高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究.pdf

$(($年4月西北工业大学学报<JT$(($
第$(卷第$期EFGHIJKFLMFHNOPQRNQHISFKTNQUOIVUJKWIVXQHRVNT1FK&$(MF&$

高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究!

曹增强"#彭雅明$#梁鸿森%#盛熙"#夏力农"
"&西北工业大学飞行器制造工程系#陕西西安’"((’$)$&西安导航技术研究所#陕西西安’"((*+)
,%&北京卫星制造厂#北京"(((+%-

摘要.研究了高模量碳纤维复合材料结构的电磁铆接工艺/通过实验确定了铆钉外伸量0钉孔间
隙等工艺参数#给出了复合材料结构铆接用垫圈的几何尺寸#提出了合理的镦头尺寸/强度实验和
损伤检测表明电磁铆接可以代替螺栓连接#成功地铆接高模量碳纤维复合材料/

关键词.复合材料#电磁铆接#高模量#强度
中图分类号.1$*$文献标识码.2文章编号."(((3$’4+5$(($6($3("7+3(4

复合材料具有许多优异性能#因而在现代航空为(&49(&*4B/高模量碳纤维复合材料的脆性更
航天器结构中得到广泛应用/与金属结构相比#连接大#更易发生挤压破坏#因而镦头不宜过大/参照金
是复合材料结构的薄弱环节#结构破坏的*(89属结构的铆接#并考虑到复合材料层压板层间强度
+(8发生在连接处:";/某型号卫星的承力筒采用高低的特点#镦头尺寸可初步设计为高度不小于
模量<=(>3%(((3=(>碳环氧复合材料层压板和铝(&=B#直径"&%B左右/强度实验表明:=;#镦头直径
合金的混合结构#设计和工艺等原因决定需用机械为"&$B时完全可以满足结构静强度要求#因而建
连接/尽管铆接和螺接相比#接头重量轻#成本低#然议镦头直径取"&$9"&%B/
而复合材料层间强度低#抗冲击能力差#普通锤铆方?&C垫圈几何构形设计
法容易造成安装损伤/拉铆等工艺方法不能满足强垫圈对保证复合材料结构的铆接质量有重要作
度设计要求#结构不开敞又限制了大型压铆机的使用/垫圈内径决定垫圈和铆接件共同吸收铆钉变形
用#因而卫星承力筒制造过程中不得不采用螺栓连功的能力#外径影响垫圈在铆钉镦粗过程中的抗破
接#增加了结构重量/坏能力#厚度决定垫圈的刚度/金属结构所用标准垫
电磁铆接作为一种新型铆接工艺方法#国外已圈一般外径较小#内径较大#不能满足复合材料结构
成功地用于复合材料结构的铆接:$;#但在我国还是铆接的要求/>&>沃洛别依采用塑性变形理论#对垫
一个空白/为减轻承力筒重量#本文采用电磁铆接工圈在干涉作用下的问题求解得出垫圈的相对半径范
艺对以铆接代替螺栓连接的可行性进行了研究/围为$&(9$&4:";#即内外径之比应为$&(9$&4/如
果再增大相对半径#也不会使垫圈的限制作用有明
显增加反而会增加结构重量笔者采用实验研究的
?电磁铆接工艺研究#/
方法对垫圈尺寸进行了选择/对直径%&(DD#
的纯钛铆钉和不锈钢铆钉分别加
电磁铆接时材料的变形异于普通铆接#因此#电%&4DD#=&(DD
工不同尺寸的垫圈进行铆接观察镦头成形情况和
磁铆接的工艺参数不能照搬普通铆接的工艺参数/#
垫圈的变形检查复合材料的损伤解剖试件测量
?&?镦头尺寸设计###
复合材料结构铆接的镦头尺寸至今还没有标干涉量#分析铆接质量/垫圈厚度分别为(&*DD0
内径分别为铆钉直径和
准#文献:%;建议@2"铆钉在高强度碳纤维复合材(&+DD0"&(DD#(&"DD
两种
料结构中铆接时镦头直径为"&=A(&"(B#镦头高度(&$DD/

收稿日期基金项目航空科学基金
!万方数据.$(("Y("Y(4.57’Z4%(7’6
作者简介.曹增强5"7**Y6#西北工业大学副教授#主要从事飞机装配与先进连接技术的研究/
第0期曹增强等-高模量碳纤维复合材料的电磁铆接工艺研究K+//K

实验结果表明!不用垫圈或采用"#$%%厚的的限制作用不明显!整个垫圈被胀大并造成复合材
垫圈时!镦头均挤入复合材料!对复合材料造成严重料的损伤&二是由于承力面积太小!垫圈下陷!损坏
损伤&采用"#’%%厚的钛合金和不锈钢垫圈时!直复合材料,实验表明对于直径为(%%!(#)%%!
径(#"%%的铆钉铆接没有发现复合材料的损伤!*%%的铆钉分别选用外径为.%%!’%%!/%%
(#)%%和*#"%%的部分铆钉将垫圈内径明显胀的垫圈是比较合适的,当垫圈外径超过一定值时!如
大并挤伤复合材料&使用+#"%%厚的钛合金垫圈外径和内径之比大于0#)时!垫圈对铆钉膨胀的限
时!没有垫圈挤入复合材料!而使用+#"%%厚的不制作用将不再明显增大,
锈钢垫圈!铆接不锈钢铆钉时复合材料会出现一定钉杆膨胀量测量结果表明!当垫圈外径和厚度
程度的损伤,主要由于不锈钢的强度较低!垫圈不能合适时!内径比铆钉直径大"#+%%和"#0%%的
充分限制