气动锤铆自动铆接的工艺研究

有色金属材料与工程

Vol.38 No. 3 2017

文章编号：2096-2983(2017)03-0154-06D01：10.13258/j.cnki.nmme.2017.03.006

气动锤铆自动铆接的工艺研究

刘现伟，钱炜

(上海理工大学机械工程学院，上海200093)

摘要：通过对输入气压和铆接时间等工艺参数的控制，在自动铆接试验台上进行锤铆试验工艺.试

验得到，当输入气压为0. 5 MPa、铆接时间为2 S时，铆接效率较高且能达到铆接技术要求，但存在 铆接件表面质量差、变形较大等缺陷.针对自动铆接试验台铆接工艺的这一缺陷进行研究，并提出 解决方案，建立了试验台铆接系统的动力学模型，分析顶铁振动、弹簧刚性和预紧力对铆接质量的 影响.

关键词：气动铆锤；试验台；表面质量；动力学模型；变形量 中图分类号：TH 131.1 文献标志码：A

Process Research of Automatic Riveting for

Pneumatic Riveting Hammer

LIU Xianwei, QIAN Wei

(School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

Abstract： Through controlling the riveting process parameters of input pressure and riveting time, the hammer riveting test is carried out in the conventional test bench. The results show that the system can be obtained to meet the requirements of riveting quality and high efficiency when the input pressure is 0. 5 MPa and the riveting time is 2 s?but it is with poor quality and large deformation riveting and other defects. Aiming at the defects of pneumatic riveting, the dynamic model of the test bench riveting system was established,and the influence of the roof iron vibration and spring preload rigidity on quality of riveting was analyzed.

Keywords： pneumatic hammers； testbench； surface quality； dynamic model； deformation

据统计，飞机制造中，铆接的工作量约占装配制 造总工作量的30%[1]，可见铆接质量将直接影响飞机 各结构的强度和抗疲劳性能.目前国内外航空航天领 域主要采用的铆接形式有两种:一种是气动锤铆，它 是传统的铆接方式，锤铆时气铆活塞推动铆锤，铆

锤受活塞作用后冲击铆钉，使铆钉钉杆镦粗，并从顶 杆端使镦头成形;另一种是压铆，即给铆钉施加很大 的压铆力使铆钉变形的铆接方式，一般在自动钻铆机 上自动完成[2]，它是一种相对比较先进的铆接方式， 质量稳定、效率高、劳动条件好，缺点是应用范围受结

收稿日期：2017-01 - 04

作者简介：刘现伟(1990—男，硕士研究生.研究方向：航空航天自动化装配与制造.E-mail: 850149039@qq.com 通信作者：钱炜（19—）,男，副教授.研究方向：机械设计及理论.E-mail: qyc0510@163.com

第3期

刘现伟，等:气动锤铆自动铆接的工艺研究

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构[3].

自动钻铆机结构复杂，技术水平要求高，造价昂 贵.与其相比，工业机器人具有成本低，灵活性好，安 装空间小及自动化程度更高的优点[4].尤其是对于 空间狭小的壳体，机器人末端执行器采用结构紧凑 的气动铆更加具备优势.气动锤铆的主要部件是 气动铆，其结构简单，结实轻便，价格低廉[5]，它与 工业机器人结合，代替人工实现机器人自动钻铆，是 目前国内外学者研究的一个新方向.

基于此背景，本文在已有的气动锤铆试验台上 进行锤铆试验，建立试验台铆接系统的动力学模型， 优化出能够得到符合铆接通用技术要求的镦头高度 及较好的铆接件表面质量，减小铆接变形量的参数 与方案.

1气动锤铆原理及试验台简介

1.1气铆工作原理

气铆内部构成如图1所示，其工作原理是:接 上气管，打开气阀门，按下气铆开关，空气进人铆 气缸，由于压力差内部活塞开始快速在复运动，并 冲击铆锤，受冲击的铆锤获得速度后锤击铆钉使其 变形.

图1气铆内部示意图

Fig. 1 Internal schematic diagram of air riveters

1.2气铆锤铆工艺原理

气动锤铆是一种传统的铆接工艺，分为正铆法 和反铆法两种.正铆法即用顶铁直接作用于铆钉头， 气铆的锤铆力冲击钉杆而形成镦头，但其劳动 强度大，效率低，应用范围受结构.反铆法则是 气铆铆锤顶住铆钉头，铆锤直接在铆钉头一侧锤 击，顶铁顶住钉杆的另一侧形成墩头，它能够使零件 贴紧，使用领域广，顶铁的质量较轻，仅为正铆顶铁

的1/4,多用于机体各组合件和部件[6].因此，选用 应用更广的反铆法进行试验操作.气动铆锤工作原 理如图2所示.

