航天錐形件半自動化電磁鉚槍研制及試驗驗證

黨成龍 張銘豪

（①中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；②西北工業大學機電學院，陜西 西安 710072）

錐形筒狀結構作為飛行器中常見的結構形式，以其飛行阻力小，容積率大，成本低，研發、制造與熱防護技術相對成熟等優勢被廣泛應用于航空、航天領域[1-2]。我國航空、航天事業的不斷發展，對錐形筒狀結構件的連接強度提出了更高的要求，尤其是結構件中強度最薄弱的連接部位成為制約其承載能力的關鍵。為了提高連接強度，越來越多的大直徑鉚釘和鈦合金等難成型材料鉚釘應用到錐形筒狀結構件裝配中，但因開敞性差、結構帶錐度、內部連接復雜等局限，大功率壓鉚機無法在錐形筒內工作，且傳統錘鉚法和針對鈦合金鉚釘的熱鉚法各自存在弊端，難以實現錐形筒狀結構件高質量鉚接[3-5]。

電磁鉚接依靠電磁沖擊力擊打鉚釘，其加載速率高，鉚釘應變率大，可在幾毫秒內產生峰值極高的應力脈沖，實現鉚釘一次成型。電磁鉚接而成的鉚釘釘頭端和鐓頭端膨脹率極為相似，釘桿與釘孔間干涉量均勻，可有效解決大直徑鉚釘干涉不均的問題[6-7]；鈦合金等難成型材料鉚釘經電磁鉚接沖擊加載后，極易在釘桿中產生絕熱剪切帶，使釘桿內部產生絕熱溫升，帶來材料軟化效應，因此電磁鉚接可以在室溫下完成鈦合金等難成型材料鉚釘的鉚接[8-9]。半自動化電磁鉚槍較手持式電磁鉚槍鉚接效率更高、殘次率更低，可為錐形筒狀結構件連接難題提供切實可行的解決方案。

1 錐形筒狀結構件鉚接難點分析

錐形體由一條母線圍繞某軸線回轉形成，其構型簡單、加工方便，飛行時阻力較小，在運載火箭、導彈等眾多飛行器設計中應用極為廣泛[10]。為便于內部結構連接與裝配，錐形筒結構件常設計為多段，連接件多鉚接在錐形面內部，待內部零部件安裝完成后再進行各段錐形筒連接[11]。因開敞性差、型號多樣、連接強度要求高等限制，錐形筒狀結構件高質量連接成為限制其發展的難題。

1.1 開敞性差

錐形筒狀結構件通常四周封閉，上下兩端或一端開口，且開口留有環形工藝臺，開敞性較差，如圖1 所示。連接件通常鉚接在錐形面內壁，鉚接時釘頭在外、鐓頭在內，因此需要電磁鉚槍伸入錐形筒狀結構件內部完成鉚接工作。錐形筒內部的連接件結構復雜，半封閉的內部環境限制了電磁鉚槍工作空間，為此用于錐形筒狀結構件的半自動化電磁鉚槍設計應緊湊。為便于鉚接定位，提高鉚接效率，應使電磁鉚槍和頂鐵軸線重合、固定。

圖1 航天錐形筒狀結構件

1.2 型號多樣

錐形筒狀結構件的型號多樣，高度、錐度均不同，半自動化電磁鉚槍應滿足所有型號錐形筒鉚接要求。當錐形筒高度較高，電磁鉚槍和頂鐵需下伸位移較大，連接電磁鉚槍和頂鐵的鉚接臂應長于錐形筒高度；當錐形筒錐度較大時，鉚接臂上端常貼近錐形筒，如圖2 所示。在鉚接后坐力作用下，長鉚接臂易振動，長時間工作后易使鉚接臂變形，影響鉚接質量，且鉚接后坐力容易使鉚接臂上端振動觸碰錐形筒，造成錐形筒損傷。因此在半自動化電磁鉚槍設計中應包含后坐力緩沖機構。

圖2 大高度、大錐度錐形筒鉚接

1.3 連接強度要求高

為滿足連接強度要求，越來越多的大直徑鋁鉚釘和鈦合金等難成型材料鉚釘應用到錐形筒與連接件的鉚接中[12]。針對大直徑鉚釘和鈦合金鉚釘，半自動化電磁鉚槍需設置高電壓增大鉚接力，以實現一次擊打成型[13]。鉚接力增大的同時，鉚接后坐力同樣增大，如何平穩、有效地實現后坐力緩沖消耗成為電磁鉚槍設計的關鍵[14]。

