一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置及其成形方法与流程

本发明涉及飞机装配技术领域，具体为一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置及其成形方法。

背景技术：

随着航空工业不断壮大和发展，飞机逐步扩大应用整体结构、钛合金结构和复合材料结构，对铆接连接件的品种、质量等要求大大提高，为了满足铆接件的一些特殊要求，国内外研制了一些特种铆钉，如环槽铆钉、抽芯铆钉、螺纹空心铆钉、高抗剪铆钉、钛钉、高锁螺栓等铆接工艺设备；其中抽芯铆钉、高锁螺栓目前被广泛的应用于飞机装配上，但由于其成本高及叠层结构与铆钉之间的电位腐蚀问题，使得轻质、高强、低成本、工艺简单的钛钉在飞机装配领域中备受关注，并逐渐成为先进飞机紧固件的首要选择；但是随着紧固件材料性能的提升，对成型和装配提出了更高需求，传统的钛钉铆接工艺存在着铆接力过大、钛钉破裂、钛钉变形不均匀从而限制了钛钉铆接连接方法在航空工业中的应用，所以急需一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置及其成形方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置及其成形方法，可以有效解决上述背景技术中提出传统的钛钉铆接工艺存在着铆接力过大、钛钉破裂、钛钉变形不均匀从而限制了钛钉铆接连接方法在航空工业中的应用的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置，包括用于支撑的机架，所述机架顶端架设有用于固定物体的夹具工装模块，所述夹具工装模块一侧安装有垂直安装架，且所述垂直安装架底端与机架相连，所述垂直安装架侧向安装有超声辅助模块；

所述超声辅助模块包括u型架、抱紧块、超声换能器、环形轴承、变幅杆和铆接工具头；

所述u型架一侧通过u型架安装滑块与垂直安装架一侧对应的垂直滑轨滑动连接，所述u型架一端固定安装有抱紧块，所述抱紧块底端一侧设置有用于和超声发生器连接的超声换能器，所述超声换能器穿过抱紧块，且所述超声换能器通过套接环形轴承与抱紧块进行连接，所述超声换能器一端连接有变幅杆，且所述变幅杆一端与u型架的u形一端相连，所述u型架的u形另一端插入安装有铆接工具头。

所述垂直安装架顶端安装有动力模块，所述超声辅助模块与动力模块之间安装有用于采集数据的数据采集模块。

优选的，所述机架由立柱和铁板组成，且所述机架承受的力度大于50kn。

优选的，所述夹具工装模块包括支撑座、支柱、承接板、下铆模支撑座、工作台、滑轨和滑块；

所述机架顶端固定安装有撑座，所述撑座顶端四角均安装有水平调节支柱，所述水平调节支柱顶端安装有承接板，所述承接板顶端可拆卸式安装有下铆模支撑座，所述下铆模支撑座顶端设置有工作台，所述承接板顶端和下铆模支撑座底端以及下铆模支撑座和工作台底端均通过滑轨和滑块进行滑动连接。

优选的，所述承接板顶端两侧均纵向安装有滑轨，且通过所述滑轨与下铆模支撑座底端配套的滑块滑动连接，所述下铆模支撑座顶端两侧横向安装有滑轨，且所述滑轨与工作台底端配套的滑块滑动连接。

优选的，所述承接板和下铆模支撑座之间以及下铆模支撑座和工作台之间均安装有调节丝杆，且所述调节丝杆配套安装有手轮。

优选的，所述工作台顶端固定安装有叠层板，所述叠层板的厚度为4到16毫米，所述叠层板顶端预开设有连接孔，所述叠层板顶端设置有铆钉，所述铆钉10的直径在5毫米以内。

优选的，所述动力模块包括液压缸安装板、液压缸和导柱；

所述垂直安装架顶端安装有液压缸安装板，所述液压缸安装板顶端四角安装有导柱，并通过所述导柱与液压缸相连。

优选的，所述采集模块包括压电式力传感器和安装在其内部与其配套的数据采集卡，所述压电式力传感器通过螺栓固定在超声辅助模块和动力模块之间。

一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接成形方法，包括如下具体步骤：

s1、将待铆接叠层板固定在工平台上；

s2、设定动力模块压力上限值，启动超声发生器；

s3、液压缸带动侧向超声辅助模块进行铆接，直至设定压铆力达到上限值，停止并返回至初始位置；

s4、铆钉在侧向超声能场下产体积效应和表面效应。

优选的，所述步骤s2中，设定动力模块压力上限值，启动超声发生器，其中，压力的上限值随着不同直径和尺寸的铆钉设定相应的数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便：通过侧向安装超声辅助模块，实现和满足钛钉铆接力下的超声发生器正常工作而不会出现因压铆力过大导致闷死的状态，且将最大压铆力施加到30kn，提高铆接效果，通过超声辅助模块的作用，产生超声能场辅助的铆接，充分利用超声能场下的体积效应和表面积效应降低铆钉铆接时的变形抗力，有效改善了铆接的塑形，同时降低铆接缺陷的出现和损伤衍生的几率，提高叠层板连接的疲劳强度和服役寿命，通过滑轨、滑块、调节丝杆和手轮的作用，可根据需求对工作台位置进行调剂适用于任何结构形式的铆钉。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明铆接装置的结构示意图；