图2

气动铆锤工作原理图

Fig. 2 Working principle of pneumatic riveting hammer

1.3试验台介绍

在实际工作中，铆的输人气压和铆接时间是 影响锤铆工艺的重要参数[7].为了能对锤铆工艺参 数进行有效控制，所用锤铆试验台利用调压阀(调节 范围0〜1 MPa)分别对冲击力、冲击速度进行控制， 采用延时继电器(调节范围〇〜10 s)、电磁阀等对铆 的通气时间进行定量控制.

在铆锤顶紧铆钉头不断锤击形成镦头的过程 中，用于顶紧钉杆的顶铁也应该随着做轴向进给运 动，并始终保持顶紧状态，因此试验台引人弹簧[8]， 顶铁顶紧钉杆的力主要由压缩弹簧获得.为使铆接 前能获得所需的预紧力，利用两个螺母锁紧压缩的 弹簧，并通过拧螺母来压缩和释放弹簧.

为满足试验所需性能要求，经调整后的试验台 保证了气铆、铆钉和顶铁同轴，这样能得到质量更 好的铆接件，防止铆钉变形不均勻;铆锤头部和顶铁 头部通过高频淬火处理，以保证其较高的硬度;锤铆 试验台经Solid works建立模型，如图3所示•

2铆接试验及结果分析

2. 1锤铆试验

因输人气压和铆接时间是影响锤铆工艺的两个

156

有色金属材料与工程

表1

2017年第38卷

关键因素，所以选取这两个因子作为试验因子.采用 正交试验方法对这些参数进行组合，根据因子数和 水平数选择合适的正交表.试验选取L9(34 )正交 表，即共做9次试验，观察4个因素，每个因素水平 数均为3.按要求装配好机械部件并连接好电气元 件，在气动锤铆试验台上进行锤铆试验.锤铆铆接试 验数据如表1所示.2.2试验结果分析

铆接件若具有适量且均勻的干涉量，则有更好 的抗剪切拉脱强度和疲劳寿命，由于镦头尺寸能客 观地反映铆接件干涉量，故考核标准为铆钉的镦头 高度.按照铆接技术要求可知不同直径的铆钉，其镦 头高度要求如表2所示.

通过分析得出：当输入气压为〇. 5 MPa、铆接时 间为2 s和输入气压为0. 4 MPa、铆接时间为4 s 时，镦头高度均满足铆接通用技术要求;考虑到效率 因素，当输人气压为〇. 5 MPa、铆接时间为2 s时，铆 接效率更高且能达到铆接镦头高度的要求，但此时 铆接件表面质量较差，变形较大.

表2

试验

编号1234567

铆接正交试验数据处理

Tab. 1 Data processing of riveting test

气压/

MPa

0.30.30.30.40.40.40.50.50.58.966.924.842.972.311.611.37

铆接时间/s2342342347.806.826.102.602.272.030.57

空列11232313126.626.867.242.212.872.410.21

空列21233122316.946.266.822.312.092.730.23

镦头高度/mm3.202.962.802.562.401.962.041.461.34

InnKiKz

k3R

镦头高度标准

Tab. 2 Standard of headset height

铆钉直径/mm

基本尺寸

镦头高度/mm

极限偏差

±0.2

±0.2

±0.4

±0.4

±0.5

±0.5

±0.6

±0.6

2.0

2.5 1.2

3.0 1.6

3.5 1.8

4.0 2.0

5.0 2.4

6.0 2.9

8.03.8

l.〇

3影响铆接件表面质量因素探究

3.1顶铁振动分析

锤铆过程中顶铁顶住铆钉钉杆端，铆锤锤击铆 钉瞬间，顶铁受周期冲力而振动，冲击瞬间顶铁顶住 铆钉使其变形，所以顶铁振动是影响工件形变的重

要因素.机器人铆接结构如图4所示，顶铁利用弹簧 支撑以避免顶铁与铆钉硬接触.

分析锤铆过程可知，铆钉在铆锤不断冲击作用 下，在钉杆端逐渐形成镦头.假设铆钉仅受1次冲 击，理想情况下作用力为铆锤施加的单位脉冲力/， 若无铆钉，顶铁将做自由振动，受系统阻尼作用曲线 见图5(a);而现实中，顶铁的运动有所差异，顶铁在 L (顶铁与铆钉钉杆端再次接触的时间)时第1次回 到平衡位置，并以某一速率冲击铆钉，动能损失，速 度急速减小，振幅也急速减小，见图5(b).

