[发明专利]一种超声振动辅助铆接方法及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声振动辅助铆接方法及其应用方法，属于航空、航天工程制造，即金属塑性变形技术和材料连接技术的交叉领域。

背景技术

整体化飞机结构难以利用现有板料成形技术进行生产制造，板料连接技术仍是大型飞机结构装配制造的关键技术。其中，铆接是利用铆钉的自身塑性变形来连接板材零件，能使飞行器外表面相对光滑，减小飞行阻力，因此广泛应用在航空航天工程制造领域，尤其在蒙皮与结构框架、桁条的连接。

随着航空航天制造技术的发展，现代飞行器追求轻量化和大型化的机身结构，大量使用钛合金、复合材料等高比强度和比刚度的新型材料。这就要求选用与机身结构力学性能相当而且与复合材料相容性好的钛合金材料的铆钉，已广泛应用在大型客机和新型战机的壁板和机翼等高载荷承载部件的连接中。其次，随着大型飞机和长射程火箭对结构承载能力的要求提高，越来越多地使用大直径(≥6mm)高强度钛合金铆钉以提高铆接件的连接强度。此外，飞机铆接件的负载能力和安全服役性能还取决于铆接技术。飞机结构连接孔处由于形状突变，易产生较大的应力集中和微裂纹，是飞机发生疲劳失稳的主要位置，约占疲劳破坏的60％-85％，严重影响飞机的安全稳定飞行。通过在铆钉杆和钉孔间产生合理的干涉配合，对孔壁形成适宜的残余压应力层，能够减小局部应力集中，提高铆接质量和接头力学性能，是提高结构疲劳寿命最有效的途径之一，被广泛应用于飞机装配中。

飞机制造领域传统的铆接工艺有锤铆和压铆。锤铆工艺通过铆枪多次锤击铆钉，铆钉的变形由镦头端逐渐向钉头端转移，钉杆膨胀不均匀，后坐力和噪声大，而且冲击波会作用于飞机被连接件上，易造成被连接件损伤破坏，严重影响飞机结构性能和安全飞行。压铆工艺利用压铆机静压力镦粗铆钉杆形成镦头，铆接质量稳定，表面质量好，但常规压铆设备难以克服大直径钛合金铆钉的变形抗力，大功率压铆机又很难深入结构开敞性不好的部位进行铆接。此外，由于钛合金材料冷成形性能差，应变率敏感，屈强比高，在冷铆过程中易出现镦头裂纹和冲击损伤。通过热铆工艺预先加热钛合金铆钉到塑性变形温度再进行铆接，虽然能改善铆钉成形性能和成形质量，但铆钉钉杆填充钉孔质量差，易导致复合材料连接件产生安装损伤、分层等缺陷，而且铆钉冷却后干涉量变小，无法获得良好的铆接质量，从而限制了热铆工艺的使用。电磁铆接技术利用电磁能转化为机械能，形成冲击距离为零的冲击载荷，促使钛合金铆钉在高应变率下发生塑性变形完成铆接。但铆钉镦头以绝热剪切方式发生塑性变形，剪切带内应变高度集中、晶粒剧烈拉长和碎化，易发生局部失稳、产生微裂纹和剪切破坏，降低甚至丧失铆钉承载能力

此时在钛合金铆钉压铆工艺中引入超声振动可以达到减小铆接力，提高铆接质量的目的。超声振动辅助铆接技术是指在传统的压铆工艺中，在铆模或者工件上施加振动方向、频率和振幅可调的超声振动。超声振动辅助铆接技术能够能够提高金属材料的塑性变形能力、扩大金属塑性成形加工范围、降低金属流动应力、减小工件与模具之间的摩擦、获得良好的材料表面质量和尺寸精度。因此，利用超声振动辅助铆接技术完成大直径钛合金铆钉的铆接变形过程，有助于钛合金铆钉的变形，实现干涉铆接，提高铆接强度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种超声振动辅助铆接方法。

本发明还提供一种上述超声振动辅助铆接的应用方法。

本发明的技术方案如下：

一种超声振动辅助铆接方法，包括以下步骤：

步骤一、在至少两层材料板上分别设置同心通孔；

步骤二、将铆钉穿过步骤一所述的同心通孔；所述铆钉包括钉头和钉杆；

步骤三、将所述铆钉的钉头顶住，并利用超声振动对所述铆钉的钉杆的端部沿钉杆轴向压紧处理，使所述钉杆的端部形成镦头，即实现所述铆钉对所述材料板的铆接。

根据本发明优选的，所述步骤三中，所述超声振动是由超声振动辅助成形系统形成的，所述超声振动辅助成形系统包括依次连接设置的超声波发生器、超声波换能器和变幅杆。本发明通过调整超声振动参数，如振动频率和振幅，采用压铆的方式利用静压力镦粗钉杆的端部形成镦头，实现对所述材料板的干涉连接，在钉杆和同心通孔间形成干涉配合。

根据本发明优选的，所述变幅杆通过铆模与所述钉杆的端部接触。

根据本发明优选的，利用顶铁将所述钉头顶住。如附图5所示，将顶铁置于所述钉头一侧并相互接触，将铆模与铆钉钉杆的端部接触，并保证顶铁、铆模、所述超声振动系统处于同一直线上。

根据本发明优选的，设置在不同层材料板上所述同心通孔的直径相同。