图2是本发明铆接装置去机架的结构示意图；

图3是本发明超声换能器的结构示意图；

图4是本发明u型架和抱紧块组装的结构示意图；

图5是本发明超声辅助模块的结构示意图；

图6是本发明垂直安装架的结构示意图；

图7是本发明超声辅助模块与垂直安装架组装的结构示意图；

图8是本发明夹具工装模块的结构示意图；

图9是本发明铆接成形方法的流程图；

图中标号：1、机架；

2、夹具工装模块；21、支撑座；22、支柱；23、承接板；24、下铆模支撑座；25、工作台；26、滑轨；27、滑块；

3、超声辅助模块；31、u型架；32、抱紧块；33、超声换能器；34、环形轴承；35、变幅杆；36、铆接工具头；

4、动力模块；41、液压缸安装板；42、液压缸；43、导柱；

5、采集模块；51、压电式力传感器；

6、垂直安装架；7、调节丝杆；8、手轮；9、叠层板；10、铆钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1-2所示，本发明提供一种技术方案，一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接装置，包括用于支撑的机架1，其中，机架1由立柱和铁板组成，铁板采用a3铁板，具有良好的刚度，且机架1承受的力度大于50kn，提高装置的稳定性，机架1顶端架设有用于固定物体的夹具工装模块2，夹具工装模块2一侧安装有垂直安装架6，且垂直安装架6底端与机架1相连，垂直安装架6侧向安装有超声辅助模块3，垂直安装架6顶端安装有动力模块4，超声辅助模块3与动力模块4之间安装有用于采集数据的数据采集模块5。

具体的，动力模块4包括液压缸安装板41、液压缸42和导柱43，垂直安装架6顶端安装有液压缸安装板41，液压缸安装板41顶端四角安装有导柱43，并通过导柱43与液压缸42相连，通过液压缸42和导柱43的配合，使得液压缸42工作更加稳定，其中液压缸42一侧连接有配套的液压控制器，用于对液压缸42的控制工作，采集模块5包括压电式力传感器51和安装在其内部与其配套的数据采集卡，压电式力传感器51通过螺栓固定在超声辅助模块3和动力模块4之间，实现对压力数据的采集，同时保证压铆力的精度和数据采集的准确性。

具体的，如图3-5所示，超声辅助模块3包括u型架31、抱紧块32、超声换能器33、环形轴承34、变幅杆35和铆接工具头36，u型架31一侧通过u型架安装滑块与垂直安装架6一侧对应的垂直滑轨滑动连接，u型架31一端固定安装有抱紧块32，抱紧块32底端一侧设置有用于和超声发生器连接的超声换能器33，本实施例超声发生器选用hb系列工业型专用超声波发生器，并采用第三代控制器自激振荡方式，进行自动跟踪频率，超声换能器33选用压电陶瓷材料为yp-5020-4z柱形压电陶瓷换能器，超声换能器33穿过抱紧块32，且超声换能器33通过套接环形轴承34与抱紧块32进行连接，超声换能器33一端连接有变幅杆35，且变幅杆35一端与u型架31的u形一端相连，u型架31的u形另一端插入安装有铆接工具头36。

具体的，如图6-7所示，抱紧块32通过u型架安装滑块与垂直安装架6一侧对应的垂直滑轨滑动连接，便于超声辅助模块3沿着垂直滑轨上下移动，从而保证超声辅助模块3跟随运动模块4一起上下运动。

具体的，如图8所示，夹具工装模块2包括支撑座21、支柱22、承接板23、下铆模支撑座24、工作台25、滑轨26和滑块27，机架1顶端固定安装有撑座21，撑座21顶端四角均安装有水平调节支柱22，其中支柱22采用螺杆和螺母组合，从而可根据需求对承接板23的高度进行微调，保证钉与板处于被压紧状态，从而保证铆接质量，水平调节支柱22顶端安装有承接板23，承接板23顶端可拆卸式安装有下铆模支撑座24，有利于针对不同的铆钉10设计不同的铆模结构，从而提高铆接范围的柔性化，下铆模支撑座24顶端设置有工作台25，承接板23顶端和下铆模支撑座24底端以及下铆模支撑座24和工作台25底端均通过滑轨26和滑块27进行滑动连接，便于固定安装待铆接物体。

