1. 引言
目前，机械化、自动化是航空航天铆接装配制造技术发展的必然趋势，自动化铆接不仅大大提高了生产效率，减轻工人的劳动强度，而且保证了产品质量的一致性 [1] [2]。有头铆钉手工铆接工艺技术成熟，但与自动钻铆设备匹配性差，当送钉杆直径较大时，会出现送钉杆与桁条立筋干涉的现象，根本原因是铆钉钉头尺寸大于钉杆。无头铆钉的出现恰可解决这一难题，无头铆钉是一种没有铆钉头的实心圆杆干涉铆钉，它具有以下优点：1) 铆接后沿铆钉杆全长可形成较均匀的干涉配合，成倍地提高连接结构的疲劳寿命；2) 采用无头铆钉干涉配合的铆接，能够可靠地保证铆钉自身的密封性 [3]。
无头铆钉一般用于自动钻铆设备，当装配件下架后往往还需要二次上架补铆一定数量的铆钉。尽管补铆的铆钉数量很少，但二次上数控托架、定位等却要花费很多时间，影响整个自动钻铆设备的高效利用，从而增加产品制造成本。因此有必要展开无头铆钉架下铆接的工艺参数研究。本文以ABAQUS软件为基础，分析无头铆钉铆接变形的过程，以双面鼓形镦头为例，进行了以下分析：不同铆钉长度对镦头尺寸和干涉量的影响，不同钉孔直径对干涉量的影响，有头铆钉和无头铆钉的性能对比。
2. 仿真模型的建立
铆接过程中铆钉各点位移、应变和应力对称于铆钉轴线，而夹层材料在铆接过程中塑性影响区材料各点位移、应变和应力也对称于铆钉的中心轴，因此在数值模拟中的集合模型采用轴对称模型。模型中只取中轴面的1/2。铆钉和夹层网格均采用轴对称应力单元CAX4R，有限元模型及网格划分如图1所示。
Figure 1. Finite element model and meshing
图1. 有限元模型及网格划分
2.1. 材料选型及参数
本文仿真选用的无头铆钉材料为2A10，T4状态，其弹性模量为71 GPa，泊松比0.31，密度2800 Kg/m3，其应力应变关系如图2所示。铆接件材料选2A12，T4状态，其弹性模量为72 GPa，泊松比0.31，密度2800 Kg/m3 [4]。铆接工具铆接时变形较小，故仿真中以刚性平面代替。
Figure 2. Stress-strain diagram of 2A12 aluminum alloy
图2. 2A10铝合金材料应力–应变关系图
2.2. 接触和摩擦处理
相互作用的切向行为为罚函数，摩擦系数为0.17。法向行为为硬接触，为分析铆接后的残余应力，允许接触后分离。
2.3. 载荷和边界条件
对上下方刚性平面施加完整约束，模拟铆枪枪头和顶铁(或枪头)实际工况；由于整个模型为轴对称建模，所以在中轴线处对模型的横向位移进行约束。
铆接成形时间较短，且整个过程中冲击力变化起伏较大，以冲击力的方式施加载荷显然不能实现，所以对上下方刚性平面施加纵向的位移约束，模拟对铆钉的位移载荷。
3. 铆接变形过程模拟分析
按铆钉镦粗情况将铆接变形分五个阶段 [5] [6]
1) 初始放置阶段：将铆钉放置在预先开有孔的被连接件中，用专用工装保证两边的外伸量一致，如图3(a)所示。
2) 铆钉压缩阶段：从压铆头和铆钉接触开始，钉杆逐渐被镦粗，随着压铆头位移的增大，压铆力逐渐增大，铆钉的钉杆从弹性变形逐渐转换到塑性变形。这一阶段中只有铆钉的挤压变形，铆钉和钉孔之间还未接触，如图3(b)所示。
3) 钉孔填充阶段：压铆头继续移动，铆钉和钉孔开始接触，接触面积逐渐增大，铆钉的径向变形受到约束，对被铆接件形成横向挤压，这一阶段铆钉中金属变形以向下流动为主，直到钉杆在整个钉孔轴向完全填充，如图3(c)所示。
4) 镦头成形阶段：在径向成形进一步受到约束时，在被连接件外的铆钉端开始局部镦粗，镦粗部分和被连接件表面相接触，在两者表面的摩擦力作用下，铆钉中金属流动方向由向下流动逐渐改变为向侧向流动，镦头逐渐增大，对被连接件形成轴向挤压，直到压铆头运动到指定的行程后，形成完整镦头，如图3(d)所示。
5) 弹性回复阶段：在压铆头运动到指定的行程后开始逐渐远离墩头，镦头和压铆头逐渐分离。铆钉和被铆接板上的弹性变形逐渐回复，如图3(e)所示。
4. 无头铆钉干涉量影响因素分析
4.1. 干涉量计算方法
铆接干涉量有绝对干涉量和相对干涉量两种，绝对干涉量为铆后孔径或钉径减去铆前直径，相对干涉量还要除以铆前直径，相对干涉量更能反应干涉情况。计算干涉量，在杆径位置取四点求平均值，取点如图4所示。