实际锤铆时，铆钉受重复锤击，顶铁的位移也将 有两种:一是冲击力周期，在铆锤第2次作用 之前，顶铁已与铆钉发生冲击而静止，在以后的每次 冲击下顶铁的运动与首次相同，且不受之前冲击力

的影响，位移曲线见图6(a);二是冲击力周期T< L，在铆锤第2次撞击之前，顶铁与铆钉还有一定的 距离，受铆锤第2次冲击时，顶铁将继续远离铆钉，

图4

试验台铆接系统结构示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the test

rig riveting system

第3期刘现伟，等:气动锤铆自动铆接的工艺研究

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与铆钉间距扩大，直到与铆钉撞击并处于静止，连续

重复如上过程，位移曲线见图6(b).

图5顶铁振动曲线图（单次冲击）

Fig. 5 Vibration curve of the top iron( single impact)

时间

T IT

ior

图6顶铁位移曲线图（多次冲击)

Fig. 6 Displacement curve of top iron(multiple impact)

柳钉形成徵头是在受冲击瞬间完成，此时应保 证顶铁与铆钉接触并提供足够的支撑.若冲击瞬间 顶铁尚未与铆钉接触，铆锤将对工件进行冲击，使工 件变形，导致铆接质量达不到要求，甚至工件直接报 废.因此必须保证冲击周期T大于顶铁回到与铆钉 接触的时间

3.2试验台铆接系统动力学模型

铆接系统顶铁及其支撑部件和试验台均可以看 成1个单自由度弹簧-质量-阻尼系统，铆接前压缩 弹簧给铆接系统提供一定的预紧力心，建立系统动 力学模型，如图7所示.

根据牛顿定律，系统运动方程为：

x*! + c1(x1 - x2) + kiixi - x2) - F(t) - F〇

m2 + Ciix2 - Xi) + ki(x2 Xi) + k2x2t +c2 % = 0

(1)

式中：m；L为顶铁质量；m2为试验台质量为顶 铁位移;心为试验台支撑架变形；/c为弹簧刚度；c 为阻尼系数.

图7试验台铆接系统动力学模型

Fig. 7 Dynamic model of riveting system on test

假设系统的初始条件为〇,对方程进行拉氏变

换，拉氏变换后的方程为：

m1s2x1(s) + CisC^Cs) - ^(s)] + ki\\^x1(s)-

a*2(s)] = FCs) - F0/§

m2s2x2(s) + Cis[a:2(s) - x*i(8)] + /ci[a:2(s)-

tTl(s)] + C28X2(8) + k2x2(s) - 0

(2)

解方程组(2)并化简心（s)可得：

^2(s) = (ciS + ki)/{m.is2(m>2s2 + c2s + k2) +

[(mi + m2)s2 + c2s + /c2](cis + /ci)} x

(F(s) - F〇/s)

(3)

此试验台铆接系统中，试验台质量m2〜100 kg， 顶铁质量Mi = 2.35 kg，m2》m；L，顶铁质量相对于 试验台质量可忽略不计，故_ + m2〜m；L，故式(3) 可写成：

x*2(s)二（as + ^^/[(州以2 +

+ /〇2)(州is2 +

CiS + /ci)Q x (F(s) - F〇/s)

(4)

由式⑵二吩⑷+ _2 + ^ + ^_)，

耳关立式⑷得:

x^s) = x2(s) +----mi s :---------+ Ci s + — hi

X

(F(s) - F〇/s)

(5)

单独1次冲击在理想状态下可等效为脉冲力，脉 冲就是在瞬间作用1个很大力的有限冲量.根据单位 脉冲函数8的性质，将脉冲力F在t = a时刻产生的 冲

量

表

示

为

二

a)，脉冲力F经拉氏变

换为F(s) =

，线性弹簧阻尼很小，一般可忽略，由

此得出顶铁在单次作用力下的位移心为：

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有色金属材料与工程2017年第38卷

由式(6)可得出，试验台产生的位移也是顶铁位 移的一部分.Cherng[8]和Wang等[9]通过对锤铆过 程中顶铁振动进行试验探究，得出气铆铆接时顶 铁振幅在1 mm左右.由于试验过程中顶铁振幅明 显高于试验台支撑架产生的形变，故忽略试验台支 撑架的形变.