进一步的，承接板23顶端两侧均纵向安装有滑轨26，且通过滑轨26与下铆模支撑座24底端配套的滑块27滑动连接，下铆模支撑座24顶端两侧横向安装有滑轨26，且滑轨26与工作台25底端配套的滑块27滑动连接，实现工作台25纵向和横向两个方向的移动，从而保证一块待铆接面板可以进行多次压铆，其中，承接板23和下铆模支撑座24之间以及下铆模支撑座24和工作台25之间均安装有调节丝杆7，且调节丝杆7配套安装有手轮8，可根据实际情况通过人工转动进行调节工作台25的具体位置。

进一步的，工作台25顶端固定安装有叠层板9，叠层板9的厚度为4到16毫米，叠层板9顶端预开设有连接孔，且本实施例开设连接孔的孔径为4.1毫米，叠层板9顶端设置有铆钉10，其中，铆钉10的直径在5毫米以内，且本实施例采用的铆钉10的直径为4毫米，长度为9毫米。

组装：

如图3-5所示，将u型架31、抱紧块32、超声换能器33、环形轴承34、变幅杆35和铆接工具头36依次进行安装，从而完成超声辅助模块3的组装，如图6所示，接着将u型架安装滑块与垂直滑轨滑动连接；如图7所示，通过螺丝将u型架31固定在u型架安装滑块一侧，接着将夹具工装模块2、超声辅助模块3、动力模块4和采集模块5，如图1-2所示进行组装，其中，在未安装超声辅助模块3的前提下，保证动力模块4与夹具工装模块2之间的预留预留最小为300毫米。

如图9所示，铆接：

一种基于侧向超声能场辅助的钛钉铆接成形方法，包括如下具体步骤：

s1、将待铆接叠层板固定在工平台上；

s2、设定动力模块压力上限值，启动超声发生器；

s3、液压缸带动侧向超声辅助模块进行铆接，直至设定压铆力达到上限值，停止并返回至初始位置；

s4、铆钉在侧向超声能场下产体积效应和表面效应。

步骤s2中，设定动力模块压力上限值，启动超声发生器，其中，压力的上限值随着不同直径和尺寸的铆钉设定相应的数值，超声频率也可根据实际需求进行调节，其中，本实施例中设定压力设定上限值为15kn，且超声发生器产生的超声频率为20khz，用于直径4mm,钉杆9mm的铆钉的铆接工作。

具体的，根据铆钉10的尺寸与结构，设置下铆模支撑座24的高度，从而保证铆钉10与待连接结构能够顶进，将超声换能器33与配套的超声发生器相连，接着将待铆接叠层板9与铆钉10固定在工作台25上，然后设置铆接设备工作压力的上限值，本实施例中铆钉10采用半圆头钛钉，顶杆直径为4毫米，长度为9毫米，所以压力设定上限值为15kn，接着将超声发生器打开，根据自己需求调节超声发生器的功率来改变振幅，由于振幅与功率成正比，所以振幅随着功率进行变大，为了避免实际操作中振幅过大时容易出现超声闷死现象，所以根据需求将功率到所需值，本实施例中超声频率为20khz，接着将数据采集卡与电脑相连接，打开配套的数据采集软件，为压力实时采集做准备，启动液压缸，利用液压缸带动超声发生器向下运动，在超声辅助模块3向下移动与铆钉10接触时，铆钉10在超声能场下产生持续的体积效应与表面积效应，增加铆钉10的塑性，降低铆接力，同时超声能场下的钛钉在铆接过程中会导致细化晶粒，改善合金强韧性，提高了位错的运动能力，使得变形更加容易，促进位错湮灭，降低铆接过程的裂纹萌生几率，有效降低铆接时的变形抗力，提高钛钉的塑性变形能力，改善金属组织的流动性，从而达到均匀的连接干涉量，再加上超声能场下的位错修复能力消除部分内部缺陷，最终达到改善铆接质量、降低铆接力的目的，直至压铆力达到上限值15kn时结束铆接，并返回至初始位置，接着转动手轮8，带动调节丝杆7转动，滑块27与丝杆7通过移动螺帽连接，从而推动滑块27沿着滑轨26移动，根据实际需求，分别转动纵向手轮8和横向手轮8，从而调节工作台25的位置，接触按上述操作进行铆接，直至完成铆接工作。

进一步可选的，其中采用上述操作对铝合金铆钉进行铆接工作时，也可改善其铆接的干涉量均匀性，提高其铆接质量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。