时，有限元的网格如图4.2所示，由于轴向对称，只需去1/4。

+ K* e" o7 l2 T3 [# D6 }! A

施加载荷后进行求解，得到以下结果。
0 b! q$ g$ u' ^+ x  T

/ Q6 C6 L" P7 y, N6 M1 v) U

4.2.2　只在预应力作用下

原始数据：厚度t=2mm，长l=100mm,宽60mm的板，中心有直径d=4.1mm的圆孔。已知弹性模量E=207Gpa，泊松比μ=0.3。另有无头铆钉，直径D=4mm,长11mm。

由于方板中圆孔的半径比铆钉的半径要小，所以在无头铆钉装配到方板时，无头铆钉和方板圆孔内都会产生装配预应力。
2 D7 l/ [, Z  X; l" V0 |+ F$ f

/ c( m% e- g1 t0 |. |2 ^. z; k1 m

4.3　实验结果与分析

实验证明有限元法计算的结果是正确的。只在外载荷作用下，在X轴上孔边缘的切向应力的变化幅度为外载荷p的二倍多，将近三倍，这与用弹性理论计算的结果基本符合。而只受预应力作用下，在X轴上孔边缘处的切向拉应力的变化幅度仅为外载荷的一半左右。后一种实验与前者相比较，就充分说明了由于存在干涉配合的预应力，在外载荷作用下，使X轴上孔边缘处正应力的最大值及变化幅度，都产生了大幅度的下降。

这是由于有干涉配合时，在外载荷的作用下，在钉和孔的接粗面产生了较大的摩擦力，摩擦力承担了一部分外载荷；此外，还由于干涉配合在孔边缘处产生预应力，也会使孔边缘处切向啦应力 的最大值及其变化幅度显著降低。因此，推迟了初始裂纹的产生，降低了裂纹的发展速度，提高了疲劳寿命。

干涉量的大小，对于疲劳寿命有很大的影响，干涉量过大或过小都不利。最佳的干涉量应达到：第一，使应力的变化幅度减小到最小，同时减小平均应力；第二，由于干涉量产生的预应力，不会引起结构变形；第三，预应力小于产生应力腐蚀的临界值；第四，干涉量大于孔切削刀痕的深度。[11]

4.4　影响干涉量的因素

    无头铆钉铆接后所获得的干涉量的大小和均匀程度，与以下工艺参数有关：

(1)铆接前钉与孔的间隙和埋头窝深度。这二者都影响压铆时填充金属的多少，从而影响到干涉量的大小。钉和孔间隙范围，决定于无头铆钉和钉空的公差，要求比普通铆接为严，规定孔径公差为 ，铆钉直径为正公差，+0.05mm，因此钉杆与孔的间隙为0.03～0.15mm。实验证明，当间隙超过0.25mm时，就不易形成干涉配合，间隙过小，铆钉时装铆钉困难。

虽然埋头窝的形状是由钻锪刀具决定的，但是埋头窝深度h值，则和钻锪 头行程有关。若埋头深度增大，在同样钉杆长度的前提下，干涉量就减小。

(2)铆接前铆钉的外伸量。决定于铆钉的长度，它对于形成的干涉量影响较大。理想的外伸量，将其折合成体积，应略大于图4.13中所示凸出部分1、埋头窝2、间隙3以及墩头4四部分体积的总和，图中所示H1、H2值如果太小，则不足以形成所要求的顶头和墩头，同时得不到预期的干涉量。增大外伸量，会使干涉量变大。

(3)铆模形状。干涉配合的铆接，不宜用平铆模。用凹铆模可以限制钉杆材料横向流动。凹铆模边上的法向分力，可以强迫钉杆材料向钉空内流动，有利于形成较均匀的干涉配合。铆模底部直径越接近于铆钉直径，效果也越明显。

影响干涉量的还有压铆力、压铆时铆模的闭合高度（即铆接后铆钉上表面和墩头下表面之间形成的高度H，见图4.13）。调整H值，可以达到不同的干涉量。

另外，干涉配合的无头铆钉铆接，要求钉空表面粗糙度低于普通铆接，规定为Ra3.20，孔壁容许的划伤深度为0.04mm，在接近零件表面处，不允许有划伤，这些划伤虽然不影响干涉量，但裂纹会降低疲劳寿命和气密性能[11]。

参 考 文 献

[1]　殷俊清,王仲奇,康永刚等.仿真技术在飞机自动钻铆中的应用[J].航空制造技术,2009,(24):84-87.

[2]　王仲奇,殷俊清,康永刚等.飞机自动钻铆仿真技术[J].航空制造技术,2008,(20):44-47.

[3]　冯潼能,王黎明,初爱国等.基于CATIA V5的自动钻铆相工艺过程仿真[J].航空制造技术,2009,(21):45-47.

[4]　楼阿莉.国内外自动钻铆技术的发展现状及应用[J].航空制造技术,2005,(6):50-52.

[5]　Hsing-Ling Wang，Shia-Chung Chen. Simulation and Verification of the Drop Test of 3C Products[R]. Michigan-Dearborn：8International LS-DYNA Users Conference, 2004.

[6] Billy Kelly，Colm Costello．FEA modelling of setting and mechanicahesting of aluminum blind rivets．Materials Processing Technology，2004：153-154，74-79．

[7]　Blanchot V，Daidie A，Riveted assembly model ing study and numerical

characterisation of a riveting process[J]．Journal of Materials Processing Technoloty，2006，18(1—3)：201—209

[8]　刘斌,刘轶娅,韩亚平等.CATIA运动仿真在汽车设计中的应用[J].上海汽车,2006,(7):32-34,43.

[9]　杨静,郑国磊.飞机装配仿真中数字人模型及工人姿态的模拟[J].机械工程与自动化,2005,(4):15-18.

[10]　黄兴辉，童秉枢，盂祥生.装配仿真技术的研究和实现 2000(20).

[11]　中北大学机电工程学院.飞机装配工艺学：60～106

[12] Yu Tong，Lina Qu．Recent Patents in Riveting and Applications[J]．Recent Patents

on Mechanical Engineering，2009(11)，V01．3 No．3：220—227

[13]　Branko．Sarh．Assembly techniques for space vehicles．SAE，2000一Ol一3028

[14]　成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2004

[15]　杨超云.基于CATIAV5的零件参数化设计及运动仿真[J].汽车零部件，2011，（6）：55-58.

[16]　严道发．电主轴技术综述[J]．机械研究与应用，2006(12)，V01．19 No．6:1-3.

[17]　吴武辉．球齿轮数控磨齿机结构设计与分析[D]．湖南：国防科学技术大学机械工程，2007

[18]　周延，李中行．电主轴的电动机及其驱动模块[J]．制造技术与机床，2003(9)：86-87

[19]　沈忆玉.干涉配合铆接.维普资讯.1992.12：19～20

[20]　杨亚文，李永策，段宝.干涉铆接及其新的成形方法.沈阳航空工业学院学报，1999.12，16（4）19～22

[21]　徐芝纶.弹性力学（第三版）上册.北京：高等教育出版，1999

[22]　高东宇，林日新. 飞机机翼疲劳断裂过程的有限元分析.哈尔滨理工大学学

[23]　邢静忠.ANSYS应用实例与分析.北京：科学出版社，2006

[24]　尚晓江，邱峰，赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用（第二版）.中国水利水电出版社，2008

风声柳林

比我的开题报告写的详细多了