机壁板零件装配中铆接变形分析

机壁板零件装配中铆接变形分析

李鹏

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：壁板是构成飞机气动外形的重要组件，提高其外形装配精度对保证飞机的飞行性能至关重要。飞机的壁板零件的装配中会使用自动铆接设备，同时该设备也是飞机生产中一个重要的设备，由于在铆接过程中，壁板零件非常薄，铆接过程中会出现变形现象。本文研究飞机壁板零件的铆接技术，通过分析变形的因素，计算壁板之间的干涉量，最终使壁板铆接合格。

关键词：铆接技术；变形分析；干涉量计算

一、慨况

由于飞机结构件多用薄壁结构，在装配过程由于受到连接力、强迫装配极易导致装配变形，从而产生装配变形误差和装配残余应力，给产品的精准装配和装配寿命带来了巨大的挑战．飞机机体结构的装配变形主要包括连接过程所产生的变形和强迫装配所产生的变形。由于飞机结构设计、工艺维修和检查的需要，机械连接不可缺少。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。传统装配过程中造成的变形，不仅在装配体中留下残余应力和挤压裂纹，而且增加连接结构的脆性，降低飞机的疲劳寿命，严重影响产品的装配性能和使用寿命。壁板结构因具有质量轻、承载效率高等优点而广泛地应用于飞机结构制造中。壁板也是保证飞机气动外形的重要组件，提高其外形装配精度对保证飞行性能具有重要作用。壁板装配主要采用铆接或螺接，由于其组成零件（蒙皮和长桁）壁薄、尺寸大、刚度小，导致壁板在铆接过程中易产生装配变形，严重影响飞机的外形装配精度和疲劳寿命。为提高壁板的铆接效率、铆接质量及稳定性，以自动钻铆系统为代表的自动化连接设备因铆接工艺参数可控，逐步取代了传统的人工铆接。壁板压铆时，铆钉受到沿钉杆轴向的压铆力，使钉孔外钉杆部分发生镦粗变形，形成镦头；钉孔内钉杆部分产生不均匀膨胀变形，并挤压孔壁形成不均匀分布的干涉量。壁板在镦头挤压和钉孔不均匀膨胀的作用下，不可避免地产生局部变形。壁板装配一般涉及成百上千个铆钉的安装，大量单钉铆接产生的局部变形，随自动钻铆过程不断进行传递、耦合，影响了壁板的外形装配精度。保障飞机外形装配精度也是新一代飞行器研制的重要内容，因此，开展壁板铆接变形分析对提高壁板装配精度具有一定指导意义。

铆接技术

飞机的装配过程是一个非常系统和逻辑性非常强的过程，飞机装配工序的劳动量占比非常大，装配中铆接技术的使用也是非常频繁的，飞机外形壁板零件都是依靠铆接进行连接的，飞机铆接中通过铆钉的塑性变形可以将结构件牢牢地进行连接，不会产生脱落的现象。飞机铆接是一个不可逆的动作，同时在飞机的加工中也是非常传统的工艺，质量非常稳定、生产操作方便。铆接工艺主要的流程为对壁板零件进行定位加紧，将加紧的零件进行打孔，孔完成之后进行制埋头窝，然后对孔进行毛刺处理，放铆钉进行铆接。

三、变形分析

3.1铆接变形原理。铆接过程，实际上就是在受外力作用下，铆钉头形成镦头的过程。由于受到外力作用，铆钉发生塑性形变，铆钉杆膨胀、变粗，这种膨胀对孔径产生压力，使得孔径扩张。铆钉头形成镦头的过程，对铆接完成后的铆接件的形变以及铆接结构的疲劳性能等都有很大影响。因此为了研究铆接后铆接件中的残余应力状况和连接件的变形状态，先研究铆接的过程和铆钉头成形豹基本机理。铆钉头形成镦头的过程，也可以说是金属塑性成形的过程。

