基于超声振动辅助铆接技术研究.pdf

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2016年1月机械设计与制造工程Jan．2016第45卷第1期MachineDesignandManufacturingEngineeringV01．45No．1DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2016．01．016基于超声振动辅助铆接技术研究黄志祥，陈文亮，林美安，潘荣华(1．南京航空航天大学中小型无人机先进技术工业和信息化部重点实验室，江苏南京210016)(2．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)摘要：针对无人机中铆钉连接难成形问题，提出超声振动辅助铆接技术。通过仿真与试验结合的分析方法，进行了超声振动对铆接压力和干涉量影响的研究。结果表明，超声振动技术能有效降低铆接压力约20％，随着铆接速率的增加，超声振动降低铆接压力的效果逐渐弱化；超声振动辅助铆接技术可以获得较大且分布更均匀的干涉量，提高了铆接件的疲劳寿命。关键词：超声振动；铆接压力；干涉量中图分类号：V262文献标志码：A文章编号：2095—509X(2016)01—0070—04战场上对高机动性、零伤亡率等的追求ll]，本文通过将超声振动装置引入到铆接工艺中，为无人机的发展提供了契机。无人机已从靶机、侦采用试验与工艺仿真相结合的方法，研究分析超声察机等单一用途向察打一体、多任务设备融合发振动对铆接过程中铆接压力和干涉量分布的影响。展L3J。从美国的全球鹰、X一47B、捕食者到中国的翼龙、彩虹一4等，无一不具有高机动、大过载、长1材料、设备与方法航时、高隐身等特点。为满足这些要求，无人机机1．1材料体结构中大量使用碳纤维复合材料和钛合金材选用牌号为NAS1097U5—6的沉头100。钛合料-6J，包括机身、机翼、尾翼、框和长桁等零部件，金铆钉，其材料为Ti一45Nb，尺寸为西4mm×使得钛合金铆钉在无人机制造过程中得到广泛应9．6mm。被铆材料为航空用铝2024—1r3，单件厚度用。其次，随着无人机任务设备的增加，结构载荷为2mm，连接板制孔参数见表1。提升，需要使用大直径铆钉和钢铆钉以保证结构连表1连接板制孔参数接区域的强度和刚度。这些新材料新结构的出现对铆接技术提出了更高的要求。传统铆接技术如压铆、锤铆等会出现复合材料分层、背部开裂或铆钉膨胀不均匀等现象，尤其在镦头形成末期，由于冷作硬化现象，铆钉材料的屈服强度将大幅度提升，塑性明显降低，铆接难以持1．2设备及方法续进行，墩头处易产生裂纹¨。电磁铆接是现有本文选用的超声振动系统由超声波发生器、换的进行钛合金铆钉连接的工艺方法，通过高应变率能器、变幅杆和工具头4部分组成，其工作频率为下材料绝热剪切变形形成墩头，该技术对铆钉成形20kHz、功率为1．5kW、工具头端部振幅为201xm。速率要求较高，铆钉头部易出现剪切区，甚至剪切依据超声工具头在铆接过程中是否有高频振动，分破坏。。超声振动是一种通过高频振动能量改变为常规铆接和超声振动辅助铆接。以铆钉镦头压材料位错滑移机制、改善材料塑性、提高塑性极限缩量为控制变量，分析超声振动对铆接压力的影的加工方法，能有效改善材料表面加工质量，抑制响，并对压缩量为1．2，1．8，2．4，3．0mm时仿真与裂纹的产生，已被广泛用于金属切削、镦粗、拉伸和试验铆接压力的误差进行比较；通过仿真平台，研冲压等成形过程中。究不同铆接速率下超声振动对铆接压力的影响，得收稿日期：2015—11—03作者简介：黄志祥(1986一)，男，江苏南通人，南京航空航天大学助理工程师，主要研究方向为无人飞行器制造技术。·70· 2016年第1期黄志祥：基于超声振动辅助铆接技术研究123(连接板界面位置)d5(a)影像测量仪投影图(b)干涉量测量位置分布图5钉杆轮廓分布均值为1．074％，超声辅助铆接干涉量分布均[2]林玉琛，金孟江．无人机将成为压制防空作战的有效武器[J]．现代防御技术，2001，29(1)：1—7．值为1．611％，在相同镦头高度下，超声振动辅助[3]朱家强，谭健美，李清．无人机——信息化作战时代的“尖兵铆接能使铆钉变形更充分、更均匀。根据干涉量对之翼”[J]．航空制造技术，2011(19)：34—37．铆接疲劳寿命影响分析，干涉量在0—3％之间时，[4]唐见茂．航空航天复合材料发展现状及前景[J]．航天器环疲劳寿命随着干涉量的增加不断增加，因此超声振境工程，2013，30(4)：352—359．动辅助铆接在相同镦头高度下能获得更好的铆接[5]丁玲．全复合材料无人机机翼结构优化设计[D]．长春：中质量。国科学l完大学长春光学精密机械与物理研究所，2014．[6]陈绍杰．无人机上复合材料的应用与研究[J]．飞机设计，2003(12)：31—33．3结束语[7]曹增强．应对我国大飞机研制的装配连接技术[J]．航空制造本文在传统铆接工艺中引入超声振动装置，通技术，2009(2)：88—91．过仿真结合试验，可知超声振动技术能降低铆接压[8]邓将华，李春峰，予海平，等．电磁铆接技术[J]．锻压技术，2o1O，35(3)：l一6．力20％左右，但随着铆接速率的提高，其降低效果[9]HUANGZH，MargaretLucas，MichaelJAdams．Influenceof将逐渐减弱；超声振动辅助铆接能提高铆接结构的ultrasonicsonupsettingofamodelpaste[J]．Ultrasonics，2002，干涉量数值并改善干涉量分布，对提高结构件的疲加：43—48．劳强度有益。[10]AmirSiddiq，TamerE1Sayod．Ultrasonic—assistedmanufaetur-ingprocesses：Variationalmodelandnumericalsimulations[J]．Ultrasonics，2012，52：521—529．参考文献：【11]温彤，陈霞．超声振动对轻合金塑性压缩变形过程的影响【1]符小卫，李建，高晓光．带通信约束的多无人机协同搜索中的[J]．机械科学与技术，2013，32(2)：221—224．目标分配[J]．航空学报，2014，35(5)：1347—1356．ResearchonrivetingtechnologyassistedbytheultrasonicvibrationHUANGZhixiang，CHENWenliang2LINMeian，PANRonghHa，(1．KeyLaboratoryofUnmannedAerialVehicleTechnologyofMinistryofIndustryandInformationTechnology，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，JiangsuNanjing，210016，China)(2．CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，JiangsuNanjing，210016，China)Abstract：Inordertosolvetheconnectionproblemofrivetswhicharedificulttobeformedinunmannedaerialvehicles(UAV)，itaidstheultrasonicvibrationtorivetingtechnology．Combiningwithexperimentalandsimula-tion，itanalyzestheimpactontherivetingforceandinterferenceaidedintheultrasonicvibrationcondition．Theresultshowsthattheultrasonicvibrationcansignificantlyreducerivetingforceby20％．andweakenstheefectgraduallywiththecontinuousincreaseofrivetingrate．Alsothetechnologycanobtainlargerandmoreevenlydis．tributionofrivetinginterfefence，andimprovethefatiguelifeofstructure．Keywords：ultrasonicvibration；rivbfingforce：interference·73·