锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置及方法

1.本发明涉及机械加工技术领域，特别是一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置及方法。


背景技术：

2.轻量化设计是飞行器制造领域中的核心技术之一，以碳纤维增强树脂复合材料(cfrp)为代表的先进复合材料，具有高强度、高模量、易裁剪、易成型等优势，能显著减轻飞行器重量，因此在飞行器上应用广泛。美国新一代空面巡航导弹acmi58-jassm的弹翼、尾翼、进气道以及弹身全部舱段都采用了复合材料，整个导弹重量下降30％，成本降低50％；波音767飞机的机身cfrp用量由3％提升至50％后，机身质量从60t下降到48t，重量减少了20％。因此广泛使用cfrp可以产生巨大的经济效益。
3.目前，cfrp构件的连接方式主要采用胶接、螺栓连接和混合连接。其中，胶接连接载荷分布均匀，但是破损安全性差，而且胶接接头对环境较敏感。螺接是目前cfrp构件最主要的连接方法，具有可靠性高、传载大等优势，但成本较高，且重量较铆接大。混合连接强度高，但是工艺复杂。铆接是飞机最重要的装配连接方法，具有成本低、可靠性高、工艺简单等明显优势，但铆接容易造成cfrp构件损伤。因此，铆接尚未广泛应用于cfrp构件的连接中。
4.为了解决铆钉与cfrp直接铆接而造成安装损伤的问题，申请号为201710864649.1的发明公开了一种航空用新型混杂复合材料铆接方法及装置，该发明通过顶把顶部设置有容纳铆钉钉头的凹陷部，铆钉钉头在顶把和复合材料垫圈的保护下，铆接过程中不会发生形变，提高了铆接结构的疲劳强度，提高了铆接效果。但是该发明没有解决铆接过程中钉杆变形对铆接孔孔壁的损伤。专利号为cn202110134494.2的发明公开了一种cfrp构件无损铆接装置以及无损铆接方法，该发明通过沉头衬套约束了钉头的径向膨胀，从而避免了铆接损伤。然而，该铆接工艺复杂，垫圈在施铆过程中存在上翘问题，且衬套的制造工艺要求苛刻，亦无法提高连接构件疲劳寿命。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置及方法，本发明采用带锥形垫圈梯形铆钉冷缩干涉配合的铆接方法，限制了镦头的不均匀变形，减少钉杆段在铆接过程中的径向变形，进而降低铆接损伤，同时，钉杆段与cfrp铆接孔孔壁形成冷缩干涉配合，提高疲劳寿命和传载能力。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，包括梯度铆钉、锥形垫圈、铆模和待铆接构件，所述梯度铆钉包括钉头、与所述钉头相连的钉杆段、与所述钉杆段相连的镦头段，所述钉杆段的直径大于所述镦头段的直径，钉杆段的高度与所述待铆接构件厚度相同，所述镦头段设有与其同轴心的圆孔，且所述圆孔深度与镦头段高度相同，所述锥形垫圈设于待铆接构件的上方，所述梯度铆钉穿过待铆接构件的铆接孔后与所述锥形垫圈铆接，所述铆模头部表面设有凸起部分，凸起部分在安
装时插入所述镦头段的圆孔中。
7.作为本发明的进一步改进，该铆接装置还包括位于所述梯度铆钉下方的顶铁。
8.作为本发明的进一步改进，所述锥形垫圈的厚度呈梯形分布，垫圈由圆孔板和带孔圆台一体成型。
9.作为本发明的进一步改进，所述钉杆段和镦头段一体成型，所述钉杆段直径与待铆接构件的铆接孔形成冷缩干涉配合。
10.作为本发明的进一步改进，所述梯度铆钉的钉杆段直径大于铆接孔直径0.1％-5％。
11.作为本发明的进一步改进，所述待铆接构件为cfrp上层板和cfrp下层板。
12.本发明还提供一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.步骤1、水平放置cfrp上层板和cfrp下层板，将梯度铆钉放入液氮中冷缩，冷缩后由单侧放入所述cfrp上层板和所述cfrp下层板的铆接孔内，再通过顶铁顶持铆钉钉头，所述cfrp上层板和cfrp下层板以及铆钉水平放置在顶铁上；
14.步骤2、将锥形垫圈穿过所述梯度铆的钉镦头段放置在所述cfrp上层板上；
15.步骤3、移动铆模头部表面与所述梯度铆钉镦头表面贴合，铆模表面凸起部分插入镦头段的圆孔中，加力铆接，铆模挤压梯度铆钉镦头段完成铆接成型。