3.2铆接变形分析。在铆接外力的作用下，铆钉发生塑性形变，铆钉杆膨胀、变粗，这种膨胀对孔径产生径向压力，使得孔径扩张。在镦头形成过程中，对于板不同方向的应力作用造成的铆接件变形主要表现在两个方面：一方面是铆接处铆接件的局部下陷；另一方面是铆接件的径向伸长。(1)板件的局部受力可能造成两种方式的变形：一种是铆接件的向下凹陷，如图1所示f竭；另一种是两个铆钉之间板材的间隙。铆接件的下陷不仅使铆接结构变得具有脆性，而且使得表层曲面的连续性、光滑性受到影响。铆接件由于孔径扩张产生的局部变形，在铆接件中留下了残余应力和挤压裂纹，增加了铆接结构的脆性。铆接过程中产生的微小裂纹会影响结构的疲劳性能。(2)铆接件的径向伸长是由于受到沿Z轴方向的

压力或冲击力，铆钉镦粗产生径向应力造成的；同时，铆钉镦头对于孔径周围的板面产生Z方向的压力。因此，在铆接的夹紧工具松开后，板在XY平面上发生

延展，在Z方向上出现一定的翘曲(图2，设铆接件处于XY平面内，铆钉的轴向为Z方向)。飞机铆接是大量使用的连接方式，每一次铆接造成的微小误差在一定方向上累积。通过装配尺寸链传递给封闭环，会导致装配超差，给飞机的精准装配带来挑战。因此，研究铆接过程的应力应变分布、铆钉及铆接件的变形，对提高飞机机体结构的装配精度、进行无余量装配都有重要意义。

图1下凹

图2铆接时的坐标

四、干涉量计算

飞机壁板在铆接中，铆钉材料横向流动剧烈，同时在孔内轴向的流动会受到壁板的阻挡，主要的原因为：

4.1铆钉在孔内会受到孔壁轴向摩擦，铆钉下不会受到结构零件的阻挡，而且当铆钉与铆孔接触面积过大时，所以在铆钉进入到孔内的时候，侧面的铆接阻力很小，根据阻力的定律，在铆接中铆钉不会向下进行变形，会向横向进行变形，产生膨胀，这种膨胀的产生会连带的造成铆孔接近墩头的位置变形非常大，会产生干涉。

4.2墩头在与上板进行接触的时候，摩擦力是与中轴线相反的，这种摩擦力会将墩头的孔面产生扩张。

4.3飞机壁板铆接中铆钉在进入孔内的时候，形状为鼓形，一般情况下中心线在下层板件的上表面之上，这种情况就会使得铆钉先于孔的上部分进行接触，也会使得膨胀先从上部进行，所以孔的上部分干涉量是最大的。对飞机铆接干涉量的计算有很多种，轴向的、径向的还有平均干涉量，设平均干涉量为δa，体积的关系公式如下：Vd=Vp+Vr式中：Vd———变形前铆钉体积；Vp———墩头体积；Vr———变形后钉孔内体积。将每个体积进行公式带入，并积分处理，得到以下公式：

通过以上公式进行平均干涉量的计算。

结语：飞机的铆接过程比较复杂，壁板之间的配合精度直接影响铆接的质量，壁板铆接常见的问题就是铆接变形，在铆接的过程中，壁板之间会产生一个应力，同时在铆接中会使用成千上万的钻铆动作，会使壁板零件整体发生变形，为了能消除这个问题，在壁板铆接中通常需要对铆接的干涉量进行计算，同时还需要分析铆接变形的趋势，通过这些分析，将铆接过程中产生的变形消除，保证飞机的使用寿命。

参考文献：

[1]李斌.基于镦头不均匀变形的压铆力建模[J].航空学报,2019,37(7):2312-2320.

[2]牟如.无头铆钉压铆力数学建模与仿真分析[J].西北工业大学学报,2019,28(5):742-747.