基于超声振动辅助铆接技术研究

                                             黄志祥1，陈文亮2，林美安1，潘荣华1
                     (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)
    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。


    战场上对高机动性、零伤亡率等的追求［1-2］，为无人机的发展提供了契机。无人机已从靶机、侦察机等单一用途向察打一体、多任务设备融合发展［3］。从美国的全球鹰、X-47B、捕食者到中国的翼龙、彩虹-4等，无一不具有高机动、大过载、长航时、高隐身等特点。为满足这些要求，无人机机体结构中大量使用碳纤维复合材料和钛合金材料［4-6］，包括机身、机翼、尾翼、框和长桁等零部件，使得钛合金铆钉在无人机制造过程中得到广泛应用。其次，随着无人机任务设备的增加，结构载荷提升，需要使用大直径铆钉和钢铆钉以保证结构连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，铆接难以持续进行，墩头处易产生裂纹［7］。电磁铆接是现有的进行钛合金铆钉连接的工艺方法，通过高应变率下材料绝热剪切变形形成墩头，该技术对铆钉成形速率要求较高，铆钉头部易出现剪切区，甚至剪切破坏［8］。超声振动是一种通过高频振动能量改变材料位错滑移机制、改善材料塑性、提高塑性极限的加工方法，能有效改善材料表面加工质量，抑制裂纹的产生，已被广泛用于金属切削、镦粗、拉伸和冲压等成形过程中［9-11］。
本文通过将超声振动装置引入到铆接工艺中，采用试验与工艺仿真相结合的方法，研究分析超声振动对铆接过程中铆接压力和干涉量分布的影响。

1〓材料、设备与方法
1.1〓材料
    选用牌号为NAS1097U5-6的沉头100°钛合金铆钉，其材料为Ti-45Nb，尺寸为4mm×9.6mm。被铆材料为航空用铝2024-T3，单件厚度为2mm，连接板制孔参数见表1。

表1〓连接板制孔参数
〖HT6SS〗〖BG(!〗〖BHDFG5,WK7,WK20W〗
刀具规格
〖〗〖ZB(〗〖BHDG2,WK20W〗制孔参数〖BHDG3,WK6,WK7。2W〗
〖1〗〖HJ*8〗孔径/mm〖〗转速/(r·min-1)〖〗进给量/(mm·min-1)〖ZB)〗
〖BHDWG2,WK7,WK6,WK7。2W〗A1148-NO21〖〗4.05±0.15〖〗6 000〖〗200〖HJ〗
〖BG)F〗〖HT7〗〖HT5〗〖HJ〗

1.2〓设备及方法〖HT5SS〗〖STBZ〗
    本文选用的超声振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头4部分组成，其工作频率为20kHz、功率为1.5kW、工具头端部振幅为20μm。依据超声工具头在铆接过程中是否有高频振动，分为常规铆接和超声振动辅助铆接。以铆钉镦头压缩量为控制变量，分析超声振动对铆接压力的影响，并对压缩量为1.2,1.8,2.4,3.0mm时仿真与试验铆接压力的误差进行比较；通过仿真平台，研究不同铆接速率下超声振动对铆接压力的影响，得.....

作者简介：〖HTSS〗黄志祥（1986—），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。



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