16.本发明通过锥形垫圈限制镦头不均匀成型，同时由于垫圈厚度呈锥形分布，避免了铆接时垫圈四周翘起，与cfrp层板产生间隙，提高了铆接效果和构件的传载能力；钉杆的钉杆段的直径比镦头段直径大，降低了钉杆的径向形变程度，从而减少对构件的铆接损伤；镦头段中间带有圆孔，使铆接镦头更易成型；梯度铆钉钉杆段直径大于铆接孔直径0.1％-5％，钉杆段与cfrp铆接孔孔壁形成冷缩干涉配合，提高构件的疲劳寿命。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明通过发明镦头段直径小于钉杆段直径、钉杆段高度和待铆构件厚度相同、镦头段带有圆孔、圆孔高度和镦头段高度相同的梯度铆钉，降低了钉杆段的径向形变程度，同时通过锥形垫圈限制镦头膨胀，解决了cfrp铆接孔孔壁的铆接损伤问题；同时，针对铆接后垫圈与构件表面接触不紧密的情况，发明厚度呈梯形分布的锥形垫圈，避免了铆接时垫圈四周翘起，与cfrp层板产生间隙，提高了铆接效果和构件的传载能力；为了降低镦头的成型难度，发明中间带圆孔的镦头段，铆模底部的凸起部分插入镦头段的圆孔中；最后，为了提高构件的连接疲劳寿命，采用梯度铆钉液氮冷缩方法，钉杆段与铆接孔孔壁形成冷缩干涉配合，大幅度提高铆接构件连接寿命。
附图说明
19.图1为本发明实施例中铆接装置的结构示意图；
20.图2为本发明实施例中铆接装置的等轴视图；
21.图3为本发明实施例中梯形铆钉的等轴视图；
22.图4为本发明实施例中梯形铆钉的剖视图；
23.图5为本发明实施例中锥形垫圈的等轴视图；
24.图6为本发明实施例中待铆接构件铆接后效果等轴视图；
25.图7为本发明实施例中不同干涉配合紧固连接件疲劳寿命对比图；
26.图8为本发明实施例中带垫圈铆接试件与无垫圈试件拉伸峰值载荷对比图。
27.附图标记：
28.1、梯度铆钉；2、锥形垫圈；3、铆模；4、顶铁；5、cfrp上层板；6、cfrp下层板；1.1、钉头；1.2、镦头段；1.3、钉杆段；1.4、铆钉圆孔；2.1、锥形垫圈带孔圆台；2.2、锥形垫圈圆孔板。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
30.实施例
31.如图1-图8所示，为了解决铆接过程中钉杆不均匀变形对铆接孔孔壁造成损伤、铆接构件寿命低的问题，本发明提供了一种cfrp构件锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置及方法，实现了cfrp无损铆接，并提高了构件的疲劳寿命和传载能力。
32.本实施例提供了一种cfrp构件锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，具体包括梯度铆钉1、锥形垫圈2、铆模3、顶铁4、cfrp上层板5和cfrp下层板6。
33.所述梯度铆钉1的结构包括钉头1.1、镦头段1.2、钉杆段1.3和铆钉圆孔1.4。安装时钉头1.1底部与顶铁相贴合，钉杆直径呈阶梯分布，与钉头1.1相连的为钉杆段1.3，直径大于铆接孔直径0.1％-5％，高度与待铆接cfrp上层板5和cfrp下层板6构件总厚度相同。安装时梯度铆钉1穿过cfrp上层板5和cfrp下层板6中的铆接孔，梯度铆钉1安装前利用液氮冷缩，钉杆段1.3与铆接孔冷缩干涉配合。与钉杆段1.3相连的为镦头段1.2，镦头段1.2直径小于钉杆段1.3直径。镦头段1.2中间带有圆孔，圆孔深度与镦头段1.2高度相同，安装时铆模3头部表面与镦头段1.2表面紧密贴合，铆模3表面的凸起部分插入镦头段1.2圆孔中。
34.所述锥形垫圈2的结构包括锥形垫圈带孔圆台2.1和锥形垫圈圆孔板2.2。锥形垫圈2的厚度呈梯形分布，垫圈由锥形垫圈带孔圆台2.1和锥形垫圈圆孔板2.2一体成型，锥形垫圈圆孔板2.2在锥形垫圈带孔圆台2.1的下方，安装时梯度铆钉镦头段1.2穿过锥形垫圈2的圆孔，锥形垫圈圆孔板2.2底部与cfrp上层板5接触。铆接过程中垫圈限制镦头段过渡膨胀，进而避免cfrp铆接损伤提高连接强度；同时，通过锥形设计放置铆接过程中垫圈上翘。
35.本实施例还提供一种cfrp构件锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接方法，其具体实施过程包括以下几个步骤：