2 半自動化電磁鉚槍研發

電磁鉚槍和頂鐵上端通過“門”形鉚接臂連接為整體，兩者同時上下移動，配合完成錐形筒狀結構件鉚接工作，如圖3 所示。半自動化電磁鉚槍與頂鐵結構設計原理類似，結構組成較頂鐵更復雜，其包含軸線重合調整機構、緩沖機構、導向機構和剎車機構等。其中軸線重合調整機構可確保電磁鉚槍、鉚釘和頂鐵軸線重合，緩沖機構可減輕鉚接后坐力沖擊，導向機構和剎車機構分別為緩沖提供導向和支撐。

圖3 電磁鉚槍與頂鐵

2.1 軸線重合調整設計

為保證鉚接質量，避免鉚釘打偏、打斜，需確保電磁鉚槍、鉚釘和頂鐵軸線重合[15]，為此將電磁鉚槍和頂鐵的鉚接臂上端固定連接，電磁鉚槍和頂鐵的軸線設計為可調形式，如圖4 所示。與鉚接臂連接的固定板有6 個長條孔，電磁鉚槍通過螺栓與固定板連接，松動螺栓可實現電磁鉚槍軸線的左右調整；頂鐵端以同樣的設計方法實現了頂鐵軸線左右、上下的調整。電磁鉚槍和頂鐵安裝到位后，調整兩軸線重合并鎖緊螺栓，使電磁鉚槍和頂鐵軸線保持重合。鉚接時，目測保證工件外的頂鐵與鉚釘軸線重合，即可實現電磁鉚槍、鉚釘和頂鐵三軸重合。

圖4 軸線重合調整機構

2.2 鉚接執行機構設計

鉚接執行機構主要由緩沖機構、導向機構和剎車機構組成，如圖5 所示。

圖5 半自動化電磁鉚槍執行機構

緩沖機構包括滑板、液壓阻尼緩沖器、電磁鉚槍和卡箍等。鉚接時，剎車機構的抱緊氣缸通氣將滑板鎖緊固定，為電磁鉚槍緩沖提供支撐，電磁鉚槍在鉚接后坐力的作用下向后方移動，緩沖器被壓縮，鉚接后坐力產生的動能絕大部分被緩沖器消耗，小部分由回復彈簧吸收，緩沖結束后，回復彈簧中吸收的能量釋放，將電磁鉚槍推動復位。

導向機構由滑塊、導軌、導向軸、導向軸支架、滑板、直線軸承和固定環等組成，可使后坐力緩沖平穩、高效，保證緩沖器和彈簧軸向壓縮，防止緩沖卡頓。

剎車機構為緩沖器提供支持力，其包括滑板、抱緊導向軸、抱緊氣缸、抱緊鉤板、抱緊直線軸承和抱緊固定板等。通氣時，抱緊氣缸的頂桿下伸，抱緊鉤板上移，將滑板壓緊固定，為緩沖機構提供支撐。

3 鉚接后坐力計算與分析

為設計合理的緩沖機構，必須對后坐力進行測算分析。由于后坐力難以直接測得，本文通過電磁鉚槍直接擊打傳感器測得的電磁力-時間曲線推算鉚接后坐力動量值。

研究區域位于遼寧省鞍山市千山山脈西北腳下，全國較為典型的深凹露天鐵礦，已有百年的開采歷史。2017年6月，按照礦山和選礦廠位置，依地形圍繞礦區在毗鄰城區方向5 km2范圍內，設置11個樣點，分別標記為S1～S11，具體布點如圖1。采用五點取樣法采樣，每個樣點均采集0～20 cm表層土壤，去除土壤中動植物殘體、石子等雜物，充分混勻后取1 kg左右裝入自封袋，編號，密封帶回實驗室后風干，用四分法選取土樣并經粉碎研磨，過100目篩備用。

