锥形垫圈/梯度铆钉无损长寿命铆接装置及方法

本发明涉及机械加工，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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％。

7、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。

8、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：

9、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；

10、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；

11、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。

12、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。

13、本发明的有益效果是：

14、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。

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：

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。

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：
技术公布日：2024/1/15