36.步骤一、水平放置所述cfrp上层板5和cfrp下层板6，将梯度铆钉1放入液氮中冷缩，冷缩后由单侧放入所述cfrp上层板5和cfrp下层板6的铆接孔内，再通过顶铁4顶持铆钉钉头1.1，所述cfrp上层板5、cfrp下层板6、梯度铆钉1水平放置在顶铁4上；
37.步骤二、将所述锥形垫圈2穿过所述铆钉镦头段1.2放置在所述cfrp上层板5上；
38.步骤三、移动铆模3头部表面与所述铆钉镦头段1.2表面贴合，铆模3表面凸起部分插入铆钉镦头段1.2的圆孔中，加力铆接，铆模3挤压铆钉镦头段1.2端完成铆接成型。
39.本发明不仅实现了cfrp结构无损铆接，简化铆接工艺，还可以通过冷缩干涉配合提高构件的疲劳寿命和传载能力。其中，将铆钉放置于液氮环境中冷却后，在常温环境下安装进cfrp构件后，铆钉钉杆段会与铆接孔孔壁形成干涉配合，从而提高铆接强度。
40.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，包括梯度铆钉、锥形垫圈、铆模和待铆接构件，所述梯度铆钉包括钉头、与所述钉头相连的钉杆段、与所述钉杆段相连的镦头段，所述钉杆段的直径大于所述镦头段的直径，钉杆段的高度与所述待铆接构件厚度相同，所述镦头段设有与其同轴心的圆孔，且所述圆孔深度与镦头段高度相同，所述锥形垫圈设于待铆接构件的上方，所述梯度铆钉穿过待铆接构件的铆接孔后与所述锥形垫圈铆接，所述铆模头部表面设有凸起部分，凸起部分在安装时插入所述镦头段的圆孔中。2.根据权利要求1所述的锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，该铆接装置还包括位于所述梯度铆钉下方的顶铁。3.根据权利要求1所述的锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，所述锥形垫圈的厚度呈梯形分布，垫圈由圆孔板和带孔圆台一体成型。4.根据权利要求1所述的锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，所述钉杆段和镦头段一体成型，所述钉杆段直径与待铆接构件的铆接孔形成冷缩干涉配合。5.根据权利要求4所述的锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，所述梯度铆钉的钉杆段直径大于铆接孔直径0.1％-5％。6.根据权利要求1-5任一项所述的锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，其特征在于，所述待铆接构件为cfrp上层板和cfrp下层板。7.一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、水平放置cfrp上层板和cfrp下层板，将梯度铆钉放入液氮中冷缩，冷缩后由单侧放入所述cfrp上层板和所述cfrp下层板的铆接孔内，再通过顶铁顶持铆钉钉头，所述cfrp上层板和cfrp下层板以及铆钉水平放置在顶铁上；步骤2、将锥形垫圈穿过所述梯度铆的钉镦头段放置在所述cfrp上层板上；步骤3、移动铆模头部表面与所述梯度铆钉镦头表面贴合，铆模表面凸起部分插入镦头段的圆孔中，加力铆接，铆模挤压梯度铆钉镦头段完成铆接成型。

技术总结
本发明公开了一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置，包括梯度铆钉、锥形垫圈、铆模和待铆接构件，所述梯度铆钉包括钉头、与所述钉头相连的钉杆段、与所述钉杆段相连的镦头段，所述钉杆段的直径大于所述镦头段的直径，钉杆段的高度与所述待铆接构件厚度相同，所述镦头段设有与其同轴心的圆孔，且所述圆孔深度与镦头段高度相同，所述锥形垫圈设于待铆接构件的上方，所述梯度铆钉穿过待铆接构件的铆接孔后与所述锥形垫圈铆接，所述铆模头部表面设有凸起部分，凸起部分在安装时插入所述镦头段的圆孔中；本发明还公开了一种锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置方法，本发明大幅度提高了铆接构件连接寿命。高了铆接构件连接寿命。高了铆接构件连接寿命。


技术研发人员：刘兴发 左杨杰
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/10/6