相对干涉量计算公式为：
式中，D0—铆前直径，D—铆后孔径或钉径。
Figure 4. Schematic diagram of calculation value of interference quantity
图4. 干涉量计算取值示意图
4.2. 铆钉长度对铆接成形的影响
航空航天领用对产品重量要求严格，一个铆接成形的壳体上会有成千上万颗铆钉，铆钉长度较长则会使壳段产品重量增加，铆钉长度较短则连接强度不够 [4]。本文的研究以常用的Φ4铆钉为例，钉孔直径为Φ4.1，连接件的夹层总厚6 mm，选择铆钉长度为15 mm、16 mm、17 mm、18 mm来分析，保证成形时间一致，查看铆接成形后的镦头直径、镦头高度和干涉量。仿真结果如表1、图5所示。
Table 1. Data sheet of rivet interference of difference lengths
表1. 不同铆钉长度干涉量数据表
Figure 5. River length interference diagram
图5. 铆钉长度干涉量关系图
由仿真结果知，随着铆钉长度的增加，干涉量逐渐增大。因仿真中设置不同长度的铆钉成形后的镦头高度基本一致，故铆钉长度越长，成形后的铆钉镦头直径越大，镦头直径大，说明在镦头成形阶段铆钉镦粗现象明显，铆钉对连接件的轴向及侧向挤压越明显，干涉量就大。由测量的四处直径知，离镦头越近的干涉量越大，此处的镦粗现象更明显。
4.3. 钉孔直径对铆接成形的影响
铆钉直径4 mm，铆钉长度16 mm，设置不同的钉孔直径Φ4.1、Φ4.2、Φ4.3，铆钉在钉孔直径成形过程中，由于钉杆存在镦粗的情况，钉孔直径的增大使得钉杆镦粗阶段时间延长、铆钉对连接件的轴向及侧向挤压越小，使得上下干涉量相较于小钉孔更加均匀，但相对干涉量逐渐减小，如表2所示。
Table 2. Interference data table of difference nail hole diameters
表2. 不同钉孔直径干涉量数据表
5. 有头铆钉和无头铆钉的对比
航空航天常用铆钉为半圆头铆钉、90˚或者120˚沉头铆钉，为分析有头铆钉和无头铆钉的铆接性能优劣，以直径Φ4为例做仿真试验。设置钉孔直径Φ4.1，连接件的夹层总厚6 mm。选用的无头铆钉长度为16 mm，有头铆钉的长度为11 mm，保证铆钉外伸量一致。得到的仿真数据表如表3、图6所示。
Table 3. Interference data sheet for ordinary and headless rivets
表3. 有头铆钉和无头铆钉干涉量数据表
(a)
(b)
Figure 6. Stress nephogram after rivet forming. (a) ordinary rivets; (b) headless rivets
图6. 铆接成形后的应力云图。(a) 普通铆钉；(b) 无头铆钉
在初始放置阶段，有头铆钉的镦头侧外伸量为3 mm，无头铆钉的两侧外伸量均为3 mm。在铆钉压缩阶段，有头铆钉进行单侧压缩，无头铆钉是双侧压缩。在钉孔填充阶段，有头铆钉对被铆接件事单向横向挤压，无头铆钉对被铆接件是双向横向挤压。在镦头成形阶段，有头铆钉单侧形成双面镦头，无头铆钉双侧形成双面鼓形镦头。
无头铆钉因双面挤压，故靠近镦头两侧干涉量均较大。有头铆钉单面成形镦头，离镦头越远，干涉量越小，整体干涉量均值小于无头铆钉。同样外伸量下，有头铆钉的镦头直径小于无头铆钉，因有头铆钉要填充两个连接件的钉孔间隙，故在无头铆钉的外伸量及长度选择时，可适当小于有头铆钉。由应力云图可知，应力最大均集中在镦头附近，无头铆钉的应力分布相比有头铆钉更均匀。
6. 结论
通过ABAQUS仿真模型，分析铆接成形时金属流动情况，铆钉先进行径向向下镦粗，直至与钉孔接触开始横向挤压，然后铆钉侧向流动形成镦头。铆钉越长，镦粗现象越明显，干涉量越大。钉孔直径的增大，钉杆镦粗时间长，干涉量有所减小。相同条件下无头铆钉的干涉量大于有头铆钉。
本文仅定性分析参数不同干涉量变化趋势，铆接真实干涉量还需做试验研究，实际铆接有很多因素不可控，如不能保证两边伸出量完全对称，需进一步进行试验研究来验证仿真模型、探究铆接规律。
参考文献