3.1 電磁力測試試驗

由于鉚模直徑小于力傳感器直徑，直接擊打力傳感器會使其受力不均，因此將剛性圓形墊板安放在鉚模和力傳感器中間，用電磁鉚槍直接擊打圓形墊板，并通過圓形墊板將力傳遞至力傳感器，如圖6 所示。電磁力測試試驗中電荷放大器采用與LC0503 傳感器配套的朗斯公司LC0601 型，信號采集系統如圖7 所示。

圖6 電磁力測試示意圖

圖7 信號采集系統

3.2 后坐力分析

試驗中從電磁力的產生到質量塊后坐是一個復雜的過程，這個過程可看作3 次碰撞。為便于分析，將初級線圈和金屬底座的整體稱為質量塊，將次級線圈、錐形放大器和鉚模等整體稱為鉚頭，m表示鉚頭的質量，M表示質量塊的質量，v0m和v0M分別表示放電后鉚頭和質量塊的初始速度，v1m表示成型碰撞后鉚頭的回彈速度，如圖8 所示。

圖8 3 次碰撞示意圖

放電時初級線圈與次級線圈在電磁斥力作用下碰撞分離，該過程可看作第一次碰撞，如圖8a 所示，由于放電前后，鉚頭和質量塊整體水平方向不受外力，其動量守恒，可得

鉚頭撞擊傳感器墊板前，其動量為mv0m，撞擊墊板作用于力傳感器時，傳感器會產生輕微的變形，產生微量電荷；撞擊完成后，鉚頭回彈，此時其動量為mv1m，mv0m與mv1m符 號相反，此過程類似鉚 接過程中成型撞擊，如圖8b 所示，由動量守恒可得

半自動化電磁鉚槍撞擊力傳感器可得電磁力-時間曲線，3 次試驗的曲線走勢類似，屬于典型的脈沖沖擊載荷，且上升沿陡峭，下降沿相對緩和，如圖9 所示。圖中0～3.5 ms 段傳感器測得值為正值，3.5 ms 后傳感器出現反彈振蕩，故出現電磁力正負變化的現象，實際電磁鉚槍對傳感器的作用力僅在0～3.5 ms 段，利用origin 計算電磁力曲線0～3.5 ms 段的積分平均值約為30 N·s，即式（2）中 ∫Fdt為30 N·s。若將力傳感器和鉚頭均視為剛體，鉚頭撞擊過程中無能量損耗，則撞擊前后鉚頭的動能大小相等，即，撞擊前后的速度大小不變，方向相反，由式（2）可計算出質量為m的鉚頭沖擊前后動量大小均為15 N·s。在實際鉚接過程中，鉚接前鉚頭的動能在鉚接過程中一部分做功用于鉚釘成型，剩余部分以鉚頭回彈動能形式存在，所以鉚頭鉚接前的動能與鉚接后動能關系為，即v0m>v1m，因此質量為m的鉚頭撞擊后動量mv1m值小于15 N·s，mv0m與mv1m總和小于30 N·s。

圖9 1 000 V 電壓下電磁力-時間曲線

經應用分析、試驗測算和針對性設計，航天錐形筒狀結構件半自動化電磁鉚槍實物如圖10 所示。為驗證其解決錐形筒狀結構件長壽命連接與裝配難題的可行性，需對其進行基本鉚接強度試驗。

圖10 半自動化電磁鉚槍

4 半自動化電磁鉚槍鉚接強度試驗

4.1 剪切試驗

在鉚接接頭中，鉚釘常承受剪切載荷，剪切破壞為鉚接結構常見破壞形式之一，主要表現為薄板受壓破壞或鉚釘被剪斷，鉚接結構所能承受的最大剪切力是衡量鉚接強度的重要指標之一。

剪切試驗件由100 mm×25 mm×2 mm 厚的兩塊2024 鋁合金薄板單搭鉚接制成，釘孔直徑為4.15 mm，偏差在±0.02 mm 以內，鉚釘選用直徑為4 mm 的鋁鉚釘，長度為9.2 mm。試件分兩組，第一組試件使用傳統氣動鉚槍鉚接制成，第二組試件使用本文半自動化電磁鉚槍制成，鉚接所用電壓為372 V，兩組各5 個試件，分別裝夾在拉伸試驗機進行剪切強度試驗，試件失效時自動停止拉伸，拉伸過程中最大拉力值即為試件最大剪切力。試驗中所有試件破壞形式均為鉚釘受剪切斷裂，剪切試件安裝及剪切破壞試件如圖11 所示，兩組試件的最大剪切力對比見表1。