4顶铁振动影响因素及试验验证

4.1支撑弹簧刚度的影响

通过上述分析可知，锤铆过程中试验台支撑架 变形量x2很小，忽略不计，则式(5)可写为：

由上述分析可知，为避免锤铆过程中造成工件 变形，须使铆冲击周期T大于顶铁回到起始位置 时间^，受冲击后顶铁将自由振动，之后回到顶住铆 钉钉杆端处，当顶铁顶住铆钉钉杆端时x: =0,根据 式(7)可得：

(8)

计算可得顶铁回到顶住铆钉钉杆端时^为：

由式(9)可知，当增大预紧力F。和弹簧刚度 K时，可以减小时间^，使h4.2弹簧预紧力的影响

在锤铆时，把铆的冲击力认为是脉冲力，但真 实情况下，顶铁与铆钉有瞬间的贴合时间At.此刻， 若顶铁不能提供充足的支撑力，则会造成铆冲锤

直接作用在铆接件上，造成工件变形.由式(7)可知， 一次锤铆后顶铁振幅为：

+

n

F〇fci

F21/(y/m1k1F21+ m\\Fl + m^F。) (10)由式（10)可知，预紧力F。越大，顶铁振动越 小.同时，结合试验台铆接结构分析可知，若预紧力 太大，则可能铆钉钉头面脱离铆接件面，造成铆钉与 铆接件贴合不紧密，表面质量不好.4.3顶铁振动影响试验

为验证以上分析，分别采购了线径为3. 5,4. 5, 6.0和8.0 mm的弹簧各1根，弹簧刚度K值分别 用 fca，fcb，fcc，fcd 表7K:

K = (G x d4)/(8 x D3mx JVC) (11)

式中：G为弹簧切变模量；d为弹簧线径为弹 簧中径，An = D _ d; JVt为弹簧的有效圈数，JV£ =

JV - 2，JV为弹簧总圈数.通过查阅《机械设计手册: 第三卷》[1°]可得，弹簧切变模量G = 79 000 MPa.代 入数值可得

= 2. 74 N/mm，fcb = 7. 9 N/mm，fcc =

27.0 N/mm；fcd = 95.9 N/mm.

调整试验台，安装铆钉使气铆铆钉和顶铁到 合适位置，调节调压阀使铆输入气压〇. 5 MPa，铆 接时间设为2 s，每组弹簧试验4次，试验条件与现

象见表3.铆接工件变形量见图8.

表3

不同刚度弹簧不同条件下锤铆现象

Tab. 3 Hammer-riveting under different conditions

of spring with different stiffness

弹簧

顶铁铆接工件线径状态

振动噪声变形3.5

不加预紧力很大很大很大加500 N预紧力很大相对减小不明显4.5

不加预紧力很大很大相对减小加500 N预紧力很大明显减小不明显6.0

不加预紧力较大较小较小加500 N预紧力不明显几乎没有几乎没有8.0

不加预紧力不明显几乎没有几乎没有加500 N预紧力

不明显

几乎没有

几乎没有

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(a) J=3.5 mm, ^=2.74 N/mm

(b) (c) (i=6.0 mm, ^=27.0 N/mm

(d) 图8铆接件变形量

Fig. 8 Deformation of riveting

分析结果可知：(1)

在不加预紧力时，线径为3.5 mm和4.5 的弹簧铆接后，冲锤对铆接件的冲击很大，噪声剧烈，

铆接件变形也很大;线径为6.0 mm和8.0 mm的弹 簧铆接后，冲锤对铆接件冲击较小，噪声不明显，铆接 件几乎没有变形.试验结果验证了上述分析，即必须 保证弹簧刚度A:>m (tt/)2.

(2)

在加500 N的预紧力后，不同线径与度的弹簧铆接后，冲锤对铆接件的冲击都明显减小， 铆接件变形也明显减小.因此，为保证较好的表面质 量，需要对弹簧施加合适的预紧力，本文推荐风二 500 N.

5结论

(1)

根据气动锤铆铆接过程及原理，利用气动 锤铆自动铆接的试验平台，分析了气动锤铆工艺存 在的质量缺陷，并提出了解决方案.

(2)

以镦头高度为主要指标，采用正交试验方法

分析各参数对锤铆的影响.得出了满足半圆头铆钉铆 接性能要求的工艺参数组合，为输入气压0.5 MPa，铆 接时间2 s.

(3)由顶铁振动分析可知，为避免锤铆过程中 造成的工件变形，须使铆冲击周期T大于顶铁振 动回到初始位置时间L .为保证较好的表面质量，铆

接件不变形，需要对弹簧施加合适的预紧力，并且必 须保证弹簧刚度/c>m (tt/)2.

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刚