表1 最大剪切力對比

圖11 剪切試驗

4.2 拉脫試驗

拉脫載荷也是鉚接結構主要的受力方式之一，鉚接結構拉脫失效常表現為鉚釘受軸向拉伸斷裂，有時也會發生薄板失效破壞，連接結構承受的最大拉脫力是衡量鉚接強度的重要指標之一。

拉脫試件采用兩薄板中間交叉單搭、單個鉚釘連接的形式，薄板材料、尺寸和鉚釘規格均與剪切試驗相同。試件分為氣動鉚接和電磁鉚接兩組，兩組試件各5 個，第一組試件為氣動鉚槍擊打成型，第二組試件為電磁鉚槍擊打成型，所用電壓為372 V。為了實現鉚釘軸向拉伸，本文設計了兩C形夾具固定拉脫試件，拉伸機工作時，兩C 形夾上下分離，試件承受軸向拉脫載荷。拉脫試驗所用拉伸機及操作步驟與剪切試驗相同，所有拉脫試件均為鉚釘鐓頭斷裂破壞，拉脫試件、夾裝方式和拉脫破壞件如圖12 所示，最大拉脫力對比見表2。

表2 最大拉脫力對比

圖12 拉脫試驗

4.3 試驗分析

由試驗結果可得，使用氣動鉚槍制成試件的平均最大剪切力和最大拉脫力分別為2.70 kN 和3.85 kN，兩組數據方差分別為8.38×10-3和3.24×10-3，而使用電磁鉚槍制成的試件最大剪切力和最大拉脫力分別為2.82 kN 和3.98 kN，兩組數據方差分別為1.04×10-3和1.74×10-3。電磁鉚接試件的最大承載能力強于氣動鉚接，且其每個試件的最大承載值相差較小，鉚接一致性明顯優于氣動鉚接。

上述主要原因一方面在于氣動鉚槍擊打釘桿形成鐓頭時，靠近鐓頭端膨脹較大，靠近釘頭端膨脹較小，釘桿呈錐形膨脹，加載后常在膨脹較小處斷裂，而電磁鉚接為高速沖擊加載，釘孔內釘桿的膨脹均勻，且整體干涉量大于氣動鉚槍的干涉量，故有較強承載能力；另一方面，電磁鉚接一次擊打即可成型，每個試件鉚接沖擊力大小和方向相同，因此其承載能力較為一致，氣動鉚槍需對鉚釘多次擊打才能成型，每個試件制作過程中擊打次數和方向不一，導致其承載一致性差，鉚接質量不穩定。

5 結語

（1）半自動化電磁鉚槍和頂鐵與鉚接臂連接的固定板采用長條孔設計，可實現電磁鉚槍和頂鐵軸線上下、左右對中調整，保證鉚接時電磁鉚槍、鉚釘和頂鐵三軸重合，以提高鉚接質量和效率。

（2）電磁鉚接產生的后坐力影響電磁鉚接系統穩定性和鉚接質量，本文采用剎車機構為緩沖提供支撐，導向機構保證緩沖平穩，緩沖機構將鉚接后坐力吸收消耗，以此減小后坐力沖擊帶來的不利影響。

（3）電磁力測試試驗中，電磁力-時間曲線上升沿陡峭，下降沿相對緩和，0～3.5 ms 曲線段的積分平均值約為30 N·s，分析鉚接過程中3 次碰撞損耗可知，鉚接后坐力略小于30 N·s。試驗可為緩沖機構精準設計提供支撐，實現高效、平穩緩沖。

（4）半自動化電磁鉚接試件的平均最大剪切力和最大拉脫力分別為2.82 kN 和3.98 kN，氣動鉚接平均最大剪切力和最大拉脫力分別為2.70 kN 和3.85 kN，半自動電磁鉚接強度明顯高于氣動鉚槍。比較每組試驗5 個樣件間方差值發現，電磁鉚接的一致性優于氣動鉚接，鉚接質量更穩定，半自動化電磁鉚槍可有效解決航天錐形件鉚接難題。